基于纳米材料电化学传感器的构建以及对过氧化氢的分析检测

摘要

过氧化氢（H2O2）是细胞在正常代谢过程中不断产生并且消耗的一类活性氧分子（ROS）。作为生命体生理活动的重要物质，活细胞中微痕量H2O2的灵敏、原位监测对于理解其生物学效应以及阐明各种疾病的生理和病理过程起着至关重要的作用。但对于复杂的实际样品中表达量极低的生物小分子和本身比较活泼、难以捕获信号的活性分子的分析检测仍然面临巨大的挑战。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功能化处理，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。另外，选择合适的导电基底能够进一步改善生物相容性，扩大其应用范围。因此，本文针对敏感的电化学传感界面设计了三种纳米材料，构建了具有高灵敏度、高稳定性以及优良生物相容性的电化学传感平台，实现了对H2O2的快速实时分析检测。具体研究工作如下：　　①本研究采用水热法以及后续的退热处理，构建了还原氧化石墨烯（rGO）原位生长的CuCo2O4（CuCo2O4/rGO），该纳米复合材料不仅具有由二维（2D）纳米片组成的独特的三维（3D）哑铃状形貌，能够提供较大的表面积和较高的电导率，而且具有类过氧化物酶活性，其中二元过渡金属成分的协同作用还可有效增强该复合材料的电催化性能。因此CuCo2O4/rGO修饰电极对H2O2表现出极佳的催化活性，其灵敏度高至320.31μAmM-1cm-2，在30-5010μM的线性范围内的检测限低至80nM。该CuCo2O4/rGO/GCE传感电极已成功用于实时检测从活细胞释放的H2O2，说明制备的CuCo2O4/rGO在监测活细胞关键病理过程中具有较大的潜能。　　②基于还原氧化石墨烯的双金属纳米复合材料具有较低的检测限，但是繁琐的制备过程影响到传感器的重现性。本章采用简单的搅拌法制备了负载在三维石墨烯（3DG）上的Cu-hemin MOF（Cu-hemin MOF/3DG）。血红素（Hemin）是铁卟啉化合物，具有类过氧化物酶活性，其作为有机配体能够支撑和延伸金属-有机框架材料（MOFs）的三维空间结构。Cu-hemin MOFs/3DG/GCE传感电极对H2O2的特异性检测表现出良好的催化活性，线性范围宽至10-24410μM，灵敏度为207.34μAmM-1cm-2，检测限低至0.13μM。该无粘合剂电化学传感器结构显示出原位检测活细胞释放H2O2的能力，并且证明药物诱导细胞释放H2O2是一种剂量依赖行为。为了模拟细胞生长环境，本章进一步在旋涂了Cu-hemin MOFs/3DG的氧化铟锡导电玻璃（ITO）上培养细胞，从而实现细胞在正常生长条件下实时监测其释放的H2O2分子。这种细胞原位生长监测，更加直观反映了细胞受胁迫时释放出的目标分子，更具有临床应用价值。　　③考虑到氧化铜及其衍生物对细胞有一定毒性。本章在合成G-四联体（G4）的同时掺入Hemin（Hemin-G4），再通过化学沉积法负载了均匀的金纳米颗粒（AuNPs），以此构建了导电性和生物相容性良好的Hemin-G4/Au/GCE传感电极和活细胞直接生长的自支撑Hemin-G4/Au/ITO水凝胶传感电极，并对细胞释放的H2O2进行快速、高灵敏的实时分析检测。该Hemin-G4/Au综合了水凝胶良好的生物相容性以及Hemin优异的催化活性，为细胞生长提供了有利的微环境。结果表明，基于两种导电基底构建的电化学传感平台对H2O2检测的线性范围分别为10-11410μM（GCE）和10-15410μM（ITO），对应的检测限分别为0.67μM和0.65μM，灵敏度高至314.33μAmM-1cm-2（GCE）和322.22μAmM-1cm-2（ITO），其中细胞粘附生长在Hemin-G4/Au/ITO表面且状况良好。这种细胞原位生长在电极表面的监测方式，减少了H2O2从细胞到电极表面的衰减，缩短了H2O2与传感界面的扩散距离，大大提高了该传感器的灵敏度，在细胞活动及其代谢产物的连续动态监测中具有巨大的应用潜力。

目录

中英文缩略词

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 过渡金属及其化合物复合材料

1.2.3卟啉衍生纳米材料

1.3.1 生物活性小分子检测的意义与方法

1.3.2电化学过氧化氢传感器的检测原理

1.3.3 电化学纳米传感界面的构建

1.4 本论文的研究目的以及主要研究内容

1.4.1 本论文的研究目的

1.4.2 主要研究内容

2 基于还原氧化石墨烯负载CuCo2O4构建的电化学传感器对过氧化氢的检测

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器设备

2.2.2 CuCo2O4/rGO 纳米复合材料的制备

2.2.3 CuCo2O4/rGO/GCE 传感器的制备

2.2.4 CuCo2O4/rGO复合物的物理性质表征以及电化学性能测试

2.2.5 细胞培养及实时检测癌细胞释放的H2O2

2.3 结果与讨论

2.3.1 CuCo2O4/ rGO 纳米复合物的形貌特征及晶体结构表征

2.3.2 CuCo2O4/rGO修饰电极的电化学行为研究

2.3.3 CuCo2O4/rGO修饰电极对H2O2的计时电流响应

2.3.4 CuCo2O4 / rGO复合材料电极的选择性、稳定性和重现性研究

2.3.5 活细胞释放H2O2分子的实时检测

2.4 本章小结

3 基于Cu-hemin MOFs/3DG 构建的电化学传感器对过氧化氢的实时检测

3.1引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器设备

3.2.2 Cu-hemin MOFs/3DG 纳米复合物的制备

3.2.3 Cu-hemin MOFs/3DG/GCE和Cu-hemin MOFs/3DG/ITO 电极的制备

3.2.4 Cu-hemin MOFs/3DG 复合物的物理性质表征以及电化学性能测试

3.2.5 细胞培养以及实时检测癌细胞释放的H2O2

3.3 结果与讨论

3.3.1 Cu-hemin MOFs/3DG 纳米复合物的形貌特征及组成成分表征

3.3.2 Cu-hemin MOFs/3DG 纳米复合物对H2O2的催化性能研究

3.3.3 Cu-hemin MOFs/3DG 修饰电极对H2O2的计时电流响应

3.3.4 Cu-hemin MOFs/3DG/GCE复合材料电极的灵敏度、选择性和稳定性研究

3.3.5 Cu-hemin MOFs/3DG/GCE 以及活细胞原位生长的 Cu-hemin MOFs/3DG/ITO传感电极的 H2O2原位实时检测

3.4 本章小结

4 细胞生长的自支撑水凝胶传感平台对过氧化氢的实时高灵敏检测

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂及仪器设备

4.2.2 Hemin-G4水凝胶的制备

4.2.3 制备Hemin-G4/Au/GCE和Hemin-G4/Au/ITO水凝胶传感电极

4.2.4 Hemin-G4/Au的物理性质表征以及电化学性能测试

4.2.5 Hemin-G4/Au/GCE 和细胞生长的 Hemin-G4/Au/ITO 传感电极原位实时检测癌细胞释放的H2O2

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 Hemin-G4/Au纳米复合材料形貌及组成成分表征

4.3.2 Hemin-G4/Au/GCE和Hemin-G4/Au/ITO的电化学行为

4.3.3 Hemin-G4/Au/GCE和Hemin-G4/Au/ITO水凝胶电极对H2O2的计时电流响应

4.3.4 Hemin-G4/Au/GCE和Hemin-G4/Au/ITO水凝胶电极的选择性，重现性和稳定性研究

4.3.5 Hemin-G4/Au/GCE 以及活细胞原位生长的 Hemin-G4/Au/ITO 传感电极的 H2O2原位实时检测

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间研究成果：

B．作者在攻读硕士学位期间参与科研项目：

C．学位论文数据集

致谢