纳米氧化锌构建无机-有机膜修饰血红蛋白及其在制备生物传感器中的应用

摘要

近些年来，纳米技术迅速发展并引入了电化学生物传感器领域。纳米材料由于其独特的物理性质和化学性质，引起了科学研究者们的广泛兴趣，尤其是具有良好生物亲和性且能加快电子传递等性能的纳米氧化物引起了更广泛的注意。本论文将纳米技术、滴涂法、自组装和电分析化学理论方法有机地结合起来，用纳米ZnO等材料在电极表面构建新的界面，发展了3种固定血红蛋白酶的方法构建生物传感器界面： (1)第2章中，研制出基于纳米ZnO的壳聚糖分散液和纳米金复合膜固定血红蛋白。具有良好生物亲和性的纳米ZnO的壳聚糖分散液为血红蛋白(Hb)提供优良的生物环境，同时和纳米金形成复合膜又具备了更好的传导通道的作用，减小了电子给体和受体间的距离，为血红蛋白与电极之间的电子转移搭建桥梁，从而实现了直接电子传递。运用紫外吸收光谱(UV—vis)和透射电子显微镜(TEM)进行了表征，发现纳米ZnO的壳聚糖分散液和纳米金复合膜很好的固定了血红蛋白，同时也保持了血红红蛋白良好的生物活性。修饰电极测定H2O2溶液的线性范围是1.94×10-7～1.73×10-3M，检测限是9.7×10-8M(S/N=3)。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2.3％左右，说明该方法制备的生物传感器稳定性和重现性比较好。该基质也可用于其他生物蛋白酶的固定。 (2)考虑到上面的研究方法环境湿度对电极影响很大而且酶的用量也很大，因此，接下来试图利用静电吸附，通过层层自组装(Layer—by—Layer)的方法来固定血红蛋白。在玻碳电极表面组装上带正电的邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯(PDDA)，然后吸附带负电的纳米金，再组装上纳米ZnO的壳聚糖分散液和血红蛋白的混合液。我们通过循环伏安法(CV)和交流阻抗的研究方法知道了纳米金起到了电子通道的作用。通过紫外吸收光谱研究表明，具有良好生物相容性的纳米ZnO的壳聚糖分散液能很好的保持Hb的电活性。修饰电极实现了Hb与电极间的直接电子传递作用，并且体现了对H2O2的很好的电催化还原。PDDA/Au/(ZnO-CHIT-Hb)/GCE修饰电极对H2O2的响应的线性范围是6.57×10-7～1.3×10-3M，检测限是7.89×10-7M(S/N=3)。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2.0％左右，说明该方法制备的生物传感器稳定性和重现性相对混合后直接滴涂的方法有所提高。 (3)在上述研究中，最大的问题是聚合物PDDA易使有导电通道性能的纳米金发生团聚，同时也可能损害酶的电活性而且组装过程比较复杂。于是，第4章中，我们采用混合自组装方法更简单方便的固定了血红蛋白(Hb)。利用纳米ZnO分散液和血红蛋白溶液混合，它们等电点的较大差异性相互作用来固定血红红蛋白，然后自组装到处理干净的玻碳电极上，从而实现了Hb与电极间的直接电子传递，并利用紫外吸收光谱(UV-vis)、透射电子显微镜(TEM)及循环伏安等方法对制备过程进行了表征。修饰电极测定H2O2溶液的线性范围是1.06×10-6～7.82×10-3M，检测限是8.86×10-7M(S/N=3)。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1.9％左右，表明该方法制备的生物传感器制备过程简单、有好的稳定性和重现性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1蛋白质和酶直接电化学研究的意义

1.2酶电化学生物传感器的发展

1.3血红蛋白的介绍

1.4酶界面分子固定化的几种主要技术

1.4.1自组装技术

1.4.2纳米技术

1.4.3溶胶-凝胶技术

1.4.4聚电解质吸附组装技术

1.4.5碳纳米管技术

1.4.6提高酶传感器界面性能的近期进展

1.5血红蛋白催化过氧化氢的研究进展

1.6 本研究工作的构思

第二章基于氧化锌-壳聚糖/纳米金固定血红蛋白的直接电化学和电催化作用

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纳米ZnO的制备

2.2.4纳米金制备

2.2.5纳米ZnO-壳聚糖(CHIT)分散液的制备

2.2.6修饰电极的制备

2.2.7测量方法

2.3结果与讨论

2.3.1紫外可见吸收光谱

2.3.2 Hb在修饰电极上的直接电化学行为

2.3.3修饰电极不同扫速的循环伏安曲线

2.3.4溶液pH对修饰电极的影响

2.3.5(ZnO-CHIT)-Au-Hb/GCE修饰电极对过氧化氢(H2O2)的催化

2.3.6(znO-CHIT)-Au-Hb/GCE修饰电极对过氧化氢(H2O2)的响应

2.3.7稳定性和重现性

2.4本章小结

第三章PDDA/Au/ZnO-Chitosan层层自组装固定血红蛋白直接电化学特性研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂

3.2.2实验试剂

3.2.3纳米ZnO的制备

3.2.4纳米金制备

3.2.5纳米ZnO-壳聚糖(CHIT)分散液的制备

3.2.6修饰电极的制备

3.2.7测量方法

3.3结果与讨论

3.3.1紫外可见吸收光谱

3.3.2电化学交流阻抗(EIS)

3.3.3修饰电极上的直接电化学行为

3.3.4制备电极不同扫速的循环伏安曲线

3.3.5溶液pH对制备电极的影响

3.3.6 PDDA/Au/(ZnO-CHIT-Hb)/GCE电极对过氧化氢(H2O2)的催化

3.3.7对H2O2的响应

3.4本章小结

第四章ZnO纳米棒液相自组装固定血红蛋白修饰玻碳电极的直接电化学和电催化

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验试剂

4.2.2实验仪器

4.2.3纳米ZnO分散液的制备

4.2.4修饰电极的制备

4.2.5测量方法

4.3结果与讨论

4.3.1 TEM表征

4.3.2紫外可见吸收光谱

4.3.3修饰电极的直接电化学行为

4.3.4修饰电极不同扫速的循环伏安曲线

4.3.5溶液pH的影响

4.3.6修饰电极对过氧化氢(H2O2)的催化

4.3.7 ZnO NPs-Hb/GCE修饰电极对过氧化氢(H2O2)的响应

4.3.8重现性和稳定性

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

附录 攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢