基于纳米材料构建的过氧化氢和葡萄糖生物传感器的研究

摘要

纳米材料独特的物理、化学性质，将在诸多领域引发变革。其中，将纳米材料作为一种新型的生物传感介质引起了广大生物传感器研究者的兴趣。纳米材料修饰的电化学生物传感器的研制是纳米技术与生命科学的交叉。生物传感器具有灵敏度高、选择性好、操作简单、检测快、廉价等特点，而被广泛应用于环境、临床、食品等方面的监测。纳米材料的应用将进一步提高生物传感器的性能，同时，能促进电极与生物分子活性中心的直接电子转移，并能保持生物分子的活性。因此，纳米材料用于构建生物传感器的研究，有利于创新性地建立一些新理念，是一个很有前景的领域。本研究工作包括以下几部分：
　　 1.基于二氧化锆和碳纳米管协同作用的过氧化氢生物传感器的研究
　　 利用碳纳米管能促进酶直接电子转移及与其它纳米材料之间具有协同作用的特点，使其制得生物传感器有较好的性能。本实验将多壁碳纳米管(MWNT)与二氧化锆(ZrO2)分散于壳聚糖(CS)溶液中，制得MWNT-ZrO2-CS复合物，并将其修饰于玻碳电极表面，然后于修饰电极上恒电位沉积一层疏松多空的纳米金(nano-Au)，最后利用静电吸附固定辣根过氧化物酶(HRP)，从而制得HRP/nano-Au/MWNT-ZrO2-CS/GCE修饰电极。由于纳米金对HRP的强吸附能力和生物兼容性及MWNT和ZrO2之间的协同作用，该传感器对H2O2表现出较好的催化性能。实验结果表明，该传感器在7.80×10-6～9.26×10-3mol/L范围内对H2O2有较好的线性响应，检测下限为2.S×10-6mol/L(S/N=3)，并具有制备简单、成本低、响应时间短等特点。
　　 2.基于Cu2O-SiO2纳米复合物直接催化过氧化氢的传感器
　　 由于酶分子的一些缺陷导致酶传感器存在较差的稳定性和重现性以及具有较低的灵敏度。为了尽可能的减小或消除这些缺陷，利用化学修饰电极(即无酶修饰电极)来实现对过氧化氢的直接电催化受到了研究者们的广泛关注。这也将成为未来检测过氧化氢的一种趋势。我们通过水溶液法制备一种氧化亚铜-二氧化硅(Cu2O-SiO2)纳米复合物，并将其修饰于电极表面，直接催化过氧化氢(H2O2)，成功制得了一种无酶的过氧化氢传感器。通过循环伏安和计时电流法考察了电极的电化学特性，发现Cu2O-SiO2对过氧化氢有较好的催化性能。实验结果表明，制备的传感器在H2O2浓度为3.5×10-7～7.5×10-3mol/L范围内有良好的线性响应，检测下限为1.2×10-7mol/L(S/N=3)。此外，该传感器具有制备简单、成本低、响应快、稳定性好等特点。
　　 3.纳米二氧化钛与碳纳米管协同作用葡萄糖生物传感器
　　 近年来的研究表明，电子媒介体的引入能加速电子传递速率，但存在电子媒介体的渗漏与富积等问题，从而影响电极的稳定性。利用纳米粒子间的协同作用，并结合电沉积和吸附法的优点，研制了一种新型的无电子媒介体的葡萄糖传感器。通过循环伏安法，交流阻抗技术和计时电流法考察了电极的电化学特性。在最佳的实验条件下，该传感器在3.0×10-6～1.45×10-3mol/L范围内对葡萄糖有良好的线性响应，检测下限为8.5×10-7mol/L(S/N=3)。由于纳米粒子间的协同作用，该传感器具有灵敏度高、稳定性和选择性好等优点。