基于功能化纳米材料的高性能电化学传感器/生物传感器的研究

摘要

近年来，使用纳米材料构建电化学生物传感器已成为了一项热门研究课题。其中石墨烯和合金纳米多孔材料更是以其低廉的价格、优良的特性和突出的生物相容性越来越受到研究者们的追捧。以纳米材料作为修饰物制备的酶生物传感器实现了酶与电极之间的直接电子传递作用，促进了第三代酶传感器的发展。本研究从纳米材料在电化学传感器/生物传感器的应用方面出发可分为以下三部分：
　　1、高度还原自组装超薄石墨烯薄膜及其高效电催化活性的研究本研究通过溶剂挥发诱导和水辅作用，将高度还原的氧化石墨烯（rGO）在正戊烷和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）液-液界面形成很薄的rGO薄膜，待正戊烷完全挥发后rGO便在DMF-空气表面完成自组装成膜过程，最后将该石墨烯薄膜转移到石英片或电极表面。本研究使用紫外-可见光光度计、扫描电子显微镜、原子力学显微镜和电化学技术对得到的还原石墨烯薄膜进行了表征。在550 nm处该石墨烯薄膜的透光率为82.8％，与几片单层石墨烯叠加在一起的透光率相符。将还原石墨烯薄膜修饰到玻碳电极（GC）上以后明显提高了 GC的导电性：电极的电荷转移电阻由31Ω减小到22Ω。本实验制备的rGO/GC电极具有很好的机械强度而且对H2O2和多巴胺的电催化活性有了很明显的提高。在电极表面修饰多层rGO薄膜后对多巴胺的电催化活性要比只修饰单层 rGO薄膜的电极强很多。这种可控的、在各种固体表面形成稳定 rGO薄膜的方法在纳米电子学传感器和生物传感器领域具有潜在的应用价值。
　　2、基于多孔Pt-Cu合金纳米颗粒修饰的无酶过氧化氢传感器的研究硼掺杂钻石电极（BDD）具有低背景电流和宽电势窗的优良特性，近年来在电化学领域的应用越发广泛。本研究在 BDD电极表面电沉积铂-铜多孔纳米合金颗粒（Pt-CuNPs），然后在Pt-CuNPs层上电聚合吡咯-3-羧酸导电高聚物薄膜（PP3C）；通过扫描电子显微镜和电化学技术表征了 Pt-CuNPs修饰的 BDD电极（ Pt-CuNPs/BDD）和聚吡咯-3-羧酸薄膜覆盖的 Pt-CuNPs/BDD电极（PP3C/Pt-CuNPs/BDD）的表面形态和电化学特性；并以PP3C覆盖的铂纳米颗粒（PtNPs）修饰的BDD电极（PP3C/PtNPs/BDD）作为对照电极，展现了Pt-CuNPs对H2O2的高效催化还原能力。本研究制备的PP3C/PtNPs/BDD电极具有很好的检测灵敏度和选择性，在大气环境下对H2O2的最低检测极限为0.82μM（S/N=3），线性范围在1μM到19.5 mM之间，对抗坏血酸（AA）、葡萄糖、牛血清白蛋白（BSA）等物质表现出了很强的抗干扰能力。该无酶H2O2传感器还具有很好的重现性和稳定性，相同方法制备的不同电极对H2O2检测灵敏度的相对标准偏差为5.8%（n=7），且同一电极对H2O2响应灵敏度的相对标准偏差为3.7%。在无菌PBS中4℃放置仅使传感器对H2O2的检测灵敏度降低了6.1%。该传感器还可用标准加入法检测牛奶中H2O2含量，对含100μM H2O2牛奶样品检测的信号恢复率为105.7%，这说明该多孔纳米铂-铜合金颗粒修饰的无酶 H2O2传感器在真实样品分析方面具有很广阔的应用前景。
　　3、基于 BDD电极的直接电子传递葡萄糖氧化酶传感器的研究本研究使用KOH和（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）处理BDD电极，并将其用作生物传感器基底在其上修饰葡萄糖氧化酶(GOx)，然后用一种双功能团分子将GOx和APTES上的自由氨基交联在一起，在BDD电极表面形成一层稳定酶层(GOx-X-APTES)。我们使用扫描电镜和电化学技术对制备的电极进行了表征，计算得固定化GOx电极的表观电子传递速率常数为8.85±0.47 s?1，较文献报道的数值高很多；使用安培法测定了传感器对葡萄糖的响应，该电极具有很好的稳定性和可重复性，对葡萄糖的最低检测极限为20μM，正常生理浓度（0.1~0.2 mM）下的抗坏血酸和尿酸不会对该电极产生干扰。当在酶电极表面覆盖一层很薄的 Nafion薄膜后其对葡萄糖响应的动力学范围得到了显著的提高。Nafion/GOx-X-APTES/BDD生物传感器对葡萄糖的最低检测极限为30μM，线性范围在35μM到8 mM之间，动力学范围可达到14 mM，且表现出了优越的稳定性。这一分析性能与其它基于纳米材料、纳米复合物和纳米线的复杂传感器方案相比具有显著的优势。APTES功能化的BDD电极应该还可被用来固定其它氧化还原酶或蛋白质，使其与电极之间产生直接电子传递作用。

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1 绪论

1.1 电化学传感器

1.2 电化学生物传感器

1.3 纳米材料介绍

1.4 纳米材料在电化学和生物传感器中的应用

1.5 本研究的目的和意义

2 高度还原自组装超薄石墨烯薄膜及其高效电催化活性的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

3 基于多孔 Pt-Cu 合金纳米颗粒修饰的无酶过氧化氢传感器的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 基于BDD电极的直接电子传递葡萄糖氧化酶传感器的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

5 结论与展望

参考文献

个人简历

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