新型分子印迹电化学传感器的研制及蛋白质直接电化学研究

摘要

分子印迹聚合物具有模拟天然受体的识别能力，越来越成为一种重要的人工合成材料。其基本原理是将目标分子作为模板，与功能化单体、交联剂一起发生聚合反应生成高度交联的聚合物，然后将印迹分子抽提出来，在聚合物的骨架上便留下了与印迹分子在空间结构和化学官能团两方面均互补的识别部位（空穴）。传统印迹方法所制备的聚合物存在印迹孔穴易溶胀破坏，膜厚难控制，模板洗脱困难，高交联度使得传质和电子传递速度慢、响应慢、检测下限高、再生和可逆性差等问题。这些都给分子印迹技术在电化学传感器中的应用带来困难。 针对传统印迹方法的缺点，本论文将电聚合法、溶胶-凝胶技术及自组装膜法与分子印迹技术相结合，以多孔金膜和碳纳米管为信号放大工具以提高印迹电极的检测性能，成功地构建了三种新型的分子印迹电化学传感器，在一定程度上克服了传统印迹聚合物的固有缺点。 另外，蛋白质在电极上的直接电化学研究也一直是人们所关注的焦点，它一方面为深入理解生物电化学和生物代谢过程提供有价值的信息，另一方面也为制备第三代酶生物传感器提供实验基础。本论文应用一种新型的纳米复合材料研究了血红蛋白的直接电化学。 本文开展的具体研究工作如下： 1. 首次以电聚合的方法合成了聚多巴胺 (PDA) 印迹膜，以尼古丁 (NIC) 为模板分子，制备了一种新型的分子印迹电容传感器，建立了测定尼古丁含量的新方法。采用循环伏安法 (CV) 和交流阻抗法 (EIS) 表征了印迹膜的电容性能。该仿生传感器测定尼古丁具有快速灵敏的响应，其线性范围和检测限分别为1.0×10-6~2.5×10-5 M和5.0×10-7 M。 2. 以电沉积多孔金膜为基底，以L-丝氨酸为模板分子，L-半胱氨酸为功能单体，将两者共同吸附于多孔金膜修饰的玻碳电极 (GCE) 上，构建了信号放大的自组装分子印迹单层膜修饰电极检测L-丝氨酸。实验结果表明，多孔金膜能有效增加模板分子的固定量，印迹电极对L-丝氨酸浓度响应的线性范围为5.0×10-6~2.0×10-4 M，检测限为4.8×10-7 M，灵敏度为215 mA M-1，电极响应性能较无多孔金膜修饰的印迹电极有了较大提高。 3. 将多壁碳纳米管 (MWNTs)、溶胶-凝胶 (Sol-Gel) 技术和分子印迹技术结合在一起，发展了一种新型的信号放大的分子印迹电化学传感器测定多巴胺 (DA)。通过与无多壁碳纳米管修饰的印迹电极上响应比较，多巴胺在多壁碳纳米管修饰的溶胶-凝胶印迹电极上的响应大大提高，且在5分钟之内达到稳定。该印迹电极对多巴胺浓度响应的线性范围为1.0×10-7~2.0×10-4 M，检测限为3.7×10-8 M，电极响应性能较无MWNTs修饰的溶胶-凝胶印迹电极有了较大提高。 4. 碳纳米管 (CNTs) 已被广泛用于蛋白质的直接电化学研究，其表面功能化一般是通过强氧化引进羧基来实现的，然而，这一手段可能会在原始的碳纳米管中引入缺陷而损害其原有的电学和力学性能。本文将一种新型的壳聚糖 (CHIT) 表面修饰的原始多壁碳纳米管 (CHIT-MWNTs) 复合材料应用于研究血红蛋白 (Hb) 的直接电化学。将血红蛋白包埋在纳米复合膜中，研究了血红蛋白在玻碳电极上的直接电化学及对过氧化氢 (H2O2) 的催化还原。实验证明该复合材料能在电极表面形成三维网络结构的修饰膜，为血红蛋白提供了一个合适的仿生微环境，能较大地促进血红蛋白与玻碳电极之间的电子转移。电流响应信号与过氧化氢浓度在1.0×10-6~1.5×10-3 M间成线性关系，检测限为5.0×10-7 M。