纳米材料修饰电极及其在葡萄糖生物传感器中的应用研究

摘要

纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术(Nanobiosensing technology)将有望成为新兴产业。自从1967年第一支葡萄糖传感器诞生以来，生物传感技术已成为前沿技术，它是一个由生物、化学、医学、物理、电子技术等多种学科相互渗透形成的研究领域。生物传感器具有选择性高、分析速度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可进行在线甚至活体分析，在临床诊断、环境监测、食品工业等方面得到了高度重视和广泛应用。
　　 本论文的工作主要集中在纳米技术与电分析化学相结合最活跃的研究领域之一——新型纳米材料修饰电极(电化学传感器)的研制。具体研究工作如下：
　　 1、 首先将碳纳米管(CNTs)修饰在玻碳电极表面，然后在生物聚合物壳聚糖(CHIT)的存在下，通过循环伏安法电沉积纳米铜制备了一种新的纳米铜/壳聚糖/碳纳米管(Cu/CHIT/CNT)纳米复合物，并将之应用于构建葡萄糖电化学生物传感器。壳聚糖具有很好的生物相容性和可功能化等特性，可以通过其丰富的氨基用戊二醛交联固定葡萄糖氧化酶。研究表明：碳纳米管和纳米铜对过氧化氢的还原具有较好的协同催化作用。葡萄糖生物传感器具有较高的灵敏度(检测限为20 μM)和选择性，宽的线性范围(50 μM～12 mM)，快速的响应(响应时间小于4s)等电催化性能。
　　 2、采用了一种简便快捷的电沉积方法制备了壳聚糖/纳米金(CHIT/Au)复合膜并应用于葡萄糖生物传感器的构建。氯金酸和壳聚糖的混合液在电极表面电化学还原为金纳米粒子，壳聚糖不但能够增强金纳米粒子的稳定性，还起到和戊二醛交联固定葡萄糖氧化酶的作用。该生物传感器制备方法简单、稳定性好。测定葡萄糖的线性范围为20 μM～5 mM，检测下限为12 μM。
　　 3、基于静电层层自组装(LBL)技术，将带有正电荷的碳纳米管/壳聚糖混合液和带有负电荷的金纳米粒子组装在玻碳电极表面。碳纳米管/壳聚糖/纳米金(CNT/CHIT/GNp)多层膜修饰的玻碳电极对过氧化氢有着很好的电催化氧化作用。进一步修饰葡萄糖氧化酶可制作葡萄糖传感器。研究结果表明，该传感器对葡萄糖响应时间短(少于6秒)，检测限低(3 μM)，线性范围宽(6 μM～5 mM)，灵敏度高，重现性好。
　　 4、 构造基于碳纳米管修饰的葡萄糖生物传感器的关键之处在于如何有效地将葡萄糖氧化酶固定在碳纳米管上。采用层层自组装方式将碳纳米管和葡萄糖氧化酶直接修饰到电极表面，有效避免了繁琐的固定酶过程中可能导致的酶的变性，此种方法在电极上负载的酶的量较大且不易脱落。此生物传感器的线性范围为25 μM～8 mM(相关系数0.9937)，检测下限为15 μM。