基于Pt纳米绒毛修饰氧化铝箔生物传感器与基于酞菁钴修饰聚吡咯无酶生物传感器

摘要

自从Updike和Hicks制作第一个酶电极以来，生物传感器得到了广泛的研究和应用。不同的固化方法、多种固化材料和修饰电极被应用于电化学生物传感器。为了改善传感器的性能，纳米半导体、纳米金属和纳米聚合物被用于修饰电极，以提高电极比表面和生物相容性。
　　 本论文首先采用Pt化学沉积法对多孔Al2O3电极进行修饰，制得Pt纳米绒毛修饰多孔Al2O3电极。该电极具有高的表面积和良好的催化能力，其对0-50 mM过氧化氢的灵敏度为71.02μ AmM-1 cm-2，线性相关度R=0.969，较未修饰前电极的灵敏度提高约129倍。利用电极的循环伏安曲线用于表征电极的电化学特性；此外，还采用EDS、面扫描和线扫描对电极进行了元素分析表征。
　　 在此电极基础上采用戊二醛固化葡萄糖氧化酶制得Pt纳米绒毛/Au/Al2O3葡萄糖传感器；采用聚吡咯修饰电极并利用戊二醛固化葡萄糖氧化酶制得PPy/Pt纳米绒毛/Au/Al2O3葡萄糖传感器。本研究考察了不同酶添加量、不同pH值和不同聚合时间对传感器响应电流的影响。经过优化制备条件后，上述两种传感器灵敏度、线性区、检测限、米氏常数分别为56.79μ AmM-1cm-2和38.47μ AmM-1cm-2、0.25-8 mM和0.25-7 mM、12.5μ M/cm2和68.9μ M/cm2、7.35mM和6.42mM。通过二项式拟合还可以将传感器的线性区扩展到0.25-30mM。该传感器具有良好的时间和温度稳定性，较好的抗干扰能力和重复性。该传感器的血清样品测试结果表明，传感器回收率达到93.9-103.9％；该传感器与医院生化仪有较好的相关性，相关系数为0.991，具有良好的临床应用前景。
　　 利用戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器和利用戊二醛固化尿酸酶的PPy/Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器的灵敏度、线性区、检测限、米氏常数分别为121.3μ AmM-1cm-2和131.39μ AmM-1cm-2、0.05-0.60 mM和0.05-0.70 mM、5.85μ M cm-2和68.9μ M/cm2、1.096 mM和2.37 mM。通过二项式拟合还可以将传感器的线性区扩展到0.05-1mM。该传感器具有良好的时间、温度稳定性和重复性，有一定的抗干扰能力。该传感器的血清样品测试结果表明，传感器回收率达到87.5-116.7％，该传感器与医院生化仪也有较好的相关性，相关系数为0.989，具有一定的临床应用前景。
　　 应用戊二醛固化胆固醇氧化酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器和应用戊二醛固化胆固醇氧化酶的PPy/Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器的灵敏度、线性区、检测限、米氏常数分别为109.22μ A mM-1cm-2和117.99μ AmM-1cm-2、0.05-0.30 mM和0.05-0.30 mM、6.5μ Mcm-2和22.5μ Mcm-2、0.286 mM和0.37mM。该传感器具有良好的时间和温度稳定性，较好的抗干扰能力和重复性。该传感器的血清样品测试结果表明，传感器回收率达到89.0-107.5％，该传感器与医院生化仪有较好的相关性，相关系数为0.979，具有一定的临床应用前景。
　　 其次，本研究在不利用无机模板的情况下，采用恒电位法在不同基底电极表面(如镀金电极、铂片电极、铁片电极和铅笔芯石墨电极等)修饰了具有新颖的微触角形貌的聚吡咯。本研究考察了反应时间、聚合电位、不同基底、不同类型和浓度的电解质对聚吡咯修饰电极的形貌和电化学性能的影响。在优化条件下于不同基底上成功地修饰了具有茂密、细长和稳定的聚吡咯触角，且具有良好的电化学性能。
　　 基于酞菁钴修饰过氧化聚吡咯的无酶电流型葡萄糖生物传感器可在0.4V的低电位条件下直接氧化葡萄糖分子得到响应电流并测试其浓度；对实验条件进行优化后，传感器线性范围为0-10 mM，灵敏度为6.42μ AmM-1cm-2(R=0.993)，测试限为70.1μ M；通过二项式拟合后，更可将该传感器的使用范围扩大至0-50mM；传感器具有较好的时间和温度稳定性，在28天后保持92％的响应电流；该传感器对于果糖和脲有较好的抗干扰能力；该传感器还具有较好的重复性。
　　 最后，本研究对Pt纳米绒毛修饰电极的PPy传感器和无PPy传感器建立了电子传输模型，分别为电子-空穴机理和电子传输穿梭机理，并将该机理与传感器的性能的关系进行了讨论；对Pt纳米绒毛电极的表面积进行了理论计算，其理论基于CV曲线中氢吸附和解吸附电量，在几何面积为0.025cm2的电极中计算表面积值为14cm2；对微触角形貌聚吡咯的生长机理进行了讨论；建立了微触角形貌聚吡咯的等效电路图；还对无酶电流型生物传感器的合成机理进行讨论，并建立了相应的等效电路和传感模型。