基于有序Au纳米线阵列的葡萄糖电化学生物传感器的制备及性能研究

摘要

本论文以高度有序Au纳米线阵列为平台，采用不同的制备技术将葡萄糖氧化酶负载于Au纳米线阵列表面构筑高灵敏度的葡萄糖电化学生物传感器。一方面，选取合适的AAO模板和电解液，以AAO模板结合电沉积技术制备高度有序Au纳米线阵列;结果表明，相对于由H3BO3和HAuCl4组成酸液电解液而言，以EDTA，Na2SO3，K2HPO4和HAuCl4所组成的碱性电解液所制备的Au纳米线具有规则的形貌和粗糙的表面，更加有利于葡萄糖氧化酶的负载和所制备的葡萄糖电化学生物传感器的稳定性。另一方面，研究了不同制备技术对所制备的葡萄糖电化学生物传感器性能的影响，对不同制备技术条件下影响生物传感器性能的参数进行优化与分析，从而提高生物传感器对葡萄糖检测的性能，并结合FIA技术进一步提高传感器的检测效率，其具体研究内容如下:
　　 首先，利用Au纳米线阵列大比表面积的特性，采用物理吸附法将葡萄糖氧化酶(GOx)吸附于Au纳米线阵列表面，并以全氟磺酸树脂(Nafion)覆盖于GOx修饰后的Au纳米线阵列表面以提高葡萄糖电化学生物传感器的稳定性。分别通过SEM、TEM、XRD以及CV对Au纳米线阵列的形貌、微观结构和电活性表面积进行表征，利用FITR对以Nafion包覆的GOx进行表征。对浸渍时间、GOx浓度、Nafion浓度以及电沉积时间等制备参数以及其测试参数进行优化，改善所制备的生物传感器对葡萄糖的电流响应。实验结果表明，高度有序Au纳米线阵列具有很高的电活性表面积，能够有效地加速反应过程中的电子传递。基于Nafion-GOx-AuNWAs的葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测具有高灵敏度(258.8μA·cm-2·mM-1)，线性范围宽(10-3270μmol/L)，低检测极限(0.2μmol/L)，高的稳定性及抗干扰能力好等性能;同时采用物理吸附法制备的葡萄糖生物传感器具有较好的酶动力学响应，其Michaelis-Menten常数K(sppm)为5.8mM。
　　 其次，以电聚合吡咯的方式将GOx包埋于Au纳米线阵列表面的聚吡咯膜中制备葡萄糖电化学生物传感器。采用SEM以及TEM对Au纳米线的形貌进行观察，通过电聚合吡咯过程中的电势-时间曲线以及电化学交流阻抗谱(EIS)对GOx在聚吡咯膜中的负载情况进行分析，以吡咯单体为电解液和吡咯单体/GOx混合液为电解液进行电聚合生长曲线可以判断GOx被成功包埋于聚吡咯膜中，同时，不同电极的电化学交流阻抗谱对此进一步确认了GOx可以通过电聚合的方式而被负载于Au纳米线阵列表面。在对其制备参数优化的基础之上，在一定程度改善了生物传感器的性能，基于电聚合法制备的葡萄电化学生物传感器的灵敏度可达183.3μA·cm-2·mM-1，线性范围较宽为10-6140μmol/L，检测极限为0.5μmol/L。
　　 再者，利用GLA和BSA共交联法将GOx固定于Au纳米线阵列表面构筑葡萄糖电化学生物传感器.分别利用SEM和TEM对Au纳米线阵列进行表征，并通过CV和EIS对基于交联法制备的葡萄糖电化学生物传感器的传质特性和界面结构进行研究.以计时电流法对不同的GLA浓度、BSA浓度、GOx浓度等参数条件下制备的葡萄糖电化学生物传感器的性能进行优化，电流响应结果显示，GLA-BSA-GOx-AuNWAs葡萄糖生物传感器对葡萄糖检测显示了较高的检测性能，其灵敏度高达379.0μA·cm-2·mM-1，线性范围为5-5000μmol/L，检测极限达0.05μmol/L。传感器稳定性研究结果显示，经过一个月的保存之后，该葡萄糖生物传感器仍保留90％的原始电流响应，显示传感器具有较好的稳定性。为了克服葡萄糖电化学生物传感器对测试溶液中溶氧的依赖，改善葡萄糖电化学生物传感器的电流响应以及稳定性，以交联法制备葡萄糖生物传感器过程中引入电子介体，将GOx与K3Fe(CN)6共同固定于Au纳米线阵列表面与纳米线之间。通过在常规测试环境和无氧测试环境中对不同条件下制备的葡萄糖电化学生物传感器的电流响应对K3Fe(CN)6的引入对生物传感器性能的作用进行分析，葡萄糖电化学生物传感器的构筑过程中引入铁氰化钾。一方面K3Fe(CN)6与O2共同作为葡萄糖催化反应过程中的电子受体，提高生物传感器的电流响应，另一方面，当测试溶液中的溶氧浓度不足或受到外界干扰时，K3Fe(CN)6将代替溶氧作为葡萄糖氧化酶催化葡萄糖反应过程中的电子受体，保证对葡萄糖检测的稳定性。由于K3Fe(CN)6的引入改变了GOx在Au纳米线阵列中存在的微环境，从而使制备参数对传感器性能的影响发生了较大的改变，在参数重新优化的基础之上，相对于无电子介体的葡萄糖生物传感器而言，基于电子介体的葡萄糖电化学生物传感的性能获得极大改善，所制备传感器的灵敏度高达548.1μA·cm-2·mM-1，线性范围为2.5-5400μmol/L，其理论检测极限为0.04μmol/L。与此同时，传感器具有良好的酶动力学响应，其Michaelis-Menten常数K(sppm)为5.6mM。
　　 最后将基于Au纳米线阵列的葡萄糖生物传感器与流动注射分析（FIA）技术相结合，一方面基于Au纳米线阵列的葡萄糖生物传感器自身具有良好的综合性能，另一方面，FIA技术是一种非平衡态、快速测量的技术;将二者的优势结合之后，实现了对不同浓度葡萄糖的批量测试，大大提高了对葡萄糖浓度检测的效率。基于Au纳米线阵列的生物传感器对葡萄糖实际样品分析具有较高的回收率和较低的相对标准偏差，说明所制备的葡萄糖电化学生物传感器对葡萄糖的检测具有较高的可靠性。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 葡萄糖检测的重要性

1．2 葡萄糖检测技术的研究与进展

1．2．1 分光光度法

1．2．2 旋光度法

1．2．3 气相色谱法

1．2．4 高效液相色谱法

1．2．5 电化学生物传感器

1．3 葡萄糖电化学生物传感器

1．3．1 基于葡萄糖脱氢酶的葡萄糖电化学生物传感器

1．3．2 基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖电化学生物传感器

1．4 纳米材料及其在葡萄糖电化学生物传感器中的应用

1．4．1 纳米材料概述

1．4．2 基于纳米颗粒的葡萄糖电化学生物传感器

1．4．3 基于无序一维纳米材料的葡萄糖电化学生物传感器

1．4．4 基于有序一维纳米材料的葡萄糖电化学生物传感器

1．5 贵金属纳米阵列的制备

1．5．1 电沉积法制备贵金属纳米阵列

1．5．2 原电池反应法制备贵金属纳米阵列

1．6 生物酶在纳米阵列上的固定方法

1．6．1 物理吸附法

1．6．2 共价键结合法

1．6．3 包埋法

1．6．4 交联法

1．7 本论文的研究内容及意义

第二章 氧化铝模板(AAO)优化及Au纳米线阵列的制备

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 实验设备

2．2．2 实验药品

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 退火工艺对AAO模板有序性的影响

2．3．2 基于第一次氧化时间对AAO模板有序性的优化

2．3．3 后处理工艺对AAO模板有序性及孔径的影响

2．3．4 Au纳米线阵列的合成

2．4 本章小结

第三章 基于物理吸附法制备的葡萄糖生物传感器及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 实验设备

3．2．2 实验药品与试剂

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 Au纳米线阵列的表征

3．3．2 葡萄糖生物传感器的红外及电化学表征

3．3．3 葡萄糖生物传感器制备参数的优化

3．3．4 葡萄糖生物传感器测试参数的优化

3．3．5 葡萄糖生物传感器的性能分析

3．3．6 抗干扰能力与稳定性测试

3．4 本章小结

第四章 基于GLA-BSA-GOx-AuNWAs体系的葡萄糖生物传感器及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 生物传感器的制备、表征及测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 Au纳米线的形貌表征

4．3．2 生物传感器的电化学表征

4．3．3 生物传感器制备参数的优化

4．3．4 生物传感器测试参数的优化

4．3．5 生物传感器的综合性能分析

4．4 本章小结

第五章 基于PPy-GOx-AuNWAs的葡萄糖生物传感器的制备及其性能研究

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 化学试剂及药品

5．2．2 实验仪器

5．2．3 吡咯单体提纯

5．2．4 葡萄糖氧化酶的固定及表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 Au纳米线的表征

5．3．2 生物传感器的电化学表征

5．3．3 电聚合参数对生物传感器性能的影响

5．3．4 生物传感器的综合性能分析

5．4 本章小结

第六章 基于电子介体的葡萄糖生物传感器的构筑及其性能研究

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 实验设备

6．2．2 实验药品与试剂

6．2．3 生物传感器的制备及表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 Au纳米线的表征

6．3．2 生物传感器的电化学表征

6．3．3 电子介体对生物传感器性能的影响

6．3．4 生物传感器制备参数的优化

6．3．5 生物传感器的综合性能分析

6．4 本章小结

第七章 基于Au纳米线阵列的葡萄糖生物传感器的流动注射分析

7．1 引言

7．2 实验

7．2．1 实验药品、试剂及设备

7．2．2 生物传感器的制备与测试

7．3 结果与讨论

7．3．1 生物传感器的综合性能测试

7．3．2 实际样品测量

7．4 本章小结

第八章 全文总结与未来工作展望

8．1 全文总结

8．2 创新之处

8．3 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果