基于有机-无机杂化材料的硝酸还原酶和辣根过氧化物酶电极的研究

摘要

硝酸盐和酚类化合物是水体中重要的污染物质，威胁着人们的身体健康和生存环境。因此，对这两类污染物的快速准确测定具有重大的意义。生物传感器具有分析速度快、灵敏度高、成本低等特点，已经在环境监测、临床医学、食品分析、军事医学等领域得到了广泛应用。 本论文使用基于溶胶-凝胶技术的有机-无机杂化材料，采用包埋方法并结合纳米技术分别制备了硝酸还原酶和辣根过氧化物酶两类电极，以检测水中的硝酸盐和酚类污染物。具体研究内容如下： 利用了透析、调整固定化参数和杂化材料各组分比例等方法对原有的硝酸还原酶电极进行改进，制备出性能更好、稳定性更强的硝酸还原酶电极。酶电极的响应电流与硝酸根浓度在0.01～0.4mmol/L范围内呈线性关系(R2=0.9928)，检测灵敏度为6.866nA/(μmol/L)，检测限为3.37×10-6mol/L。工作电位为-0.712V，响应时间仅为6.7s。一个月后，响应电流为初始值的87.6％。 由于碳纳米管具有众多独特的性质，对于提高生物传感器检测的灵敏度和稳定性具有重大意义。因此基于单壁碳纳米管制成了两种酶电极：一种是将硝酸还原酶包埋在杂化材料里，在单壁碳纳米修饰过的金电极表面形成酶膜制成酶电极；另一种是将硝酸还原酶包埋在掺杂有SWNTs的杂化材料里制成硝酸还原酶电极。实验结果表明两种电极的响应电流都大幅增加，检测灵敏度分别为8.806nA/(μmol/L)和11.361nA/(μmol/L)。响应时间和工作电位变化不大，而第二种方法制备的酶电极稳定性更强。 将辣根过氧化物酶直接包埋在杂化材料里，在金电极表面形成酶膜，制备出能够检测水中多种酚类化合物的生物传感器。酶电极的响应电流与对苯二酚浓度在1～70μmol/L范围内呈线性关系(R2=0.9996)，检测灵敏度为93hA/(μmol/L)，检测限为0.023μmol/L。工作电位为-0.20V，响应时间仅为2.4s。一个月后，响应电流为初始值的91.6％。 分别使用单壁碳纳米管和普鲁士蓝对辣根过氧化物酶电极进行修饰，有效地降低了工作电位(分别降至-0.05V和-0.03V)，增强了酶电极的抗干扰性。两种电极的响应时间分别为4.6s和9.9s。

目录

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声明

第一章文献综述

1.1生物传感器概述

1.1.1生物传感器的定义及分类

1.1.2生物传感器的发展历程

1.1.3生物识别组分的选择

1.1.4酶的固定化方法

1.1.5电子媒介体的选择

1.2有机-无机杂化材料在生物传感器中的应用

1.2.1溶胶-凝胶技术

1.2.2基于溶胶-凝胶方法的有机-无机杂化材料

1.3纳米技术在生物传感器中的应用

1.3.1纳米金、银、铂颗粒

1.3.2碳纳米管

1.4硝酸盐还原酶电极概述

1.4.1硝酸盐污染现状及检测方法

1.4.2硝酸还原酶电极的发展

1.5辣根过氧化物酶电极概述

1.5.1酚类物质的检测方法

1.5.2辣根过氧化物酶电极用于酚类物质的检测

1.6本论文的研究内容和意义

第二章基于杂化材料的硝酸还原酶电极的研究

2.1实验部分

2.1.1试剂和仪器

2.1.2酶电极的制备

2.1.3实验方法

2.2结果和讨论

2.2.1酶电极制备时各种参数的影响

2.2.2实验参数对酶电极性能的影响

2.2.3酶电极的循环伏安特性

2.2.4酶电极的计时电流图和动力学分析

2.2.5酶电极的响应速度和检测限

2.2.6酶电极的稳定性和重现性

2.2.7酶膜的表面形貌表征

2.3本章小结

第三章基于杂化材料和单壁碳纳米管修饰的硝酸还原酶电极的研究

3.1实验部分

3.1.1试剂和仪器

3.1.2酶电极的制备

3.1.3实验方法

3.2结果和讨论

3.2.1 SWNTs的形态表征

3.2.2酶电极的循环伏安特性

3.2.3工作电位对响应电流的影响

3.2.4酶电极的计时电流图和动力学分析

3.2.5酶电极的响应速度和检测限

3.2.6酶电极的稳定性和重现性

3.3本章小结

第四章基于杂化材料和单壁碳纳米管掺杂的硝酸还原酶电极的研究

4.1实验部分

4.1.1试剂和仪器

4.1.2酶电极的制备

4.1.3实验方法

4.2结果和讨论

4.2.1酶电极的循环伏安特性

4.2.2工作电位对响应电流的影响

4.2.3酶电极的计时电流图和动力学分析

4.2.4酶电极的响应速度和检测限

4.2.5酶电极的稳定性和重现性

4.2.6酶膜的表面形貌表征

4.3本章小结

第五章基于杂化材料的辣根过氧化物酶电极的研究

5.1实验部分

5.1.1试剂和仪器

5.1.2酶电极的制备

5.1.3实验方法

5.2辣根过氧化物酶的催化循环机理

5.3结果和讨论

5.3.1酶电极制备时各种参数的影响

5.3.2实验参数对酶电极性能的影响

5.3.3酶电极的循环伏安特性

5.3.4酶电极的计时电流图和动力学分析

5.3.5酶电极的响应速度和检测限

5.3.6酶电极的稳定性和重现性

5.3.7酶膜的表面形貌表征

5.4本章小结

第六章基于杂化材料和单壁碳纳米管的辣根过氧化物酶电极的研究

6.1实验部分

6.1.1试剂和仪器

6.1.2酶电极的制备

6.1.3实验方法

6.2结果和讨论

6.2.1酶电极的循环伏安特性

6.2.2酶电极的计时电流图和动力学分析

6.2.3酶电极的响应速度和检测限

6.2.4酶电极的稳定性和重现性

6.2.5酶电极的抗干扰性实验

6.2.6酶膜的表面形貌表征

6.3本章小结

第七章基于杂化材料和普鲁士蓝修饰的辣根过氧化物酶电极的研究

7.1实验部分

7.1.1试剂和仪器

7.1.2酶电极的制备

7.1.3实验方法

7.2结果和讨论

7.2.1酶电极的循环伏安特性

7.2.2酶电极的计时电流图和动力学分析

7.2.3酶电极的响应速度和检测限

7.2.4酶电极的稳定性和重现性

7.2.5酶电极的抗干扰性实验

7.3本章小结

第八章结论和建议

8.1结论

8.2创新点

8.3建议

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢