碳纳米复合材料传感界面的构建以及对生物活性分子电分析研究

摘要

生物活性小分子作为生命体生理活动的重要物质，在生物体的生理和病理过程中具有重要的调控作用。传统的分析技术已经不能满足目前广泛的分析对象，复杂的目标体系以及更加快捷准确的分析结果等需求。特别是针对活性氧/活性氮（ROS/RNS）类活性小分子，由于其本身的活泼性，具有信号不容易捕捉的特点，针对抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）和尿酸（UA）生物小分子其检测信号容易相互干扰等特点。随着纳米材料的发展，电化学传感分析技术在过去的十几年中得到了快速的发展。通过纳米技术进行电极表面工程处理，可以构建更加灵敏以及抗干扰能力强的多功能电分析传感界面，实现快速检测和生物活性分子的多组分同时测定。因此，本文合成并设计了多种功能纳米材料协同作用的纳米敏感传感界面，构建了具有生物相容性和特异性催化的电化学生物活性分子检测平台，实现了高选择性和灵敏度的检测，并深入探讨了其催化机理。具体研究工作如下：　　（1）基于三维石墨烯气凝胶(3DGA)，通过电沉积纳米金粒子（AuNPs）构建电化学生物传感界面实现氧化还原蛋白细胞色素c（Cyt c）在玻碳电极（GCE）表面的直接电子转移用于H2O2检测。AuNPs均匀的分布在3DGA的三维多孔结构中， AuNPs可吸附固定Cyt c，多孔结构为Cyt c提供了良好生物兼容性的微环境，这两种具有良好导电性和生物相容性的材料协同作用实现了Cyt c在电化学中直接电子转移。研究结果表明，该3DGA-AuNPs/Cyt c/GCE对H2O2具有良好的电催化活性，其对H2O2的检测灵敏度为351.57 μA·mM-1·cm-2，检测限为1.1 μM，检测线性范围为10-740μM。Cyt c与电极之间直接的电子传输说明3DGA-AuNPs纳米复合材料的界面设计可以为蛋白建立理想的接触界面，暴露其电活性中心，改善蛋白质与电极之间快速的直接电子传递。　　（2）基于氧化还原蛋白修饰的电化学传感器具有较高的灵敏度，但是蛋白质易受环境的影响使所制备传感器的稳定性下降。本研究合成特异性催化纳米仿生酶超小Fe3O4纳米粒子包覆于3DG（Fe3O4/3DG）构建了一种非酶 H2O2传感器。纳米Fe3O4颗粒具有类过氧化物酶的功能，通过简单的水热法可以合成超小尺寸的Fe3O4纳米颗粒，其尺寸为5-7 nm。3DG可以负载Fe3O4纳米粒子防止团聚沉淀，增加稳定性，同时增加电子速率，提高传感器的灵敏度。通过TEM表征超小Fe3O4纳米粒子均匀的分散在3DG的表面网状结构中。Fe3O4/3DG@GCE传感器对H2O2表现出良好的催化活性，其检测灵敏度为274.15 μA·mM-1·cm-2，其检测限为0.78μM, 线性检测范围为0.8-334.4 μM。该Fe3O4/3DG@GCE传感器结构设计合理，展现出较低的检测限，以及良好的选择性和稳定性。通过控制细胞数量和刺激药物剂量，Fe3O4/3DG纳米复合物显示出良好的原位检测活细胞释放活性氧H2O2的能力。　　（3）采用水热合成法和高温煅烧法制备由聚多巴胺（PDA）调控合成的N掺杂碳纳米管（CTNs）修饰Fe3O4（N-CNT/ Fe3O4）的复合纳米材料。N掺杂有助于提高了碳纳米复合材料的电化学性能。PDA 可以在 CNTs 表面氧化自聚合，从而改善了CNTs水分散性，同时PDA独特的分子结构含有丰富的含氧基团和含氮基团能促进Fe3O4均匀地沉积在CTNs表面。高温煅烧之后的PDA层有效的调节了石墨碳结构。通过XPS分析元素化学态存在形式发现了高温煅烧可以有效地将吡啶氮和石墨氮掺杂材料到石墨结构中。研究发现在煅烧之前，其复合材料PDA-CNT/Fe3O4经过磷酸盐浸泡之后，可防止在煅烧过程中出现烧结现象。实验结果证明，经过浸泡，煅烧过程之后得到的N-CNT/Fe3O4纳米复合材料对H2O2检测灵敏度有很大的提高，其检测灵敏度为316.27 μA·mM-1·cm-2，检测限为0.304μM，线性检测范围为0.006-2.057 mM。此研究工作在材料的表面改性方面具有很广泛的适用性。　　（4）本研究构建了细胞生长的石墨烯纸基自支撑传感电极及其对H2O2和NO的双功能信号快速实时检测平台。通过模板法制备石墨烯纸基（rGP）电极, 然后通过两步电沉积得到具有电催化活性的 AuPt/PANI/rGP 传感界面。该AuPt/PANI/rGP 自支撑传感电极对H2O2和NO同时表现出良好的电催化性能并且具有较高的检测灵敏度，该AuPt/PANI/rGP对H2O2检测线性范围为10-930 μM和1.13-5.63 mM，对应灵敏度分别是392.22 μA·mM-1·cm-2和155.81 μA·mM-1·cm-2，检测限为0.675 μM。AuPt/PANI/rGP电极对NO检测线性范围为0.36-437.2 μM，灵敏度为112.00 μA·mM-1·cm-2，检测限为65.7 nM。等离子体表面改性之后，由于石墨烯碳材料和AuPt纳米粒子良好的生物相容性，细胞在其上能够粘附生长并且状态良好。这种细胞原位生长监测，能够与活细胞密切接触，缩短了活性分子与电极之间的扩散距离，更加灵敏及时的实时监测细胞分泌H2O2和NO，提高了传感电极的精确性。　　（5）采用简单的水热法和煅烧法合成表面有一层碳包覆的二硫化钼纳米管（MoS2 NTs）。MoS2 NTs修饰电极可以实现AA、DA和UA的多组分同时测定。本研究内容通过理论计算和实验相结合的方式，首次基于密度泛函理论（DFT）结合计算氢电极（CHE）模型对AA、DA、UA的电氧化机理进行研究。SEM和TEM表征我们所合成的MoS2 NTs是由超薄MoS2纳米片结构组成。MoS2 NTs@GCE可以实现AA、DA、UA氧化峰电位有效分离，实现对这三种物质的同时检测。通过CV表征确定三中分子在MoS2 NTs表面催化氧化是两电子-两质子参与转移的过程。采用CHE模型，通过理论计算每步失电子-质子后的据布斯自由能的变化，确定了三种分子在MoS2NTs表面氧化的难易程度为从难到易为UA＞DA＞AA，对应的氧化电位从高到低的顺序为UA＞DA＞ AA。通过差分脉冲伏安法（DPV）测定MoS2NTs@GCE传感器对AA、DA、UA单独检测的线性范围分别为0.8-1200 μM， 0.3-70 μM，5-950 μM，检测限分别为0.44μM，0.13μM，0.83 μM。AA、DA、UA的同时检测线性范围分别是1-400 μM,0.5-40 μM，5-535 μM，检测限分别为0.39μM，0.11 μM，1.5 μM。并且该传感器具有较强的抗干扰性以及良好的稳定性。在实际尿液样本检测中，电化学方法和 HPLC 方法之间没有显著性差异，表现出良好的回收率。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 电化学传感中常用电极修饰材料

1.2.1碳纳米材料

1.2.2导电聚合物材料

1.2.3过渡金属化合物纳米复合材料

1.3生物活性分子分析检测研究现状

1.3.1生物活性小分子概述及检测研究意义

1.3.2生物活性分子检测的国内外研究现状

1.4.1电化学纳米传感界面的构建

1.4.2生物分子检测中电催化作用机理研究

1.4.3纳米电分析技术在生物活性小分子检测中的挑战

1.5.1本论文的研究目的

1.5.2主要研究内容

1.5.3论文的创新点

2 基于三维石墨烯/纳米金构建细胞色素c直接电化学传感器对过氧化氢的检测研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 3DGA-AuNPs/Cyt c/GCE电极的制备

2.2.3修饰电极的表征以及电化学测量方法

2.3 结果与讨论

2.3.1修饰电极的物理表征

2.3.2 Cyt c在修饰电极中的电化学行为表征

2.3.3 3DGA-AuNPs/Cyt c/GCE实验条件优化

2.3.4 3DGA-AuNPs/Cyt c/GCE的计时电流响应

2.3.5实际样本分析

2.4 本章小结

3 三维石墨烯负载四氧化三铁纳米复合材料电极对过氧化氢的实时检测研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂和仪器

3.2.2 Fe3O4/3DG纳米复合物的制备

3.2.3 Fe3O4/3DG@GCE传感器的制备

3.3.4 Fe3O4/3DG复合物的物理性质表征以及电化学性能测试

3.2.5 细胞培养及实时检测活细胞释放的H2O2方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 Fe3O4/3DG纳米复合物的形貌特征及晶体结构表征

3.3.2 Fe3O4/3DG纳米复合物对H2O2的催化还原性能

3.3.3 Fe3O4/3DG复合材料电极的灵敏度、选择性和稳定性研究

3.3.4实时检测活细胞释放H2O2分子应用研究

3.4 本章小结

4 聚多巴胺调控的四氧化三铁/氮掺杂碳纳米管纳米催化剂及其对过氧化氢催化还原行为的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂和仪器

4.2.2N-CNT/ Fe3O4纳米复合物的制备

4.2.3 N-CNT/Fe3O4复合材料电极的制备

4.2.4 N-CNT/Fe3O4复合物的物理性质表征以及电化学性能测试

4.2.5 细胞培养以及细胞释放 H2O2的原位检测

4.3 结果与讨论

4.3.1 N-CNT/Fe3O4纳米复合物的形貌特征及组成成分表征

4.3.2 N-CNT/Fe3O4纳米复合物对H2O2的催化性能研究

4.3.3 聚多巴胺调控的不同复合材料修饰电极的灵敏度的比较

4.3.4N-CNT/ Fe3O4复合材料电极的选择性、重复性和稳定性研究

4.3.5N-CNT/ Fe3O4纳米复合材料电极对活细胞的实时监测

4.4 本章小结

5 构建细胞生长的石墨烯纸基自支撑传感电极及对过氧化氢和一氧化氮的双信号快速实时高灵敏检测

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂和仪器

5.2.2自支撑柔性石墨烯纸基电极的制备

5.2.3电沉积AuPt/PANI/rGP传感电极的制备

5.2.4自支撑传感电极的物理性质表征以及电化学性能测试

5.2.5自支撑传感电极表面改性与细胞生长

5.3 结果与讨论

5.3.1自支撑传感电极形貌及组成成分表征

5.3.2自支撑传感电极的电化学行为表征

5.3.3 AuPt/PANI/rGP传感电极对H2O2和NO的催化氧化还原性能

5.3.4 AuPt/PANI/rGP对H2O2的计时电流响应

5.3.5 AuPt/PANI/rGP对NO的计时电流响应

5.3.6 AuPt/PANI/rGP传感电极的选择性和重现性研究

5.3.7 活细胞生长的纸基传感电极的H2O2和NO的原位实时检测

5.4 本章小结

6 二硫化钼纳米管修饰电极同时电催化氧化抗坏血酸，多巴胺，尿酸的检测研究以及其催化机理研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 试剂和仪器

6.2.2 MoS2 NTs的制备与表征

6.2.3 MoS2 NTs修饰电极的制备及电化学性能测试

6.2.4 电氧化催化机理计算方法与模型

6.2.5 实际样本传感电极与HP LC分析方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 MoS2 NTs的形貌特征及晶体结构表征

6.3.2 MoS2 NTs修饰电极对AA、DA、UA 的电催化行为研究

6.3.3 pH对AA、DA、UA电催化氧化性能的影响探究

6.3.4 MoS2 NTs电催化氧化密度泛函理论机理研究

6.3.5 MoS2 NTs传感电极对AA、DA、UA单独和同时差分脉冲伏安检测

6.3.6 传感电极的干扰性和稳定性研究

6.3.7 构建的传感电极与HP LC方法对实际样本的分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间研究成果

B 作者在攻读博士学位期间参与科研项目

C 学位论文数据集

致谢