基于纳米金属氧化物材料—蛋白质多元复合材料的电化学生物传感器的研究

摘要

作为生物体中必要的组成成分，蛋白质和酶在生命活动中起着非常重要的作用，它们参与完成生命体中的许多生理过程。其中，氧化还原蛋白质和酶是被研究最为广泛的，关于它们在电极上的电化学行为研究已成为生物电化学领域和生命科学领域非常关注的热点问题。其研究对于人们深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用以及电子传递反应、传递机制，开发新型生物传感器、新型生物燃料电池等生物电子器件具有重要的理论和应用指导意义。离子液体(IL)具有特殊的物化性质，如导电性好、电化学窗口宽、热稳定性和化学稳定性高、溶解能力强、挥发性小、无毒等，被广泛应用于电化学和电分析领域。而纳米材料因具备大的比表面积、较高的催化活性以及良好的亲和力等特点，使其能活化电极表面，加速蛋白质的活性中心与电极间的直接电子传递，同时最大限度地保持蛋白质的生物活性，已成为应用于生物传感器方面最有前途的材料。本论文充分利用离子液体和纳米材料的优良特性，组装了不同的纳米材料/蛋白质修饰电极，并研究了血红素蛋白质的直接电化学行为和电催化性能，以及C@SnO2无酶电化学生物传感器对H2O2的电催化能力。其主要包括以下内容：
　　 1.利用水热法制备出梭形的Fe2O3纳米颗粒，并在其外通过包碳部分还原Fe2O3最终获得梭形的C@Fe3O4纳米颗粒。采用液体石蜡、石墨粉和绿色溶剂－离子液体1－丁基－3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)为原料，制备了离子液体修饰碳糊电极(CILE)。将其作为基底电极，采用层层涂覆法将C@Fe3O4纳米颗粒、肌红蛋白(Mb)、离子液体1－乙基－3－甲基咪唑硫酸乙酯盐([EMIM]EtOSO3)和壳聚糖(CTS)固定在CILE表面，制得了CTS/IL/Mb/C@Fe3O4/CILE修饰电极。利用光谱法、扫描电子显微镜(SEM)和循环伏安法等方法对电极进行了表征，光谱实验结果表明Mb在复合膜内保持了其自身的天然构象，而且在循环伏安结果中，CTS/IL/Mb/C@Fe3O4/CILE上出现一对峰形良好且准可逆的氧化还原峰。还进一步研究了复合膜内Mb的直接电化学行为以及该修饰电极对三氯乙酸(TCA)的电催化还原能力，并求解了相关的电化学参数和相应的表观米氏常数(KMapp)。
　　 2.制备了空心的Co3O4纳米球，并将其用于血红蛋白(Hb)修饰电极的活性材料，研究了血红蛋白(Hb)在CILE上的直接电化学行为。以上述CILE为基底电极，构建了一种基于Nafion-血红蛋白(Hb)-Co3O4-离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([BMIM]Br)复合膜修饰的电化学生物传感器。紫外和红外光谱分析结果表明，Hb在修饰膜内基本保持了其天然生物活性，Nafion-Hb-IL-Co3O4/CILE上出现一对准可逆的氧化还原峰，并且在该修饰电极上Hb的电子传递能力明显增强，这是由于空心的Co3O4纳米球和离子液体的存在提供了一个合适的微环境，加速了酶与电极间的电子传递。同时进一步研究了Hb的直接电化学行为以及该修饰电极对TCA的电催化性能，解释了其电化学行为的机理。
　　 3.采用水热法合成出单分散的C@SnO2纳米颗粒，并充分利用SnO2的电催化活性和碳层的良好导电性，将其用于H2O2无酶电化学生物传感器的构建。以玻碳电极(GCE)为基底电极，以壳聚糖(CTS)为成膜材料，通过滴涂法将C@SnO2纳米颗粒固定在电极上，制备得到CTS/C@SnO2/GCE修饰电极。将CTS/C@SnO2/GCE修饰电极作为生物传感器工作电极，并对H2O2进行电催化测试。在最佳实验条件下，所制备的修饰电极对H2O2表现出良好的电催化能力，催化还原电流和H2O2的浓度在0.01-10.0 mmol/L范围内呈良好的线性关系，检测限为10.0μmol/L(S/N=3)，实现了较高灵敏度的传感性能。