ZnO等新型纳米材料用于酶及免疫传感器研究

摘要

近年来，生物传感器的研究和应用发展迅猛，它利用生物活性物质的亲和性，如酶-底物、酶-辅基、抗原-抗体、激素-受体等的分子识别功能，可以有选择地检测待测物。由于生物活性物质具有专一识别功能，使得生物传感器具有较高的选择性，能直接应用于复杂样品的检测。生物传感器以灵敏度高、选择性好、分离过程和检测技术合为一体、不需要样品预处理等特点而受到广泛重视，目前发展很快，已应用于临床医学检测、工业过程控制、环境检测、化学物质安全性评价以及食品、制药等许多领域。 在生物传感器构建中，其关键技术之一就是如何将生物分子稳定、高活性地固定到换能器表面。纳米材料，因其具有大的比表面积、高的表面活性、强吸附力及高催化效率等优异特性，可在增加生物分子(酶、抗原或抗体等)的吸附量和稳定性的同时提高生物分子(酶)的催化活性，使传感器的响应灵敏度得到提高。自准一维功能材料诞生以来，因其具有独特的物理化学特性而引起了人们的广泛关注。作为纳米材料的重要组成部分，一维纳米材料对构筑纳米器件、发展新型功能材料具有重要的意义。本研究论文主要是通过发展新型的生物纳米材料及其固定方法，以达到改进固定生物组分活性、提高传感器灵敏度等目的，以此为出发点分别用水(第2章)和乙醇(第3、4章)做溶剂，利用溶剂热法合成了片状和棒状的纳米ZnO，这两种方法均具有实验操作简单、环境污染少、成本低、产率高等优点；这两种方法所得到的材料均成功应用于生物传感器的构建(酚类、过氧化氢、葡萄糖传感器)。另外，利用纳米金的吸附性和生物兼容性以及辣根酶标记脂质体的信号增强放大作用制备了电流型免疫传感器用于人IgG的测定(第5章)。具体内容如下： 1.纳米材料有很好的生物兼容性，由于周围有利的微环境，所以它们能很好地保持酶的活性，并且能增强酶的活性位点和电极之间的电子转移能力。在第2章中，发展了基于新型纳米材料ZnO为固定基质的无电子媒介的酚类传感。低等电点的酪氨酸酶通过静电作用吸附在纳米ZnO粒子的表面，然后通过壳聚糖在表面成膜而固定在电极上，该传感器对三种酚类化合物的测定显示出高的灵敏度和快速响应的特点，其中对苯酚的测定的线性范围为1.5×10-7～7.5×10-5molL-1，检测限为0.05μmolL-1，灵敏度为182μAmmol-1L。另外，对其表观米氏常数也进行了测定。 2.第3章中，利用溶剂热方法合成棒状的纳米氧化锌，之后将合成的棒状的纳米氧化锌按照一定的浓度分散在六偏磷酸钠溶液中形成稳定的纳米粒子分散液，以此作为辣根过氧化酶的固定基质。将ZnO/HRP固定在玻碳电极上，接着滴加Nafion在ZnO/HRP修饰的电极上，作为稳定和防止HRP溶解的保护层。对影响酶电极电化学性质的参数如pH值、工作电压及传感器的操作和储存的稳定性都做了研究。结果表明，该传感器在电子媒介对苯二酚存在时，对H2O2有快速响应，响应时间小于5s，测定的线性范围为1.0×10-5～2.2×10-3molL-1，检测限为0.2μmolL-1。该传感器表现出了良好的重现性和稳定性。 3.在前面的研究中，我们发现纳米氧化锌是固定辣根过氧化酶的理想材料。在第4章中，发展了基于ZnO/Nafion复合膜的葡萄糖传感器。这种复合材料结合了无机纳米材料ZnO和有机聚合物Nafion的优点，既增大了酶的固定量同时也能保持酶的活性和防止酶的泄漏。用复合膜将葡萄糖氧化酶(GOD)和辣根过氧化酶(HRP)同时固定在玻碳电极上，由于在固定GOD的同时也固定了HRP，所以传感器实现了在较低电位下检测葡萄糖，消除了电活性物质的干扰。该传感器用于葡萄糖检测显示出高的灵敏度和快速的响应，线性范围为2.5×10-5～3×10-3molL-1，检测限为5.0μmolL-1，灵敏度为1.66μAmmol-1L。 4.在第5章中，发展了一种基于辣根过氧化酶及抗体修饰的脂质体信号放大的电流型免疫传感器，通过夹心式免疫分析测定人免疫球蛋白(HIgG)。分析步骤包括：将纳米金共价固定于巯基化金电极表面，用以吸附固定羊抗人IgG抗体(G-anti-HIgG，Ab)，并采用高碘酸氧化法将此抗体与HRP共同修饰于脂质体表面(Ab-HRP-Liposome)，以夹心方式免疫识别人IgG，由此根据酶催化产物引起的电化学信号强度，实现对人IgG目标物的高灵敏分析，传感检测的线性范围为0.008～10μgmL-1，检测限为0.005μgmL-1。

目录

文摘

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第1章绪论

第2章基于纳米ZnO固定酪氨酸酶的无电子媒介酚类传感器的研究

第3章溶剂热法合成ZnO纳米棒及其应用于构建H2O2传感器

第4章基于ZnO/Nafion有机-无机复合膜固定双酶的葡萄糖传感器的研究

第5章辣根过氧化酶及抗体修饰的脂质体检测人免疫球蛋白的电流型免疫传感器研究

结论

参考文献

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢