基于新型碳纳米管复合物的生物传感器构筑与检测应用

摘要

近年，随着电分析化学的发展，生物传感器在环境科学、食品安全以及临床检验领域均获得了较快的发展。碳纳米管作为一种独特的纳米材料在生物传感器的构筑上发挥了重要的作用。本论文基于碳纳米管复合物在传感器的构筑应用为出发点，分别合成了不同的碳纳米管复合物，并将其成功的应用于无试剂型酶修饰电极的构筑上。同时发展了基于电沉积与自组装技术交替技术，构筑了多层有序的复合膜并在此基础上成功构建了免疫传感器。
　　 论文首先研究了碳纳米管-亚甲基蓝复合物的构筑及其在无试剂型酶修饰电极上的应用。实验考察了碳纳米管-亚甲基蓝复合物在溶液相中紫外-可见吸收峰，证明亚甲基蓝可以稳定的吸附在碳纳米管表面。将该复合物与辣根过氧化物酶(HRP)以层层组装的方式构筑在电极表面后，电极在支持电解质溶液中呈现明显的催化-还原峰，与仅亚甲基蓝组装电极相比，电极的还原峰电流明显增加，而氧化峰电流降低，显示出碳纳米管-亚甲基蓝复合物在电极表面发挥出独特的加快电极表面电子转移的特点。实验结果还表明，基于碳纳米管-亚甲基蓝复合物构筑的酶修饰电极对底物过氧化氢的催化明显增强，催化反应的Km值达到3.56mmol/L，检出限1.0μmol/L。此外，实际测定溶液中存在的一些可能干扰物如半胱胺、抗坏血酸等不会对测定产生干扰。
　　 将聚合物与金属纳米粒子同时构筑在碳纳米管的表面可以进一步的拓展碳纳米管的应用范围，提高传感器的分析能力。通过在溶液相中添加聚乙烯亚胺(PEI)与高氯金酸一步合成了表面包裹有PEI与金纳米粒子的碳纳米管复合物(碳纳米管-PEI-Au)。该复合物不仅有效的改变了碳纳米管表面的电荷属性，同时由于金纳米粒子的存在，进一步增强了碳纳米管的电传导能力。通过电沉积技术在电极表面首先电沉积一层壳聚糖-普鲁士蓝复合膜，之后将碳纳米管-PEI-Au复合物与葡萄糖氧化酶(GOX)通过层层组装方式构筑在电极表面，构建了一个可以稳定检测人体血清中葡萄糖的葡萄糖传感器。碳纳米管-PEI-Au复合物的存在有效增加了葡萄糖氧化酶的固定量，并保护了内部普鲁士蓝层的稳定性，实现了对人体血清中葡萄糖的灵敏检测，检出限为1.3μmol/L，线性范围4.0μmol/L到6.2mmol/L，血液存在的一些生理物质没有对电极产生明显干扰。
　　 进一步我们发展出电沉积与自组装交替使用的技术路线，成功的构建了一个多层、有序、稳定的纳米复合膜。首先，在金电极表面以电沉积方式构筑一层普鲁士蓝纳米层，由于其带有负电荷，因此可以和带有正电荷的碳纳米管-PEI-Au复合物以静电吸附为驱动力形成交替组装。实验结果表明，通过这个方式获得的复合膜在结构上表现出高度有序，同时由于其多层膜结构的存在有效的提高了普鲁士蓝作为电子媒介体的稳定性。以循环伏安方式考察电极表明，电极信号在测试期间没有明显的降低，极大的提高了基于普鲁士蓝传感器的稳定性。同时，该复合膜表现出对普鲁士蓝催化底物过氧化氢的高催化活性，最低检出限达到80nmol/L，灵敏度为2274μA/mol*cm2，电极的响应速度小于3s，表现出令人满意的响应性能。
　　 最后，在基于电沉积与自组装交替使用的技术路线基础上，本论文构筑了可以高灵敏度检测人体肿瘤标志物癌胚抗原(CEA)的免疫传感器。进一步优化了电极上含有电子媒介体纳米复合膜的构筑过程，对固定抗体的免疫电极的最外层也做了优化探讨，有效地将抗CEA抗体固定在电极表面。在优化电极的构筑与检测相关参数的基础上，对肿瘤标志物CEA实现了高灵敏度检测，检出限达到0.8ng/ml。此方法综合了电沉积与自组装方法各自的优点，构筑过程容易控制、电极重现性也令人满意，有效地规避了纯手工组装电极的耗时费力的特点，同时又保留了自组装技术提供有序多层膜的优势，有效的在电极表面固定了电子媒介体并保持其高度的稳定性。制备的免疫传感器具有高灵敏度、低检测限和低成本等优势。因此，本论文基于该策略构筑新型免疫传感器展示了电沉积与自组装交替技术在发展新型生物传感器应具有较好的应用前景。