基于二氧化钛纳米管的信号增强型电化学生物传感器研究

摘要

生物传感器是一门涉及化学、生物学、医学、物理学、电子技术等诸多领域的交叉学科，在工农业生产、临床医学、环境保护等诸多领域的应用有着广阔前景。近年来纳米技术的飞速发展，使生物传感器的发展也进入了新阶段，并产生了探究纳米材料在生物传感技术中的应用这一崭新的研究领域。与传统的生物传感器相比，纳米生物传感器表现出了更高的灵敏度以及其它许多优越的性能。本论文在综述了纳米材料和生物传感器的研究背景及其最新发展和应用的基础上，又着眼于纳米材料在生物传感器的应用方面的研究。制备了二氧化钛纳米管和金纳米粒子，尝试将其应于构建新型电化学传感界面，以期待制得更加稳定、灵敏的电化学生物传感器。具体内容如下:
　　第一章综述了生物传感器和纳米材料的概念及其最新发展和应用，介绍了电化学生物传感器的原理及功能生物分子的固定化技术，在此基础上，还介绍了纳米技术在生物传感器中的应用。纳米技术引入生物传感器领域后，其化学和物理性质以及对生物分子的检测灵敏度大幅提高，检测的反应时间缩短了，最后简述了本论文的工作和意义。
　　第二章主要是致力于制备出一种基于二氧化钛纳米管(TiNTs)阵列的多功能信号放大的电极界面，并将其应用于临床免疫检测常用模拟分析物—抗原的检测。首先是以阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列(TiNTs)作为免疫传感平台，通过共价键合作用将抗体分子固载于其上;以辣根过氧化物酶(HRP)标记的抗体修饰金纳米粒子作为免疫识别分子，用于构建电化学免疫传感器。实验结果表明，一方面，由于二氧化钛纳米管比一般的纳米材料具有更大的比表面积，固载在二氧化钛纳米管电极表面的免疫分析物的量远远大于平板电极;另一方面，金纳米粒子的使用增加了单位免疫反应引入的HRP量，同时金纳米粒子促进了固载在二氧化钛纳米管阵列电极上的HRP与溶液中H2O2的催化氧化还原反应。使其对H2O2的电化学信号明显增大。该传感器的线性范围100 pg/mL～100μg/mL，检出限为10 pg/mL。且在4℃下保存2个月后，对H2O2的响应电流，仅下降了28.3％。
　　在第三章中，我创新性地在二氧化钛纳米管(TiNTs)阵列的管壁原位生成金纳米粒子(AuNPs)，构建了AuNPs/TiNTs电极，该电极界面为生物大分子的固定化和电子传递提供了理想的平台。首先在TiNTs的管壁吸附牛血清白蛋白(BSA)，作为“牺牲”模板，将氯金酸根（AuCl4-）通过静电吸附作用与BSA表面的正电荷基团结合，利用TiO2优良的光催化性能，通过紫外光照将Au3+还原为AuNPs，同时将蛋白质模板分解除去。本文采用SEM，XRD等表征技术对制备的AuNPs/TiNTs复合膜材料进行了表征，实验结果表明AuNPs已成功地修饰在了TiNTs表面，AuNPs的直径约为4nm;这些在TiNTs管壁形成的AuNPs，作为纳米级“金属导线”能够有效地促进血红蛋白(Hb)与TiNTs的直接电子转移。并基于该AuNPs/TiNTs电极界面，成功构建了H2O2传感器，实现了对H2O2的分析检测，线性检测范围为0.01 mmol/L～0.16 mmol/L，检出限为2μmol/L。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 生物传感器

1．1．1 生物传感器的定义

1．1．2 生物传感器的结构

1．1．3 生物传感器的原理和特点

1．1．4 生物传感器的分类

1．1．5 电化学生物传感器的概述

1．1．6 制备生物传感器的生物分子固定化技术

1．1．7 生物传感器的发展历程和展望

1．2 纳米材料

1．2．1 纳米材料的定义

1．2．2 纳米材料的分类和特性

1．2．3 纳米材料在生物传感器方面的应用

1．3 本论文选题意义及研究内容

第2章 基于TiNTs阵列的信号放大电化学免疫传感界面

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 TiNTs的制备方法

2．2．4 AuNPs／Ab*-HRP的制备

2．2．5 免疫传感器的制备

2．2．6 测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 XRD表征

2．3．2 场发射扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征

2．3．3 紫外表征

2．3．4 电极修饰过程的电化学交流阻抗表征

2．3．5 电化学检测

2．3．6 实验条件优化

2．3．7 免疫传感器性能测试

2．4 本章小结

第3章 血红蛋白在TiNTs／AuNPs复合膜内的直接电化学和电催化

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 TiNTs的制备

3．2．4 Hb／AuNPs／TiNTs电极的制备

3．2．5 测试方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 场发射扫描电镜(SEM)表征

3．3．2 UV-Vis光谱表征

3．3．3 FT-IR光谱表征

3．3．4 电极修饰过程的电化学交流阻抗表征

3．3．5 直接电化学

3．3．6 不同扫速的循环伏安曲线

3．3．7 溶液pH的影响

3．3．8 Hb／AuNPs／TiNTs电极对H2O2的催化

3．3．9 计时电流响应

3．4 本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢