基于新型纳米材料修饰电极的第三代酶生物传感器的研究

摘要

酶是生物大分子，其电活性基团或氧化还原中心被包埋在多肽链内部，很难与电极表面进行接触，因此，酶与电极之间很难直接进行电子转移。而纳米材料由于具有独特的电学、催化特性及良好的生物相容性，因此纳米材料作为电极修饰材料，具有很高的活性和选择性。利用纳米材料对电极进行修饰，可使电极拥有大的比表面积，优良的吸附性能等，进而增大电流响应，降低检测限。本论文分别将GR、GR-ZnO-Ag和g-C3N4纳米材料作为修饰材料，制备了ChOx/CS-GR/GCE胆固醇酶生物传感器、GCE/GR-ZnO-Ag-CS/GOx/nafion和nafion/GOx/CS-g-C3N4/GCE葡萄糖酶生物传感器，研究了酶的直接电化学与电催化行为。制备的传感器具有宽的检测范围、低的检测限、好的重现性和稳定性等，可用于实际样品的检测。
　　(1)以天然石墨为原料采用微波法制备出了氧化石墨烯(GO)，通过简单的原位还原法将壳聚糖-氧化石墨烯(CS-GO)还原为壳聚糖-石墨烯(CS-GR)。将胆固醇氧化酶(ChOx)固定在CS-GR复合材料修饰的玻碳电极(GCE)上，制备了ChOx/CS-GR/GCE电极，实现了ChOx的直接电化学。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FI-IR)、循环伏安法(CV)、交流阻抗(EIS)及差分脉冲伏安法(DPV)等表征手段对产物及电极进行了表征，研究了电极的导电性能、电催化性能、稳定性和重现性。结果表明:制备的ChOx/CS-GR/GCE电极有宽的响应范围(0.005-1.0mM)，低的检出限（0.715μM），低的Michaelis-Menten常数（17.39μM）和高的电子转移速率常数Ks(2.85s-1)。此外，生物传感器也表现出了好的重现性、稳定性和很高的特异性，可以完全排除UA、AA、DA和葡萄糖的干扰，可用于实际样品的检测。
　　(2)以天然石墨、硝酸银(AgNO3)、柠檬酸(C6H8O7)及二水合乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)为原料，采用微波法合成PRGO-ZnO-Ag纳米复合材料并利用原位还原的方法将部分还原的氧化石墨烯(PRGO)彻底还原为GR。将葡萄糖氧化酶(GOx)固定在GR-ZnO-Ag-CS复合材料修饰的玻碳电极(GCE)上，制备了GCE/GR-ZnO-Ag-CS/GOx/nafion葡萄糖酶生物传感器，实现了葡萄糖氧化酶的直接电化学。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(RS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、循环伏安(CV)及差分脉冲伏安法(DPV)等表征手段对产物及电极进行了表征，研究了电极的导电性能、电催化性能、稳定性和重现性。结果表明:制备的GCE/GR-ZnO-Ag-C S/GOx/nafion葡萄糖酶生物传感器具有宽的响应范围(0.1-12.0mM)，低的检出限(10.6μM)，低的Michaelis-Menten常数(0.25mM)和高的电子转移速率常数Ks(2.85s-1)。此外，生物传感器也表现出了好的重现性、稳定性和很高的特异性，可以完全排除UA、AA、DA的干扰，可用于实际样品的检测。
　　(3)以三聚氰胺为原料成功制备了g-C3N4纳米材料。将葡萄糖氧化酶(GOx)固定在CS-g-C3N4复合材料功能化的玻碳电极(GCE)上，制备了nafion/GOx/CS-g-C3N4/GCE葡萄糖酶生物传感器，实现了葡萄糖氧化酶的直接电化学。采用x-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、循环伏安(CV)及差分脉冲伏安法(DPV)等表征手段对产物及电极进行了表征，研究了电极的导电性、电催化性、稳定性和重现性。结果表明:制备的nafion/GOx/CS-g-C3N4/GCE葡萄糖生物传感器有宽的响应范围（0.1～8.0mmol/L），低的检出限（46.7μM）和低的Michaelis-Menten常数(0.42mM)。此外，生物传感器也表现出了好的重复性、稳定性和很高的特异性，可以完全排除UA、AA、DA的干扰，可用于实际样品的检测。

目录

摘要

1 绪论

1．1 酶生物传感器概述

1．1．1 酶生物传感器的概念

1．1．2 酶生物传感器的发展

1．2 第三代酶生物传感器中氧化还原酶直接电化学的的研究概述

1．2．1 氧化还原酶的概述

1．2．2 氧化还原酶直接电化学的研究意义

1．2．3 氧化还原酶的固定化技术

1．3 化学修饰电极的概述

1．3．1 化学修饰电极的概念

1．3．2 化学修饰电极的制备及分类

1．4 纳米材料在酶生物传感器中的应用

1．4．1 纳米材料的定义、分类及特性

1．4．2 纳米材料在电化学生物传感器中的作用

1．4．3 石墨烯在酶生物传感器中的应用

1．4．4 金属纳米材料在酶生物传感器中的应用

1．4．5 半导体纳米材料在酶生物传感器中的应用

1．5 立题依据及主要研究内容

1．5．1 立题依据

1．5．2 课题的主要研究内容

1．6 项目来源

2 实验部分

2．1 实验试剂及设备

2．1．1 实验主要试剂

2．1．2 实验设备

2．1．3 测试仪器

2．2 复合材料的制备

2．2．1 CS-GO复合材料的制备

2．2．2 CS-Ag-ZnO-PRGO复合材料的制备

2．2．3 壳聚糖-g-C3N4复合材料的制备

2．3 生物电极的制备

2．3．1 ChOx／CS-GR／GCE生物电极的制备

2．3．2 GCE／GR-ZnO-Ag-CS／ChOx／nafion生物电极的制备

2．3．3 nafion／GOx／CS-g-C3N4／GCE生物电极的制备

2．4 产物及电极的表征

3 壳聚糖-石墨烯复合膜修饰玻碳电极的制备及其在第三代胆固醇酶生物传感器中的应用研究

3．1 前言

3．2 结果与讨论

3．2．1 ChOx／CS-GR／GCE生物电极的表征

3．2．2 制备电极条件的优化

3．2．3 ChOx／CS-GR／GCE生物电极电化学性能的表征

3．2．4 修饰电极pH的优化

3．2．5 修饰电极的动力学研究

3．2．6 ChOx／CS-GR／GCE生物传感器对胆固醇的电化学响应

3．2．7 ChOx／CS-GR／GCE生物传感器的选择性，重现性和稳定性

3．2．8 实际样品的检测

3．3 本章小结

4 石墨烯-氧化锌-银-壳聚糖复合膜修饰玻碳电极的制备及其在第三代葡萄糖酶生物传感器中的应用研究

4．1 前言

4．2 结果与讨论

4．2．1 PRGO-ZnO-Ag纳米复合材料的表征

4．2．2 制备电极条件的优化

4．2．3 GCE／GR-ZnO-Ag-CS／GOx／nafion生物传感器的电化学表征

4．2．4 修饰电极的动力学研究

4．2．5 修饰电极PH的优化

4．2．6 GCE／GR-ZnO-Ag-CS／GOx／nafion生物传感器的安培响应

4．2．7 抗干扰能力、稳定性和重现性实验

4．2．8 实际样品的检测

4．3 本章小结

5 壳聚糖-g-C3N4纳米复合膜修饰玻碳电极的制备及其在第三代葡萄糖酶生物传感器中的应用研究

5．1 前言

5．2 结果与讨论

5．2．1 g-C3N4纳米材料的表征

5．2．2 电极制备条件的优化

5．2．3 nafion／GOx／CS-g-C3N4／GCE生物传感器电化学性能的表征

5．2．4 nafion／GOx／CS-g-C3N4／GCE生物传感器的安培响应

5．2．5 抗干扰能力、稳定性研究

5．2．6 人血清中葡萄糖的检测

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

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