基于纳米结构氧化锌的电化学生物传感研究

摘要

生物传感器是在化学传感器的基础上发展起来的一个非常活跃的研究领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。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，将生物活性物质与各种固态物理传感器相结合而形成的一种检测仪器，具有灵敏度高、选择性好、准确度高、稳定性好和进行快速在线连续监测等特点，能广泛应用于基础研究、生物、临床化学和诊断、环境监测、食品分析、过程控制与检测等领域。无论是对生物电子体系的机理研究，还是实际应用开发，生物传感器都激发了各国研究者广泛而持久的兴趣。
　　 构建生物传感器有两个核心问题，一是生物分子的固定化，二是生物分子活性的保持。这对固定生物分子的载体材料提出了很高的要求。
　　 纳米尺度的ZnO具有较好的电子传导能力，具有高等电点（IEP=9.5），与蛋白质或者生物细胞等生物材料有极好的兼容性，安全无毒，很适合用来吸附低等电点的蛋白质。这些优点是其他纳米材料所无法比拟的，完全符合构建生物传感器对载体材料的特殊要求，使其在生物化学传感器领域的应用上具有很强的吸引力。
　　 本论文以建立纳米结构氧化锌在生物传感器方面的应用体系为目标，将氧化锌纳米材料优异的特性应用于生物传感器中。这一体系包括纳米结构氧化锌的制备、生物分子在纳米结构氧化锌表面的组装、电极的修饰、电化学及光学传感特性测试等研究。具体阐述如下：
　　 一、目前合成ZnO一维纳米材料的方法很多，包括气相传输法、金属有机气相外延生长、水热合成法和电化学沉积法。其中气相传输法和水热法是两种广泛使用的方法，气相传输法在不同条件下可合成多种形貌的纳米结构氧化锌，而水热法更有利于得到形貌均一的一维或零维氧化锌纳米结构，如氧化锌纳米棒和氧化锌量子点。
　　 明白纳米ZnO的生长机制，有效控制其生长过程，进而获得理想的ZnO纳米结构作为一个重大课题，目前仍面临许多难题和挑战。因此，寻找一种稳定生长ZnO纳米线的条件是必要的，本章主要研究气相传输法和水热法控制生长氧化锌纳米棒与氧化锌量子点及其性质。
　　 二、酪氨酸酶（Tyrosinase）是一种含铜的金属酶，广泛分布于微生物、动植物及人体中。酪氨酸酶主要参与两个反应过程：催化L2酪氨酸羟基化转变为L2多巴和氧化L2多巴形成多巴醌，多巴醌经一系列反应后，形成黑色素。酪氨酸酶在生物体中具有重要的生理功能。酪氨酸酶的活性中心是由两个含铜离子位点构成。在催化过程中，双核铜离子位点以3种形态存在，分别是氧化态、还原态和脱氧态。
　　 酪氨酸酶可以催化单酚和二酚形成的醌类化合物在水溶液中不稳定，经过一系列催化反应，可自身聚合或与其它物质（有机胺类化合物等）聚合反应形成不溶于水的大分子物质而沉淀。因此酪氨酸酶不仅除去酚类物质，还能去除其多种有机物，如有机胺、有机氯化合物等。
　　 ZnO纳米棒能吸附负电性的酶，在Nafion存在时能形成稳定的均一分布的多孔性网状结构，表现出比纯ZnO膜更优异的电子传递性质。吸附在ZnO纳米棒上的酪氨酸酶能有效保持其生物活性，对酚类化合物具有优异的电化学响应，可用于酚类化合物的测定，同时也为纳米生物传感器的构建提供了新的途径。
　　 三、对金丝电极进行预处理，在金丝电极表面附着一层锌-金合金，这层锌-金合金有助于纳米氧化锌棒的成核生长，使纳米氧化锌棒更牢固的生长在金丝电极表面。利用工艺简单的水热法把纳米氧化锌棒生长在金丝电极表面。生长的纳米氧化锌棒尺寸均一，通过扫描电子显微镜（SEM）和荧光光谱（PL）检测说明这种方法得到的纳米氧化锌棒结晶性质良好，有利于酪氨酸酶在纳米氧化锌棒上的吸附。SEM、傅利叶红外吸收光谱（FTIR），和电化学实验证明低等电点的酪氨酸酶能大量吸附在高等电点的纳米氧化锌棒上，并且吸附的酪氨酸酶能很好的保持其生物活性。利用这种方法构建的传感器对苯酚显示了良好的传感特性，其响应时间小于5秒，灵敏度为103.08μA/mM，检测限为0.623μM。用这种方法构建的传感器还具有良好的稳定性和重复性，是性能良好的检测苯酚浓度的新颖的传感器。
　　 四、辣根过氧化物酶（HRP）是一个含有血红素蛋白为催化中心的糖蛋白酶，血红蛋白中包含Fe3+/Fe2+氧化还原对。酶的分子质量约为42000 Da。由于HRP相对简单的提纯工艺和较低的成本，使HRP在传感器研究方面有着非常重要的地位。HRP很早就被作为一个典型的酶系统用来研究对过氧化氢的催化的生物特性。
　　 HRP对H2O2的催化循环是分步进行的，Fe2+的双电子氧化，产生一个过渡态的氧络合Ⅸπ杂化离子，过渡态Ⅰ（HRP-Ⅰ）和过渡态Ⅱ（HRP-Ⅱ），其中第二个过渡态是HRP-Ⅰ中的FeⅣ=O中心的单电子还原和π杂化络离子的还原得到的。由于对HRP的结构和催化机理研究的比较成熟，所以HRP已成为一个优秀的模板酶用来研究生物催化材料的催化机理。
　　 用锌粉为原料用简单的水热法在处理过的金丝电极上生长氧化锌纳米棒，在生长在金丝电极上的氧化锌纳米棒上交替组装负电性的聚合物聚苯乙烯磺酸钠（PSS）和高等电点的HRP构建多层辣根过氧化物酶生物传感器，用于过氧化氢浓度的测定。电化学、紫外可见吸收光谱（UV-vis）、ζ电位、SEM等测试结果说明PSS和HRP被稳定的层层组装在氧化锌纳米棒表面，并且HRP在不使用电子媒介体的情况下很好的保持了其生物活性，对H2O2起到了良好的催化作用。多层组装的HRP生物传感器在探测H2O2浓度过程中表现出了非常好的传感性能，具有宽的检测范围和低的检测限，随着HRP层数从一层到多层增加，传感器的灵敏度也相应的增加，其中单层HRP的传感器灵敏度为36.28μA/mM，已优于利用HRP进行H2O2探测的其他传感器。
　　 五、Carbohydrate antigen19-9（CA19-9）是胰腺癌的首选标志物，并且在其他癌症的病例中也能检测到CA19-9的存在，如结肠癌，胃癌，肝癌等，所以CA19-9被认为是一个路易斯活性寡五糖多肽（sialylated Lea-active pentasaccharide）。目前，CA19-9在临床上难以早期发现，而且CA19-9所标记的肿瘤都具有极高的死亡率，所以，研究CA19-9的免疫分析检测方法在临床医学和病理研究方面都具有非常重要的意义。
　　 免疫分析法是以抗原或半抗原和抗体的特异性结合生成抗原一抗体复合物的免疫反应为基础而建立的分析方法。它的提出及发展是生物分析化学最伟大的成就之一。免疫分析法因其良好的选择性，已广泛应用于临床监测、生化分析、毒物分析、环境分析和疾病防治等方面。估计全世界每年要进行数亿次的免疫分析。目前最为成熟的免疫分析方法是放射免疫分析法，但由于放射性物质的毒害，限制了它的应用。为了替代放射免疫分析法，灵敏度高的非放射免疫分析法的研究成为免疫分析法的研究热点。自上世纪中叶以来，已创立了一系列非放射免疫分析法，如包括酶联免疫分析法、荧光免疫分析法、电化学免疫分析法、化学发光免疫分析法和电化学发光免疫分析法等。这些技术使其在细胞和亚细胞水平上进行抗原和抗体的定位，对各种极微量的生物活性物质的超微量测定等达到了一个新的水平，它们已经广泛应用于生物、医学、化学等领域。
　　 氧化锌纳米材料在免疫检测上的应用为生物分子的组装和分析带来了新的方向和方法。在经过的修饰的金片或硅片等功能化的衬底上通过化学键合的方法连接上抗体，同时在氧化锌量子点上通过静电吸附或氢键等作用组装抗体，然后用待测抗原通过生物特异反应将量子点上的抗体和衬底底片上的抗体连接到一起，建立抗原分子与量子点之间的数量关系，将难以实现的对抗原的浓度检测转化为容易实现的对氧化锌量子点的检测。由于对氧化锌的检测方法多样而且成熟，如电化学分析法和荧光分析法等，所以利用这种过程构建的对抗原浓度检测的免疫传感器可用多种方法同时进行检测，检测过程快速，方便，准确，不需使用昂贵的仪器和繁杂的分析手段。
　　 本文利用简单的水热法合成了粒径均匀，分散性好的氧化锌量子点。进而利用氧化锌量子点组装CA19-9抗体，与化学键合在硅衬底上的CA19-9抗体通过CA19-9特异性结合，将组装有CA19-9抗体的氧化锌量子点连接到硅衬底上，将难以实现的对CA19-9的检测转化为易于实现的对氧化锌量子点的检测。最后利用氧化锌量子点的光学性质和溶与酸溶液的性质分别进行光学检测和电化学检测，建立抗原浓度与氧化锌量子点之间的关系。这种方法构建的对抗原浓度的传感器检测快速，方便，准确，成本低廉，与现有报道中相关的检测方法相比，检测限和灵敏度等主要参数均有了较大的改进。

目录

文摘

英文文摘

本论文的创新之处

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 生物传感器概述

1.2.1 生物传感器的定义

1.2.2 生物传感器技术中生物分子固定化方法概述

1.2.3 生物传感器的性能参数

1.3 纳米结构氧化锌的基本性质、制备方法及研究现状

1.3.1 氧化锌材料的基本性质

1.3.2 纳米氧化锌的典型制备方法

1.3.3 纳米氧化锌的研究现状及应用领域

1.4 纳米结构氧化锌应用于生物化学传感器研究回顾

1.5 本文的研究目的和主要的研究内容

参考文献

第二章 氧化锌纳米结构的制备

2.1 引言

2.2 气相传输法制备氧化锌纳米棒

2.2.1 实验过程

2.2.2 实验结果与分析

2.2.3 生长机理讨论

2.3 水热法合成氧化锌纳米棒

2.3.1 实验过程

2.3.2 纳米氧化锌棒表征

2.3.3 纳米氧化锌棒生长机理讨论

2.4 水热法合成氧化锌量子点

2.4.1 实验过程

2.4.2 样品表征

2.5 小结

参考文献

第三章 利用氧化锌纳米棒构建酪氨酸酶传感器

3.1 引言

3.1.1 酪氨酸酶概述

3.1.2 酚类化合物的测定

3.2 实验部分

3.2.1 试剂和仪器

.3.2.2 ZnO纳米棒的制备

3.2.3 ZnO/Tyr修饰电极的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 ZnO-NR/Tyr修饰电极的制备与表征

3.3.2 ZnONR/Tyr的电催化性质

3.4 结论

参考文献

第四章 利用原位生长在金丝电极上的氧化锌纳米棒构建酪氨酸酶传感器

4.1 实验部分

4.1.1 氧化锌纳米棒在金丝电极上的生长

4.1.2 生长在金丝电极上的氧化锌纳米棒吸附酪氨酸酶

4.2 结果与讨论

4.2.1 吸附前后电极的SEM照片

4.2.2 氧化锌纳米棒吸附酪氨酸酶后的红外表征

4.2.3 吸附了酪氨酸酶电极的催化特性

4.3 小结

参考文献

第五章 利用原位生长在金丝电极上的氧化锌纳米棒构建多层辣根过氧化物酶传感器

5.1 HRP概述

5.2 实验部分

5.2.1 试剂与仪器

5.2.2 制备生长纳米氧化锌棒的金丝电极

5.2.3 构建不同层数HRP修饰的传感器

5.2.4 电化学测量

5.3 结果和讨论

5.3.1 电极的SEM及光学表征

5.3.2 组装HRP前后的电极的循环伏安曲线

5.3.3 传感器的有效面积与HRP组装的面密度计算

5.3.4 传感器的灵敏度、检测限及表观米氏常数的计算

5.3.5 传感器表观电子传递速率常数的计算

5.4 小结

参考文献

第六章 利用氧化锌量子点构建CA19-9免疫传感器

6.1 引言

6.2 实验方法

6.2.1 仪器和试剂

6.2.2 氧化锌量子点的合成

6.2.3 CA19-9抗体在氧化锌量子点表面的组装

6.2.4 硅片表面功能化

6.2.5 夹心结构免疫传感器的构建

6.2.6 检测方法

6.3 结果与分析

6.3.1 氧化锌量子点的表征

6.3.2 系列浓度CA19-9构建的夹心结构传感器光学照片

6.3.3 荧光光谱法检测结果

6.3.4 溶出伏安法检测结果

6.3.5 控制实验

6.4 小结

参考文献

第七章 全文总结

攻读博士期间发表的学术论文及申请的专利

致 谢