基于不同纳米材料的生物传感器的制备及其电化学和电催化性能研究

摘要

特定目标物的检验、鉴定、测试在环境科学、医疗、食品安全和农业生产等应用中起到一个关键性作用。高灵敏度、特异性强、操作方便、检测步骤少并且成本低的传感器的研发受到了广泛关注。纳米材料有着其独特的理化性质，如大的比表面积、优异的生物相容性、高的生物分子负载吸附能力以及化学环境内外良好的稳定性，在化学和生物传感器中创建新的识别和换能过程有着很大的作用。本研究主要致力于纳米材料的合成、电镜表征、光谱学表征和电化学表征以及其相应的直接电化学和电催化性能研究。材料涉及到石墨烯量子点、纳米金属、三维石墨烯复合材料及纳米金属氧化物等。论文主要包括下列几部分内容： 1、将硼掺杂石墨烯量子点(B-GQDs)涂布在碳离子液体电极(CILE)后，再将血红蛋白(Hb)用Nafion膜固定在电极表面，制备Nafion/Hb/B-GQDs/CILE。通过紫外可见吸收光谱以及傅里叶红外变换光谱，证明Hb在B-GQDs复合膜内保持原有蛋白质二级结构和生物活性。利用循环伏安法测定修饰电极在pH=4的PBS的电化学行为，对比了Hb在B-GQD、N-GQDs与GQDs修饰电极的循环伏安曲线，都出现一对峰形对称氧化还原峰，但B-GQD修饰电极峰形更锐利对称，表明B-GQDs对Hb的直接电子转移有良好的促进作用。分别利用循环伏安法(CV)和示差脉冲伏安法探究了修饰电极对三氯乙酸(TCA)、亚硝酸钠(NaNO2)和过氧化氢(H2O2)的电催化行为，其线性关系良好，灵敏度高，检出限及检测限较低，表明B-GQDs可以应用于第三代电化学传感器的制备。 2、采用CILE为基底电极，将纳米四氧化三钴(Co3O4)利用直接滴涂法修饰在CILE 后，再将辣根过氧化物酶(HRP)用Nafion膜固定在电极表面，制备Nafion/HRP/Co3O4/CILE。光谱学表征证明HRP在Co3O4复合膜内保持原有蛋白质二级结构。对纳米Co3O4进行了扫描电子显微镜、高分辨率透射电镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等表征，检测Co3O4 NPs的结构形貌和性能。利用CV测定Nafion/HRP/Co3O4/CILE在pH=3的PBS的电化学行为，出现一对峰形良好的对称峰，说明了Co3O4对HRP的直接电子传递起到增强作用。求得非均相电子转移速率常数为0.94 s-1，并且还探究了修饰电极对TCA、NaNO2和H2O2的电催化还原性能，获得良好的线性关系，高灵敏度和较低的检出限，表观米氏常数分别求得为88.15 mmol L-1，0.201 mmol L-1和17.54 mmol L-1，检出限分别为1.7 mmol L-1，33μmol L-1和1.67 mmol L-1，并对含有TCA和NaNO2的实际样品进行了样品测定，回收率良好。 3、制备了一种基于金纳米三角片(AuNTs，光学密度为1)和HRP的电化学修饰电极(Nafion/HRP/AuNTs/CILE)。光谱研究表明HRP与AuNTs混合后仍保持酶的结构与活性。透射电镜表征表明AuNTs为圆角正三角片形状。探究了PBS的酸碱度以及扫描速度对CV的影响，采用pH=3的PBS，扫描速度为100 mV·s-1下进行电化学实验并实现了Nafion/HRP/AuNTs/CILE的直接电化学行为，一对峰形锐利的氧化还原峰的出现证明了电子在HRP内部铁卟啉与电极表面间成功转移且AuNTs的存在加速了电子在电化学活性位点的得失能力。电化学动力学求得非均相电子转移速率常数(ks)和电子传递系数(α)分别为1.01 s-1和0.49。此修饰电极对TCA和NaNO2的电催化分析获得了低的检出限和较宽的线性范围，KMapp分别求得为176.43 mmol·L-1和27.77 mmol·L-1 ，分别求得检出限为0.33 mmol·L-1和0.53 mmol·L-1。 4、设计了一种基于 Nafion/肌红蛋白（Mb ）/二氧化钛-三维石墨烯（TiO2-3DGR）/CILE的电化学生物传感器，对其电化学和电催化进行了研究。采用水热法合成了TiO2-3DGR，对其进行了扫描电子显微镜材料表征，发现GR呈三维网状孔洞结构，纳米TiO2被成功负载。紫外和红外光谱表征证明了Mb-TiO2-3DGR混合液中，Mb保持其生物结构。探究了PBS的酸碱性对电化学实验结果的影响，挑选 pH=4的PBS 作为支持电解质。实现了Nafion/Mb/TiO2-3DGR/CILE的直接电化学行为，并进一步探究了扫速影响及修饰电极的交流阻抗。对TCA、NaNO2和H2O2的电催化还原求出KMapp分别为107.12 mmol·L-1、31.53 mmol·L-1和34.23 mmol·L-1，且线性关系良好、范围广、检出限较低。 5、研究Nafion/Mb/铂-金-石墨烯（Pt-Au-GR）/CILE的修饰设计及其电化学和电催化性能探讨。利用水热法制备了Pt-Au-GR，并对其进行了扫描电子显微镜和透射电子显微镜材料表征，发现3DGR呈现一种三维立体的蛛网状空洞结构，Pt-Au纳米合金被成功负载到3DGR结构上。紫外和红外光谱表征证明了Mb在Pt-Au-GR的存在下，Mb保持其生物活性，进行电流信号放大。选取pH=3的PBS作为支持电解质溶液。对比不同修饰电极的电化学表现及阻抗性能，并实现了Nafion/Mb/Pt-Au-GR/CILE的直接电化学行为。Nafion/Mb/Pt-Au-GR/CILE用于TCA和NaNO2，对TCA和NaNO2的电催化性能的米氏常数KMapp分别求得15.97 mmol·L-1和9.51 mmol·L-1，线性范围分别为1.0 mmol·L-1~30.0 mmol·L-1和0.05 mmol·L-1~0.55 mmol·L-1，检出限分别为0.33 mmol·L-1和0.01 mmol·L-1。

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