基于纳米材料构建的无酶型传感器应用于生物小分子检测的研究

摘要

自1962年Clark首次提出葡萄糖酶生物传感器以来,酶生物传感器因其灵敏度高、选择性好等特点在临床医学、环境检测和食品工业等领域受到了广泛关注和应用。然而酶在固载过程中由于其内部结构稳定性不佳,以及环境温度等的影响容易失活,使得酶传感器的稳定性不尽理想。因此构建无酶型的传感器成为当下的研究热点。生物小分子在人体内发挥着非常重要的作用。如多巴胺(DA)是一种重要的神经传递介质,DA的含量过低会导致神经紊乱,精神分裂,帕金森等症状。和DA广泛共存在于哺乳动物和人体内的生物小分子还有抗坏血酸(AA),尿酸(UA)及亚硝酸根离子等。这些物质都具有电活性,在裸的电极上氧化需要较高的过电位,且氧化峰电位重叠,很难将他们分离;裸电极表面也很容易被污染从而使得电极选择性和重现性较差。因此,如何构建修饰电极同时检测这些共存生物小分子显得极为迫切。近年来,纳米材料由于其独特的电化学性质、大的比表面积、高的表面自由能、好的生物兼容性等特点在传感器领域已得到广泛的应用。本文基于以上考虑,采用纳米材料构建了多种对生物小分子具有灵敏选择性的无酶型传感器,主要工作如下:
　　 1.基于血红蛋白固载在金纳米颗粒/聚硫堇,铂纳米颗粒/修饰的玻碳电极上对过氧化氢及亚硝酸根的研究
　　 该工作首先在玻碳电极上电沉积一层铂纳米颗粒(PtNPs),PtNPs具有良好的导电性,且沉积的PtNPs可以增加电极的比表面积,从而增加后面硫堇的聚合量。硫堇不仅是良好的电子媒介体,在酸性溶液中硫堇能有效的把N02-吸附到电极表面并在一定电位下将其催化氧化。聚合硫堇后利用静电吸附原理将带负电的纳米金(AuNPs)吸附到电极表面,然后通过带负电的.AuNPs吸附血红蛋白(Hb)制得该传感器,成功地实现了同一支电极检测两种不同的物质。通过循环伏安(CV),扫描电镜(SEM)对电极组装过程进行了表征,在最优条件下,传感器对N02’的最低检测限为20nmol·L-1,线性范围为70 nmol·L-1～1.2 mmol·L-1,对H2O2的最低检测限为1.4μmol·L-1,线性范围为4.9μmol·L-1～6.8 mmol·L-1。实验显示该传感器具有良好的分析性能及稳定性和选择性。
　　 2.基于石墨烯/聚环糊精/碳纳米管纳米复合物修饰电极同时检测抗坏血酸,多巴胺及亚硝酸根的研究
　　 该工作首先制备了环糊精(CD)的预聚物(pre-CD),再将pre-CD与CD,石墨烯(GS)和碳纳米管(CNTg)超声混合并滴涂于玻碳电极表面制得同时检测AA,DA和NO2-的修饰电极。CD交叉耦合pre-CD形成的混合物具有很好的成膜性,克服了单纯CD易溶于水的缺点,可以增强电极的稳定性。CNTs的加入可以有效的阻止GS的团聚,增加GS的利用率;同时CD的主客体识别反应以及目标物与GS-CNTs之间的p-p键作用都为三种物质的成功的选择性识别起到了非常重要的作用。电极采用了CV,SEM及DPV进行了表征,在最优的条件下,该传感器对AA、DA和NO2-的最低检测限分别为1.65μmnol·L-1,0.05μmol·L-1及1.65μmol·L-1;线性范围分别为5μmol·L-1～0.48mmol·L-1,0.15μmol·L-1～21.65μmol·L-1及5μmol·L-1～6.75 mmol·L-1。
　　 3.基于碳纳米管/La(OH)3纳米棒复合物修饰电极同时检测抗坏血酸,多巴胺,尿酸及亚硝酸根的研究
　　 稀土材料具有优异的光、电和磁学等性能,在催化剂、激光器及发光材料等领域应用广泛,但在电化学领域的应用还较少。该工作首先制备了一种新型的纳米材料,La(OH)3纳米棒(La(OH)3NRs),该材料具有很好的成膜性及导电性,碳纳米管在其溶液中有较好的分散性,能有效的提高电极的稳定性和响应性能。采用了CV,TEM及XRD对所制得的材料及电极进行了表征。在最优条件下,修饰电极对AA、DA、UA及NO2-的最低检测限分别为1.67μmol·L-1,1.67 nmol·L-1,1.67 nmol·L-1,及0.18μmol·L-1;线性范围分别为0.5μmol·L-1～1.46 mmol·L-1,50 nmol·L-1～35.36μmol·L-1,50 nmol·L-1～0.79 mmol·L-1,及0.55μmol·L-1～0.72 mmol·L-1。该传感器表现出良好的稳定性,高的选择性和灵敏度。更重要的是,通过固载酶及抗体该材料可以应用于构建其他生物传感器。