几种生物传感器表面修饰技术研究及微型化制备初探

摘要

作为一种先进的分析检测技术，生物传感器因具有专一性强、灵敏度高、检测迅速、操作简便等诸多特点，目前已在生物医药、环境保护、食品安全、工业生产等领域获得广泛关注与应用。其中生物传感活性界面的有效修饰一直以来被认为是生物传感器研发及制备过程中的核心环节，不仅影响生物传感器的主要性能，而且决定生物传感器是否具有科研与使用价值。因此，本文甄选树枝状铜纳米材料、银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯、多巴胺等多种表面修饰材料，结合不同的表面修饰技术，构建了多种可用于有效检测亚硝酸盐、溶解氧、卤素离子等重要物质的生物传感活性界面，并针对所制备生物传感器的各主要项性能进行了研究与探讨。此外，伴随生物传感技术的不断进步，生物传感器的微型化制备已成为未来发展的主要趋势。本文也进一步采用光刻、金属溅镀等微细加工工艺制备了可在非常规检测环境下工作的柔性微传感电极，为开发可用于在体检测的微型生物传感器做出了有益尝试。本论文主要研究内容概括如下:
　　(1)利用简单的两步电化学沉积法成功地将还原型氧化石墨烯(RGO)和树枝状铜纳米材料(Cu-NDs)依次修饰于玻碳电极表面，构建了一种可对亚硝酸盐进行定量检测的新型无酶生物传感器。该传感器对亚硝酸根离子(NO2-)的还原反应具有出色的电催化活性，在此基础上我们进一步对电化学沉积过程及检测过程的主要实验条件如电沉积循环伏安扫描圈数、铜离子(Cu2+)浓度、检测环境pH值以及检测电压等进行了优化。实验结果证明，在最优条件下所制备的无酶传感器对亚硝酸盐的最低检测限为0.4μM（信噪比为3），检测灵敏度为214μA mM-1 cm-2，线性范围为1.25×10-3～13 mM，传感器整体性能优于已有相关文献报道。此外，传感器也表现出良好的重复性、长时间稳定性和较强的抗干扰性能。这主要是得益于RGO和Cu-NDs具有比表面积大、电子传递速度快等优点以及两种纳米材料相结合所发挥的协同增效作用。
　　(2)以硝酸银为银源，利用电化学沉积的方法制备出具有树枝状三维立体结构的银纳米材料，并将其修饰于玻碳电极表面构建了可用于检测溶解氧的无酶生物传感器。整个构建方法无需添加任何模板分子或催化剂，操作过程简单易行。由于银纳米树枝的催化活性，溶解氧在较低的工作电压下(-300 mV vs.Ag/AgCl)可被直接还原为OH-，还原过程伴随四个电子的转移。该传感器对溶解氧检测的线性范围为1.0～66.71μM(R2=0.995)，而且灵敏度高(0.169μAμM-1)，检测限低(0.043μM，S/N=3)，响应时间快（小于5s）。这主要是由于银纳米树枝材料具有比表面积大、导电性能好等特点，使以此为基础所制备的传感器具有上述卓越性能。特别是检测时可选取较低的工作电压，有效降低了其它电活性物质的干扰。
　　(3)首先利用多巴胺所具有的亲水性将多壁碳纳米管(MWCNTs)分散于碱性溶液(pH8.5)中，使碳管表面形成一层聚多巴胺(PDA)薄膜，显著改善MWCNTs的疏水性;然后再利用PDA的还原性，以硝酸银为银源，将银离子还原为银纳米颗粒(AgNPs)并固定于碳纳米管的外壁，从而制备出MWCNTs/PDA/AgNPs纳米复合材料。利用透射电子显微镜、能量色散X射线光谱等手段对所合成的纳米复合材料进行表征，然后以MWCNTs/PDA/AgNPs纳米复合材料修饰的玻碳电极为基础构建了一种新型无酶传感器，可用于检测体系中的卤素离子（C1-、Br-、I-）。实验证明，AgNPs可与卤素离子发生反应，由于三种卤化银的氧化还原电位彼此不同，因此该传感器不仅可分别对单一卤素离子进行检测，而且还具有同时检测Cl-、Br、I-的能力。该传感器制备过程简单，检测灵敏度较高，检测结果可在循环伏安曲线上直观显现，这些都是本研究所构建的无酶传感器技术优于传统卤素检测方法的特点。
　　(4)分别选取SU-8和Parylene作为基底材料，利用光刻、溅镀等工艺制备了柔性叉指阵列微电极(IDAM)。由于柔性基材具有一定的延展性和机械强度，因此，与传统刚性微电极相比较，所制备的柔性IDAM可承受一定程度的挤压折叠，并且能够完全贴敷于圆形曲面。以二茂铁甲醇(FMA)为检测对象，分别在单工作电极和双工作电极模式下对IDAM进行了电化学性能表征。由于产生电极和收集电极之间可发生独特的氧化还原循环过程，起到一种反馈增效的作用，IDAM能够有效增强电化学检测信号的强度。实验结果表明，柔性IDAM具备在狭窄弯曲空间条件下开展电化学检测的能力，这为下一步以柔性IDAM为基础构建可用于生物体内载体检测的微型生物传感器奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第一节 生物传感器概述

1．1．1 生物传感器的定义及工作原理

1．1．2 生物传感器的分类

第二节 生物传感活性界面的有效修饰

1．2．1 生物传感活性界面的修饰材料

1．2．2 生物传感活性界面的修饰方法

第三节 微型生物传感电极的制备

1．3．1 微电极概念及其特点

1．3．2 微电极的分类

1．3．3 微电极的制备材料

1．3．4 微电极的制备方法

第四节 本论文的研究内容

第二章 利用电化学沉积方法制备还原型氧化石墨烯-铜纳米树枝复合材料并构建亚硝酸盐传感器

第一节 引言

第二节 实验部分

2．2．1 实验仪器和试剂

2．2．2 实验方法

第三节 结果与讨论

2．3．1 Cu-NDs／RGO纳米复合物的表征

2．3．2 Cu-NDs／RGO纳米复合物修饰GC电极的电化学性能研究

2．3．3 Cu-NDs／RGO纳米复合物修饰的GC电极对亚硝酸盐检测的条件优化

2．3．4 基于Cu-NDs／RGO／GCE传感器检测亚硝酸盐的响应性能研究

2．3．5 基于Cu-NDs／RGO／GCE传感器的选择性、重复性和稳定性研究

第四节 本章小结

第三章 树枝状银纳米材料的制备及其对溶液中溶解氧的电化学检测

第一节 引言

第二节 实验部分

3．2．1 实验仪器和试剂

3．2．2 实验方法

第三节 结果与讨论

3．3．1 银纳米树枝的电化学沉积

3．3．2 银纳米树枝结构的形貌表征

3．3．3 银纳米树枝修饰的GC电极对溶解氧的电化学检测研究

3．3．4 溶解氧的电化学检测

第四节 本章小结

第四章 多壁碳纳米管-银纳米颗粒复合材料的制备及其在卤素离子中的检测应用

第一节 引言

第二节 实验部分

4．2．1 实验仪器与试剂

4．2．2 实验方法

4．2．3 电化学测试

第三节 结果与讨论

4．3．1 MWCNTs／PDA／AgNPs纳米复合物的制备与表征

4．3．2 MWCNTs／PDA／AgNPs修饰GC电极对卤素离子的电化学性能研究

4．3．3 传感器对卤素离子的电化学检测

4．3．4 传感器的抗干扰性、重复性和稳定性研究

第四节 本章小结

第五章 制备基于SU-8光刻胶的柔性叉指阵列微电极及其在狭窄空间条件下的电化学检测应用

第一节 引言

第二节 实验部分

5．2．1 实验仪器与试剂

5．2．2 实验方法

第三节 结果与讨论

5．3．1 柔性叉指阵列微电极的构造及机械特性

5．3．2 基于SU-8的柔性叉指阵列微电极电化学性能表征

5．3．3 基于Parylene的柔性叉指阵列微电极电化学性能表征

5．3．4 柔性叉指阵列微电极在狭窄弯曲空间条件下的电化学检测应用

第四节 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果