功能化碳纳米管电极的构建及其对细胞释放超氧阴离子的分析研究

摘要

超氧阴离子（O2·ˉ）作为活性氧家族中最活泼的成员之一，它的浓度与机体健康息息相关，是许多常见疾病的重要致病因素。在现有的众多检测方法中，电化学方法由于其响应速度快、灵敏度高、重现性好、操作简便而备受瞩目。本文通过共价修饰法及金属有机骨架(MOF)模板法，利用多壁碳纳米管、金属纳米粒子及过渡金属氧化物构建了超氧阴离子无酶电化学生物传感器，并实现了对活细胞释放的O2·ˉ的在线检测。主要研究内容如下：
　　（1）首先，将L-半胱氨酸功能化的多壁碳纳米管修饰在玻碳电极表面，并电沉积上银纳米粒子（AgNPs），从而制得一种新型超氧阴离子无酶传感器。由扫描电镜（SEM）可知，大量小尺寸的AgNPs均匀地分散在Cys-MWCNTs电极表面。电化学实验证明，该修饰电极对O2·ˉ具有较强的催化性能、超宽的线性范围（7.00×10-11～7.41×10-5M）、超低的检测限（2.33×10-11M）以及优异的抗干扰能力等特点。此外，我们还首次提出了AgNPs/Cys-MWCNTs/GCE对O2·ˉ还原反应的催化机理。更重要的是，该传感器还被成功应用于活细胞在线检测，它不仅可以检测到活细胞在刺激状态下所释放O2·ˉ，而且还能检测到正常状态下的细胞所释放的ROS。
　　（2）基于上一章的研究发现，金属纳米粒子与碳纳米管具有很好的协同效应。然而金属纳米粒子价格昂贵，功能化步骤较为繁琐，且这种共价作用很容易破坏碳纳米管的结构。因此，本章利用金属有机骨架（MOF）的金属节点以及多孔框架结构为模板，结合多壁碳纳米管大的比表面积、高导电性等特点，制备出小尺寸且分散均匀的四氧化三钴@碳基底碳纳米管复合材料（Co3O4@C-MWCNTs），将其修饰在玻碳电极上，应用于O2·ˉ的非酶直接检测。扫描电镜（SEM）及透射电镜（TEM）可以清晰地看到粒径约为30nm的Co3O4纳米粒子均匀地镶嵌在碳基底碳纳米管上；通过X-射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、氮气吸脱附图谱（BET）可以准确地确定复合材料的介孔结构。此外，电化学实验结果表明，该传感器对O2·ˉ有很好的催化作用、比上一章更宽的线性范围（5.00×10-12～1.00×10-4M），更低的检测限（1.67×10-12M）。更重要的是，在上一部分细胞实验的基础上，本章探索了三种不同细胞刺激物对活细胞释放O2·ˉ的影响，并且通过选定的最佳刺激物，高灵敏地检测到活细胞释放的O2·ˉ。

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

1绪论

1.1碳纳米管

1.1.1碳纳米管的结构

1.1.2碳纳米管的性质

1.1.3碳纳米管的纯化及功能化

1.1.4碳纳米管修饰电极及其表征方法

1.2金属纳米粒子及过渡金属氧化物

1.2.1金属纳米粒子及过渡金属氧化物的制备

1.2.2金属纳米粒子及过渡金属氧化物在生物传感器中的应用

1.3氧化应激

1.3.1 氧化应激的概述

1.3.2 超氧阴离子自由基电化学分析的新进展

1.4本文研究思路

2．半胱氨酸功能化碳纳米管负载银纳米粒子的超氧阴离子传感器构建及其在活细胞中的应用

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1仪器

2.2.2试剂

2.2.3 Cys-MWCNTs复合材料的制备

2.2.4 O2??传感器的制备

2.2.7 细胞释放的O2??的电化学检测

2.3 结果与讨论

2.3.1 AgNPs/Cys-MWCNTs/GCE的表征

2.3.2 O2??在AgNPs/Cys-MWCNTs/GCE上的电化学响应

2.3.3 O2??传感器性能的研究

2.3.4 细胞中释放的O2??的检测

2.4 结论

3. MOF衍生纳米复合材料的合成及其对细胞中超氧阴离子的电化学检测

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验仪器

3.2.2 实验试剂

3.2.3 Co3O4@C-MWCNTs 纳米复合材料的制备

3.2.5 O2??的合成

3.2.6 细胞培养

3.2.7 细胞释放的O2??的电化学检测

3.3 结果与讨论

3.3.1 Co3O4@C-MWCNTs纳米复合材料的表征

3.3.2 O2??在Co3O4@C-MWCNTs/GCE上的电化学响应

3.3.3 O2??传感器性能的研究

3.3.4细胞中释放的O2??的检测

3.4 结论

参考文献

攻读硕士期间论文发表及科研情况

致谢