聚合物基—金属纳米复合材料及其在生物传感器中的应用

摘要

生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等优点，能在复杂体系中进行在线连续监测，在化学、生物医学、环境监测、食品、医药和军事等领域有重要的应用价值。而现代化学、生物学、纳米材料科学及现代微电子学等学科的交叉和发展，已使生物传感器成为当代研究最活泼的领域之一。
　　聚合物基-金属纳米复合材料是由各种金属纳米粒子与高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。只要其某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米范围内，就可将其看成聚合物基纳米复合材料。聚合物基-金属纳米复合材料能很好的解决金属纳米材料在传感器界面上易聚合、分散不均和稳定性差等缺陷。使得聚合物基-金属纳米复合材料构建的生物传感器具有更好的性能。具体的工作内容如下:
　　在第二章中，设计了一种新的金属纳米粒子修饰电极的方法。在电极表面修饰三维功能聚合物网。利用聚合物的功能基络合金属离子，再还原从而在电极表面直接制备金属纳米粒子。这种方法的优点在于，金属离子可以在聚合物网状结构中得到充分的分散，故生成的金属纳米粒子也具有分散性好的特点，而且金属纳米粒子的密度和尺寸可通过复合膜在金属离子溶液中的吸收-溶胀次数以及金属离子的吸附-还原次数来控制。此方法还有一个很具吸引力的特性:聚丙烯酸-金属复合材料拥有大量的自由羧基，这可以进一步结合生物分子例如酶、抗体、核酸等，因此这一方法能扩充设计更多新颖的生物传感器。本章在电极上电沉积聚丙烯酸，以其为模板制备了基于铜纳米粒子的电化学传感器，该传感器对H2O2表现出良好的电催化性能，灵敏度为99μA·mmol-1·L·cm-2。改变功能聚合物、金属离子和固定生物分子，用该方法可构筑多种化学和生物传感器。
　　在第三章中，研究了双金属合金纳米粒子修饰电极的方法。在预先组装有聚丙烯酸的电极上吸附金属离子然后原位还原成金属纳米粒子。通过吸附混合金属离子-还原的方式，可以将协同模式的双金属合金纳米粒子修饰到电极上;通过吸附一种金属离子-还原，然后吸附另一种金属离子-还原的方法，可以将核-壳模式的双金属合金纳米粒子修饰到电极上。用以上方法可制备不同类型的合金纳米粒子的生物传感器。以铂、钯协同模式的双金属纳米粒子修饰到电极上制备的电化学传感器为例，其对H2O2的线性范围是1μmol/L～20mmol/L，检测下线为500nmol/L（信噪比=3），灵敏度为499μA·mmol-1·L·cm-2。比单金属纳米粒子的电化学传感器表现出更加优秀的性能。
　　在第四章中，发展了一种基于单链DNA(ss-DNA)功能化的石墨烯(GR)-金纳米粒子(AuNPs)复合纳米材料的新型酶传感器。通过在GR/DNA上原位组装AuNPs，并利用酶分子末端的氨基与金纳米粒子的亲和性，我们构建了GR/DNA-AuNPs酶传感器。以辣根过氧化物酶(HRP)作为模型，组装了AuNPs-GR/DNA的HRP传感器，该传感器的线性范围是1.0×10-6～2.0×10-3mol/L，灵敏度为33.1μA·mmol-1·L·cm-2，检测下限为5.0×10-7mol/L(信噪比=3)。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 生物传感器简介

1．2 电流型酶传感器

1．2．1 电化学传感器的分类

1．2．2 电流型酶传感器的发展

1．3 纳米材料在生物传感器中的应用

1．3．1 纳米材料简介

1．3．2 纳米材料的制备方法

1．3．3 纳米复合材料及聚合物基纳米复合材料

1．4 本研究工作的构思

第2章 借助聚丙烯酸制备铜粒子修饰电极并用于双氧水的电催化性能研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 在金电极表面制备PAA-Cu复合膜

2．2．3 循环伏安法检测修饰电极对H2O2的响应

2．2．4 计时电流法检测修饰电极对H2O2的响应

2．3 结果与讨论

2．3．1 电化学表征金电极的修饰

2．3．2 SEM表征

2．3．3 修饰电极对H2O2的电催化性能

2．3．4 吸附次数优化

2．3．5 电位优化

2．4 小结

第3章 借助丙烯酸原位制备铂-钯双金属合金纳米粒子并用制备过氧化氢电化学传感器

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 在金电极表面PAA薄膜

3．2．3 在PAA修饰的金电极上原位还原核-壳模式金属合金纳米粒子

3．2．4 在PAA修饰的金电极上原位还原协同模式金属合金纳米粒子

3．2．5 循环伏安法检测修饰电极对H2O2的响应

3．2．6 计时电流法检测修饰电极对H2O2的响应

3．3 结果与讨论

3．3．1 双金属结合模式的优化

3．3．2 双金属协同模式下的金属离子比例优化

3．3．3 电化学表征金电极的修饰

3．3．4 SEM表征金电极的修饰

3．3．5 修饰电极对H2O2的催化性能及催化电流的测定

3．3．6 修饰电极对H2O2的催化机理控制过程

3．3．7 修饰电极的稳定性

3．4 小结

第4章 金纳米粒子-石墨烯／DNA混合物自组装辣根过氧化物酶的过氧化氢传感器

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 氧化石墨烯的制备

4．2．3 单链DNA／石墨烯纳米复合材料的制备

4．2．4 ss-DNA／GR-AuNPs纳米复合材料的制备

4．2．5 HRP／ss-DN／GR-AuNPs修饰电极的制备

4．2．6 循环伏安法检测修饰电极对H2O2的响应

4．2．7 计时电流法检测修饰电极对H2O2的响应

4．2．8 阻抗法表征电极的修饰

4．3 结果与讨论

4．3．1 GR，ss-DN／GR，ss-DNA／GR-AuNPs的表征

4．3．2 HRP／ss-DN／GR-AuNPs复合材料的光谱分析

4．3．3 电化学阻抗谱(EIS)表征自组装过程

4．3．4 HRP-nation-GR-AuNPs修饰电极对H2O2的电催化作用

4．3．5 实验参数的优化

4．3．6 HRP-nafion-GR-AuNPs修饰电极对H2O2的响应电流测定

4．3．7 传感器的重复性，稳定性和选择性

4．4 小结

结论

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表及完成的论文目录

致谢