磁性纳米粒子的电化学转化及生物传感应用

摘要

纳米粒子电化学开辟了纳米技术新方向并在多个领域展现出诱人前景。纳米复合材料可结合多个组分的性质甚至表现出协同效应，应用广泛，其合成方法和性能开发是前沿和难点。磁性纳米粒子基于独特的磁力学、电学、热学和其它物理/化学性质备受关注，广泛用于分离富集及光致发热治疗肿瘤等领域，但其电化学拓展鲜有报道。基于其本身丰富且优异的性质和功能，结合灵活电化学技术，可望进一步丰富磁性材料的性质，制备多功能磁性纳米复合材料，籍此研制新型生物传感器。在本学位论文中，我们主要综述了电化学生物传感器、磁性纳米粒子和普鲁士蓝的研究进展。在这些基础上，我们在温和环境下采用多种电化学技术转化氧化铁磁性纳米粒子成为高电化学活性和催化性的普鲁士蓝，并结合金共沉积技术制备了普鲁士蓝一金复合材料，籍此研制了以磁性纳米粒子为标记物的三明治型免疫生物传感器和免标记型适体生物传感器，效果满意。
　　本研究主要内容包括：⑴开发了中性水相体系中电化学转化Fe2O3磁性纳米粒子(MNPs)成为普鲁士蓝(PB)的新方法并用于生物传感信号放大检测禽流感病毒。在中性的K3Fe(CN)6溶液中，在磁场控制下，金电极表面施加高电位触发电化学析氧形成局部强酸性环境使磁性纳米粒子化学反应释放铁离子;接下来施加低电位电化学还原得到K4Fe(CN)6与铁离子反应生成普鲁士蓝。控制氧化电位和时间可调控普鲁士蓝生成速度及性质。该方法在MNPs的磁性基础上进一步拓展了其电化学，在中性初始环境下进行且空间可控地生成强电化学活性的普鲁士蓝。受此启发，我们进一步开发了以MNPs为标记物的三明治型免疫生物传感器，然后基于电化学转化MNPs标记物生成的PB的电化学性质高效放大信号以灵敏检测禽流感病毒(H5N1)。该生物传感器检测范围为0.0025 HAU-0.16 HAU（5μL样品），检测限为0.00074 HAU，比同类传感器低了1个数量级。⑵开发了结合MNPs电化学转化和金电沉积技术的新法制备PB-Au纳米复合物并用于高性能的安培化学传感。首先，通过磁场将MNPs固定在金磁电极表面，在2 mM HAuCl4，1 mM K3[Fe(CN)6]以及0.1 M K2SO4溶液中，采用开发的电化学转化法获得PB，同时，在低电位过程中，电还原的金与PB均匀混合，最终获得PB-Au复合材料。通过控制前驱体的比例可调控PB-Au纳米复合物的尺寸及形貌。采用扫描电镜技术和多种电化学技术对其形貌、电化学性能及催化性能进行表征并与常规PB修饰电极进行比较。PB-Au纳米材料修饰的电极导电性好、测试稳定性好，对H2O2还原和氧化的催化性能优异，明显优于从常规PB或金纳米粒子修饰电极。PB-Au修饰电极传感H2O2线性检测区间为0.002-5.7mM，灵敏度为934μA·cm-2·mM-1，检测下限低（72 nM），并有优异的操作和储存稳定性。⑶基于PB-Au复合膜开发免标记电化学适体生物传感器。基于PB-Au纳米材料的高导电性、协同催化特性及生物亲和性，以及其表面丰富的金结合位点，我们在复合物表面固定巯基修饰适体并用于捕获凝血酶。通过凝血酶对电极表面传质和导电性的影响，以PB的电化学活性和催化活性降低为信号实现灵敏检测。线性检测区间为0.1 nM-100 nM，灵敏度为5.1μA·cm-2·nM-1，检测下限为13 pM。此免标记适体传感器此外展示优良的再现性和稳定性。此外，鉴于其易用性、设计简单、操作便捷，本文提出的方法可以作为一个优异的设计模式用于其他生物传感器的制备。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 电化学生物传感器

1．1．1 生物传感器概述

1．1．2 电化学酶传感器

1．1．3 电化学免疫生物传感器

1．1．4 电化学适体传感器

1．2 纳米材料

1．2．1 磁性纳米粒子

1．2．2 普鲁士蓝简介

1．3 本文构思

第二章 电化学转化磁性纳米粒子及高敏禽流感病毒生物传感

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 基于裸磁珠电化学转化制备普鲁士蓝

2．2．3 Con A修饰的MNPs生物纳米复合物的制备

2．2．4 传感器的制备与表征

2．2．5 电化学转化和病毒的检测

2．3 结果与讨论

2．3．1 裸MNPs的电化学转化和PB表征

2．3．2 三明治型免疫传感器表征

2．3．3 免疫传感器的检测应用

2．4 小结

第三章 基于电化学转化磁性纳米粒子制备新型普鲁士蓝-Au复合纳米材料及传感应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 传感器的制备与表征

3．2．3 安培检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 PB-Au纳米复合物的制备的和表征

3．3．2 PB-Au纳米材料的传感应用

3．4 小结

第四章 基于普鲁士蓝-Au复合膜的兔标记适体生物传感器

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 传感器的制备与表征

4．2．3 适体传感器的表征与安培检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 适体传感器的制备与表征

4．3．2 免标记三明治型适体传感器的分析性能

4．4 小结

结论

参考文献

硕士期间发表的相关论文

致谢

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