基于导电纳米粒子与植酸自组装制备生物传感器及其性能研究

摘要

近些年，纳米技术的迅猛发展，使其在电化学生物传感器的应用得到了深入的研究。在电化学生物传感器的构建过程中，生物酶的固定化是关键技术之一，至今，大量的报道证明载体材料的结构和性质在很大程度上影响着固定化酶的各种性能，许多研究者致力于载体材料的研究中。
　　 正是因为纳米材料具有比表面积大、吸附能力强、表面活性中心多等优点，若将其引入生物传感器中，就能增强酶在载体表面上的固定化作用，增加酶的吸附量和稳定性，有效地提高生物传感器的灵敏度和各项性能，对于载体也应该有不同的选择，可以固载更多的酶，使电子通过载体有更好的运输效果，发展更多的能保持酶生物活性的纳米材料，在载体上构建性能优良、易于制作的电化学生物传感器。
　　 植酸(又称肌醇六磷酸酯，IP6)是一种天然物质，具备一些独特的优点，如生物相容性好，无毒和对环境友好，可以用来固定酶和蛋白质，它主要存在于植物组织中，尤其是在麸类、种子中，作为磷的主要存在形式。每个分子有6个非共平面的磷酸酯键，能与金属纳米粒子或金属氧化物纳米粒子发生强络合作用；并且我们发现在加热条件下，植酸分子可以自组装成胶束，形成一些磷酸酯键在内部连接，另一些磷酸酯键保留在球状胶束的外面，这种特殊的结构类似于生物膜，磷脂以尾对尾形式连接在内部，亲水性磷脂基团朝外，这种结构有利于蛋白质和酶吸附在胶束球内部或外部。本文中利用绿色物质植酸结合纳米粒子通过自组装的方法制备了如下两种用于检测过氧化氢的第三代生物传感器：
　　 (1)本章节介绍了一种制作简单、可抛弃型、成本低廉的过氧化氢(H2O2)生物传感器。通过自组装技术，血红蛋白(Hb)被成功地固定到了在植酸和氯金酸的混合液中生长得到的金颗粒修饰的ITO玻璃电极上。通过紫外-可见吸收光谱进行表征，结合电化学方法测试的结果表明：金颗粒依旧发挥了金纳米粒子的优秀的生物相容性和电子传递性的特点，使吸附在其表面的Hb保持了良好的生物活性，并实现了直接电子转移。并且通过进一步研究可得该生物传感器Nafion/Hb/Au/ITO对H2O2检测的线性范围为3×10-5M～8.9×10-4M和8.9×10-4M～2.39×10-3M，检测限为6×10-6M(信噪比S/N=3)。米氏常数(KappM)为0.0995mM。相同实验条件下，制备电极对相同浓度H2O2的响应电流的相对标准偏差(R.S.D)在1.73％左右；从全面的实验结果说明这种方式和方法制备的过氧化氢生物传感器具有制作简单、成本低、即抛型、较宽的检测范围、较短的响应时间和较好的稳定性、重现性。
　　 (2)基于植酸胶束、氧化锌纳米粒子(ZnO)和血红蛋白通过自组装技术制备了另一种制作简单、可抛弃型、成本低廉的过氧化氢(H2O2)生物传感器。将ITO玻璃交替浸入植酸胶束(IP6micelles，简称IP6m)、氧化锌纳米粒子后将血红蛋白成功地固定到了由植酸胶束和氧化锌的组装后的混合膜上。通过紫外-可见吸收光谱进行表征，结合电化学方法测试的结果表明：植酸胶束和氧化锌纳米粒子的生物亲和性为血红蛋白提供了良好的类生物环境，使其保持原有的活性，并且通过植酸上的磷酸基团和高等电点氧化锌将血红蛋白牢牢的固定在了表面的混合膜内，使Hb实现了与电极间的直接电子转移。并且通过进一步研究得出该生物传感器Nafion/Hb/ZnO/IP6m/ITO对H2O2检测的线性范围为3×10-6M～5.523×10-3M，检测限为5×10-7M(信噪比S/N=3)。米氏常数(KappM)为1.84mM。相同实验条件下，制备电极对相同浓度H2O2的响应电流的相对标准偏差(RS.D)在3.4％左右；从实验结果说明这种方式和方法制备的过氧化氢生物传感器具有制作简单、成本低、即抛型、对H2O2检测具有较宽的检测范围、较短的响应时间和较好的稳定性、重现性。
　　 (3)补篇：核酸适体是单链寡核苷酸片段，对靶分子具有高亲和力和高特异性，具有常规识别分子(如抗体和酶)所不具备的一些优点，基于核酸适体制备了一种用于检测腺苷的免标记电化学传感器。将腺苷的核酸适体与带巯基的捕获探针通过硫-巯键组装到金电极表面，用6-巯基己醇作为缺陷探针封闭电极表面，得到的MCH/Aptamer-Capture/Auelectrode电化学传感器对腺苷具有特异性识别功能，检测腺苷的线性范围为1×10-5M～2.5×10-4M，检测限为0.1μM。相同条件下制备的传感器检测相同浓度腺苷的相对标准偏差(R.S.D)为2.0％。该传感器对腺苷的检测具有灵敏度高、检测范围宽、制作简便、成本低，并且具有良好的选择性和重现性，是一种具有良好发展前景的新型传感器。