基于溶胶-凝胶技术的纳米生物传感界面构建

摘要

自1962年Clark提出了第一个酶电极模型以来，生物传感器的研究得到了迅速发展，已成为现代分析化学和生命科学的重要前沿课题。性能优良的生物载体材料的选择和切实可行的固定化方法的建立，是高灵敏度、高选择性生物传感器成功研制的核心问题，成为传感技术研究领域的热点和难点。近年发展起来的溶胶-凝胶技术，其载体为无机多孔材料，具有许多高分子材料无法比拟的特性，为生物活性物质的固定化提供了性能优良的材料。本论文将溶胶-凝胶的材料优势和多种固定化方法相结合，成功研制了多种具有应用前景的溶胶-凝胶电化学生物传感器，主要内容如下： 1.基于蒸汽溶胶-凝胶技术的GOD/sol-gel/PB修饰电极 采用电沉积方法将普鲁士蓝沉积到金电极表面；再采用蒸汽溶胶-凝胶技术，将葡萄糖氧化酶/二氧化钛溶胶-凝胶(GOD/TiO2 sol-gel)固定在普鲁士蓝膜修饰的金电极上，构建了一种新型的安培型葡萄糖生物传感器。TiO2 sol-gel/PB膜具有大的比表面积、良好的机械稳定性和亲水性，为葡萄糖氧化酶的固定化提供了良好的生物微环境，有效保持了固定化酶的生物活性。电化学方法对GOD/TiO2sol-gel/PB传感器构建过程的表征结果表明，采用本文方法可以实现酶在电极表面的有效固定。PB对H2O2的电化学还原具有良好的催化性能，同时，PB良好的导电性还有利于促进电子在电极表面和反应物之间的快速传递。将制备的GOD/TiO2 sol-gel/PB修饰电极用于对葡萄糖的催化检测，具有响应快速(10 s)、灵敏度高(12.74μA mM-1 cm-2)、稳定性好、检出限低(5μM)、线性范围宽(0.02～15 mM)和抗干扰能力强等优点。 2.碳纳米管/普鲁士蓝复合材料的制备及生物传感应用 采用蒸汽溶胶-凝胶法将碳纳米管/普鲁士蓝(MWCNTs/PB)纳米复合材料固定于金电极表面，制备了用于检测H2O2的MWCNTs/PB修饰电极。采用电化学方法研究了TiO2、MWCNTs/TiO2、PB/TiO2以及MWCNTs/PB/TiO2修饰电极对H2O2的催化还原作用，结果表明，MWCNTs/PB/TiO2修饰电极对H2O2的催化还原能力远远大于MWCNTs/TiO2和PB/TiO2修饰电极，MWCNTs/PB纳米复合物中的MWCNTs和PB对H2O2的电化学还原具有良好的协同催化效应。进而将葡萄糖氧化酶固定于MWCNTs/PB/TiO2修饰电极表面，制备了葡萄糖生物传感器，用于对葡萄糖的催化测定，具有响应快速、灵敏、选择性好等特点。本方法不仅拓展了蒸汽溶胶-凝胶技术的应用范围，还为研究协同效应提供了良好的模型体系。 3.葡萄糖氧化酶/溶胶-凝胶/普鲁士蓝生物传感器的研制及应用 采用电化学共沉积法将葡萄糖氧化酶/二氧化硅溶胶-凝胶沉积于普鲁士蓝修饰电极表面，扫描电镜对GOD/sol-gel杂化膜在电极表面的形貌表征结果表明，采用电沉积法制得的GOD/sol-gel杂化膜表面均匀、无团聚，且具有大量的三维结构微/纳孔洞，有利于被分析物向电极表面的快速传质；还采用红外光谱和紫外光谱法对GOD/sol-gel杂化膜在电极表面形成过程中GOD的生物活性进行了表征，结果表明，sol-gel三维网络结构不仅为GOD提供了良好的生物相容性微环境，有利于保持酶的原始结构，而且还有效防止了GOD的泄漏。葡萄糖在GOD的催化下与O2发生反应生成葡萄糖内酯和H2O2，而预沉积在电极表面的PB又对产生的H2O2具有良好的电催化还原特性，因此，通过检测H2O2在修饰电极上的催化还原电流，可以实现生物体内葡萄糖的高灵敏检测。本方法制备的GOD/sol-gel/PB生物传感器对葡萄糖检测的灵敏度高、稳定性好、使用寿命长。 4.铂纳米粒子/碳纳米管/溶胶-凝胶/葡萄糖氧化酶生物传感器的研制 利用碳纳米管和铂纳米粒子(Pt NPs)均对H2O2具有的电化学催化氧化效应，采用电化学沉积法在多壁碳纳米管(MWCNTs)预修饰电极表面沉积一层Pt NPs，构建了对H2O2具有高灵敏性协同催化氧化响应的Pt NPs/MWCNT修饰电极。实验中进一步将葡萄糖氧化酶/二氧化硅溶胶-凝胶电沉积于PtNPs/MWCNT修饰电极表面，构建了GOD/sol-gel/Pt NPs/MWCNTs修饰电极。将制备的传感器用于对葡萄糖的催化性能研究，结果表明，GOD在O2存在下催化葡萄糖生成H2O2，电极表面的Pt NPs/MWCNTs复合物又对H2O2具有高灵敏协同催化氧化效应，因此，制备的GOD/sol-gel/Pt NPs/MWCNTs修饰电极可实现对葡萄糖的高灵敏度、快速、低检出限、宽线性范围的稳定检测。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1生物传感器

1.1.1概述

1.1.2电化学生物传感器

1.1.3生物传感器的三代历程

1.1.4电化学生物传感器的固定化技术

1.2溶胶-凝胶(sol-gel)技术

1.2.1概述

1.2.2 Sol-gel的制备过程

1.2.3影响溶胶-凝胶化学修饰膜性能的主要因素

1.3溶胶-凝胶技术在生物传感器中的应用

1.3.1溶胶-凝胶技术在光学生物传感器方面的应用

1.3.2溶胶-凝胶技术在电化学生物传感器方面的应用

1.4溶胶-凝胶生物传感器的发展趋势

参考文献

第2章基于蒸汽溶胶-凝胶技术的GOD／sol-gel／PB修饰电极

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1仪器与试剂

2.2.2 PB修饰电极的制备

2.2.3酶修饰电极的制备

2.3结果与讨论

2.3.1酶修饰电极的电催化及检测机理

2.3.2酶电极制备条件的优化

2.3.3酶电极测量条件的优化

2.3.4 GOD／TiO2 sol-gel／PB生物传感器对葡萄糖的催化响应

2.3.5干扰实验

2.3.6重现性和稳定性

2.4结论

参考文献

第3章碳纳米管／普鲁士蓝复合材料的制备及生物传感应用

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1仪器与试剂

3.2.2碳纳米管／普鲁士蓝复合物的制备

3.3结果与讨论

3.3.1 MWCNTs／PB／TiO2修饰电极的表征

3.3.2 MWCNTs与PB对H2O2协同催化效应的研究

3.3.3 MWCNTs／PB／GOD／TiO2修饰电极对葡萄糖的测定

3.3.4传感器的稳定性和重现性

3.4结论

参考文献

第4章葡萄糖氧化酶／溶胶-凝胶／普鲁士蓝生物传感器的研制及应用

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1仪器与试剂

4.2.2二氧化硅溶胶-凝胶的制备

4.2.3修饰电极的制备

4.3结果与讨论

4.3.1生物传感器制备条件的优化

4.3.2修饰电极的表征

4.3.3 GOD／sol-gel／PB修饰电极的电化学响应及检测机理

4.3.4条件优化

4.3.5传感器的线性范围和检测限

4.3.6传感器的稳定性和重现性实验

4.3.7干扰实验

4.3.8实际样品分析

4.4结论

参考文献

第5章铂纳米粒子／碳纳米管／溶胶-凝胶／葡萄糖氧化酶生物传感器的研制

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1仪器与试剂

5.2.2功能化碳纳米管的制备

5.2.3二氧化硅溶胶-凝胶的制备

5.2.4修饰电极的制备

5.3结果与讨论

5.3.1电沉积Pt

5.3.2修饰电极的电化学表征

5.3.3葡萄糖生物传感器的电化学响应和反应机理

5.3.4条件优化

5.3.5葡萄糖生物传感器的的线性范围和检测限

5.3.6葡萄糖传感器的稳定性和重现性

5.4结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致 谢