基于纳米复合材料构建电流型酶生物传感器的研究

摘要

自1962年首次报道葡萄糖生物传感器近半个世纪以来,酶生物传感器因其具有线性范围宽、灵敏度高、检测限低、选择性好、成本低等优点在临床医学、食品、环境、工业等领域有广泛的应用而备受关注。
　　 纳米材料不仅具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性能,而且还具有良好的生物相容性可以保持蛋白质分子的活性和稳定性,此外,大的比表面积可以增加蛋白质分子的固载量。纳米材料由于具有以上优点被不断运用到酶生物传感器的构建过程中,以期望提高酶生物传感器性能。基于以上考虑,本文运用纳米纳米复合材料分别构建了辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶等三种酶生物传感器,传感器在检测限、灵敏度、选择性和稳定性等性能方面较先前酶生物传感器有较大程度的改善。
　　 本论文主要开展了以下几个方面的工作:
　　 1.基于金纳米线/纳米二氧化钛复合材料的过氧化氢生物传感器的研究
　　 通过结合纳米二氧化钛(nano-TiO2)和金纳米线(AuNWs)的自身优势构建了一个简单有效检测过氧化氢(H2O2)的生物传感器。nano-TiO2具有优良的生物兼容性和成膜性,可以更好的保持酶的活性。合成的AuNWs有类似“电子导线”的作用加快电子传递,可缩短传感器的响应时间。AuNWs较单个Au纳米粒子颗粒可固载更多的酶,提高传感器的灵敏度。在最优实验条件下,对传感器的性能进行详细研究,该传感器的响应电流与H2O2的浓度在2.3μmol·L-1～2.4mmol·L-1范围内呈现良好的线性关系,检出限为0.7μmol·L-1(信噪比为3),米氏常数为1.27mmol·L-1。该传感器具有良好的稳定性、选择性和重现性。此外,对所制备的传感器进行了实际样品的检测分析。
　　 2.具有氧化还原电活性的多孔多壁碳纳米管-聚苯胺纳米复合材料的制备、表征及其在葡萄糖生物传感器中的应用
　　 首次以过硫酸钾为氧化剂原位化学合成了多壁碳纳米管-聚苯胺(MWCNT-PANI)纳米复合材料。制备的MWCNT-PANI纳米复合材料进行透射电子显微镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)和紫外可见(UV-Vis)光谱表征。该复合材料表面疏松多孔且具有氧化还原性及优良的导电性。将该纳米复合材料和铂纳米粒子(Pt)结合制备了一种电流型葡萄糖生物传感器。运用扫描电子显微镜(SEM)和循环伏安法(CV)对电极的修饰过程进行了研究。由于MWCNT、PANI、Pt三者的协同催化作用,在最优实验条件下,该传感器在3.0μmol·L-1～8.2mmol·L-1范围内呈现良好的线性响应,检测限为1.0μmol·L-1(信噪比为3),灵敏度为21μA·L·mol-1。此外,该传感器还表现出良好的稳定性、较高的灵敏度和重现性。
　　 3.基于多壁碳纳米管.聚苯胺/铂纳米粒子复合材料的电流型胆固醇生物传感器研究
　　 在玻碳电极表面一步电聚合多壁碳纳米管.聚苯胺(MWCNT-PANI)和电沉积铂(Pt)纳米颗粒,并以固定胆同醇氧化酶(ChOx)为酶模型,构建了一个电流型胆固醇(Cholester01)生物传感器。该传感器构建方法简单、制备周期短。MWCNT-PANI纳米复合膜的形态用扫描电子显微镜(SEM)进行表征。传感器的电化学性能运用循环伏安法(CV)、电化学阻抗(EIS)和计时电位法进行了研究。由于MWCNT-PANI和Pt之间的协同电催化作用,胆固醇传感器表现出优良的性能:线性范围为2.0μmol·L-1～520μmol·L-1,检测限为0.8μmol·L-1(性噪比为3),灵敏度为109.9μA·L·mmol-1,响应时间小于5S。此外,本实验还对生物传感器的重现性,稳定性和选择性进行了研究。