压电药物体声波传感器及纳米结构生物传感器的研制和应用

摘要

压电石英晶体体声波传感器具有响应广谱、灵敏度高,结构简单、易实现数字化等独特优点,其应用己涉及到分析化学、药物科学、生物化学、分子生物学、环境监测等诸多领域。本论文将压电传感技术用于药物检测和生物分析化学,并结合前沿的纳米技术,研究了小分子药物、氨基酸与蛋白质在固液界面上的物理化学过程;构建了纳米碳管/导电聚合物/酶生物传感器,并研究了其电化学响应行为。本论文的主要研究工作如下:1. 通过对具有选择性吸附的药物固体活性膜和具有灵敏质量响应的压电石英晶体进行有机的组合,开创性地研制了非电位响应的苯妥英阴离子药物体声波传感器,并推导了响应模型。所研制的传感器在真实样品溶液中进行了定量测定,得到了令人满意的结果。2. 直接将蛋白质吸附于金属表面通常导致蛋白质的变性与失活,本文用具有生物相容性的纳米金作为活性基体固定蛋白质,并用压电阻抗分析技术实时监测了磷酸伯氨喹与牛血清白蛋白在裸金电极、硫醇修饰和纳米金修饰金电极上的结合过程。基于压电阻抗技术提供的多维信息,我们研究了结合过程动力学并推导了响应模型。和其它实时技术如流动注射分析、表面等离子体共振相比,压电阻抗分析技术能提供药物和蛋白质结合的多维信息,其等效电路参数的变化反映了传感器/液体界面的物理化学性质。结果表明,由于蛋白质在固体表面吸附引起的频率响应可用两个指数函数的和的形式来描述。实验结果表明纳米金是修饰生物分子的良好基底。同裸金电极和硫醇修饰电极相比,纳米金修饰电极具有更大的容量、更好的生物活性和相容性。这将在生物学上及药物的进一步临床研究中发挥作用。3. 利用具有生物相容性的纳米金作为活性基体固定蛋白质,并用压电阻抗技术、循环伏安和电化学交流阻抗技术研究了安定与人血清白蛋白的结合作用。电化学数据表明人血清白蛋白的吸附导致导纳圆半径增大;和裸金电极相比,在相同的浓度下,修饰纳米金的电极具有更大的容量。在人血清白蛋白和安定的结合过程中,随着药物浓度的增加,导纳圆半径和双电层电容均增加。实验结果表明,纳米金具有更大的比表面积并能起到电子导电通道的作用。压电阻抗技术能提供蛋白质和药物结合的实时数据并辅证电化学数据。基于压电阻抗技术提供的多维信息,我们研究了结合过程的压电药物体声波传感器及纳米结构生物传感器的研制和应用动力学。 4.利用压电阻抗分析技术首次实时监测了氨基酸与人血清白蛋白在纳米金 修饰金电极上的结合过程。压电阻抗分析等效电路参数的变化反映了传感 器/液体界面的物理化学性质。相同的实验条件下,当存在有用超滤方法得 到的尿毒症患者的血清提取物时,L一色氨酸与人血清白蛋白的结合位点与 无竞争剂时相比,并未有明显改变,但结合常数明显减小。利用该方法，我们可证实尿毒症患者的血清提取物取代了L一色氨酸与人血清白蛋白的结合,从而增加了L一色氨酸游离部分的百分数,使得它能进入神经系统等 组织,产生毒性。 5.采用直接吸附和与导电聚合物共聚的方式,构建了两种酪氨酸酶用碟内米 碳管生物传感器,并对两种电极的性能进行了一系列研究。和文献报导的微盘铂阵列电极相比,我们所研制的电极响应更快速,说明碳纳米管能加 速电子转移;和碳糊电极相比,研制的电极K护更小,说明纳米碳管能保 持酶的生物活性,给酶分子自由的空间取向,从而更好地接近底物。而和导电聚合物共聚的酶电极,由于具有更大的灵敏度、更好的稳定性,更具有实际应用价值。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1．1 压电化学声波传感

1．1．1 发展历程

1．1．2 压电传感器的应用研究

1．2 纳米技术的发展及应用

1．2．1 纳米技术的发展

1．2．2 纳米材料在分析化学中的应用

1．3 本文构思

第2章 苯妥英阴离子药物体声波传感器的研制与应用

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 装置

2．2．3 样品溶液的配制

2．2．4 活性物质的制备

2．2．5 电极的修饰

2．2．6 实验操作

2．3 结果与讨论

2．3．1 体声波传感器的响应模型

2．3．2 苯妥英体声波传感器的性能

2．3．3 苯妥英样品检测中pH值的选择

2．3．4 苯妥英体声波传感器的选择性

2．3．5 苯妥英体声波传感器的稳定性

2．3．6 苯妥英体声波传感器在实际样品中的测试

2．3．7 几种检测苯妥英钠方法的比较

2．4 小结

第3章 压电石英阻抗测试系统(QCIS)用于实时监测磷酸伯氨喹与牛血清白蛋白的相互作用

3．1 前言

3．2 试剂与材料

3．2．1 试剂

3．2．2 仪器

3．2．3 金溶胶的制备

3．2．4 纳米金颗粒在金晶片上的组装

3．2．5 实验操作

3．3 结果与讨论

3．3．1 蛋白质吸附过程的压电响应模型

3．3．2 磷酸伯氨喹和牛血清白蛋白结合过程的压电阻抗响应

3．3．3 结合过程的压电响应模型和动力学参数估计

3．4 小结

第4章 人血清白蛋白与安定作用的压电石英阻抗、电化学阻抗及循环伏安的研究

4．1 前言

4．2 试剂与材料

4．2．1 试剂

4．2．2 仪器

4．2．3 金溶胶的制备

4．2．4 纳米金颗粒在金晶片上的组装

4．2．5 HSA在金胶修饰电极上的固定

4．2．6 安定和 HSA结合过程的压电阻抗响应

4．3 结果和讨论

4．3．1 裸金电极和纳米金修饰电极的循环伏安图

4．3．2 HSA的固定及安定和 HSA结合过程的电化学阻抗行为

4．3．3 HSA的固定及安定和 HSA结合过程的压电阻抗行为

4．3．4 结合过程的动力学参数估计

4．4 小结

第5章 基于压电阻抗技术的纳米金结构传感器用于L-色氨酸与人血清白蛋白的结合及与尿毒症患者血清中毒素的竞争结合研究

5．1 前言

5．2 试剂与材料

5．2．1 试剂

5．2．2 仪器

5．2．3 金溶胶的制备

5．2．4 表面处理

5．2．5 HSA在纳米金修饰电极上的固载

5．2．6 L-色氨酸和 HSA结合过程的压电阻抗响应

5．2．7 L-色氨酸和尿毒症患者血清中毒素竞争结合过程的压电阻抗响应

5．3 结果和讨论

5．3．1 PQC传感器在自组装胶体金时的压电阻抗响应

5．3．2 HSA固定过程的压电阻抗行为

5．3．3 L-色氨酸与人血清白蛋白的结合及与尿毒症患者血清中毒素的竞争结合过程的压电阻抗行为及动力学估计

5．3．4 回复性

5．4 小结

第6章 纳米碳管/导电聚合物薄膜/酪氨酸酶生物传感器的构建及应用

6．1 前言

6．2 试剂与材料

6．2．1 试剂

6．2．2 仪器和电极

6．2．3 碳纳米管/导电聚合物薄膜/酶电极的制备

6．2．4 实验操作

6．3 结果和讨论

6．3．1 原理

6．3．2 pH值的影响

6．3．3 电位的影响

6．3．4 酶电极的电流响应

6．3．5 稳定性

6．4 小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)