几种无机/有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究
目 录
学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书 ................................................................. I 摘 要 ....................................................................................................................................... II Abstract .................................................................................................................................... III 第1章 绪 论 ........................................................................................................................ 1 1.1 电化学传感器 .................................................................................................................. 1 1.1.1 电化学生物传感器 ................................................................................................... 1 1.1.2电化学酶生物传感器 ................................................................................................ 2 1.2 纳米材料 .......................................................................................................................... 4 1.2.1 纳米材料及其分类 ................................................................................................... 5 1.2.2纳米材料结构体系 .................................................................................................... 5 1.2.3纳米材料在电化学生物传感器中的应用 ................................................................ 7 1.3 本研究论文的构想 .......................................................................................................... 8 第2章 基于聚丙烯酸网状物原位组装双金属纳米粒子构建过氧化氢传感器 .............. 10 2.1 前言 ................................................................................................................................ 10 2.2 实验部分 ........................................................................................................................ 11 2.2.1试剂与仪器 .............................................................................................................. 11 2.2.2 金电极表面的处理 ................................................................................................. 11 2.2.3 聚丙烯酸/双金属纳米颗粒传感界面的制备 ........................................................ 11 2.2.4 H2O2的响应检测 ..................................................................................................... 12 2.3 结果与讨论 .................................................................................................................... 12 2.3.1实验条件优化 .......................................................................................................... 12 2.3.2 SEM表征 ................................................................................................................. 13 2.3.3 修饰电极对H2O2 的电催化性能 ......................................................................... 14 2.4 小结 ................................................................................................................................ 17 第3章 基于羟基磷灰石纳米阵列的氰化物电化学生物 .................................................. 18 3.1 前言 ................................................................................................................................ 18 3.2 实验部分 ........................................................................................................................ 19 3.2.1 试剂与仪器 ............................................................................................................. 19 3.2.2 羟基磷灰石纳米阵列的制备 ................................................................................. 19 3.2.3 酶传感界面的制备 ................................................................................................. 19 3.2.4 电化学检测 ............................................................................................................. 20 3.2.5 氰化物的抑制率方程 ............................................................................................. 20
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3.2.6 氰化物的实际测定 ................................................................................................. 20 3.3 结果与讨论 .................................................................................................................... 20 3.3.1 羟基磷灰石纳米阵列的SEM表征 ....................................................................... 20 3.3.2 传感界面的电化学表征 ......................................................................................... 21 3.3.3 氰化物的抑制响应 ................................................................................................. 22 3.3.4 实验条件优化 ......................................................................................................... 23 3.3.5 氰化物传感器的性能分析 ..................................................................................... 25 3.4 小结 ................................................................................................................................ 27 第4章 基于铁氰化钴纳米颗粒/碳纳米管的葡萄糖电化学生物传感器 ......................... 28 4.1 前言 ................................................................................................................................ 28 4.2 实验部分 ........................................................................................................................ 28 4.2.1 试剂与仪器 ............................................................................................................. 28 4.2.2 金种的制备 ............................................................................................................. 29 4.2.3 CNT的处理 ............................................................................................................. 29 4.2.4 传感界面的制备 ..................................................................................................... 29 4.3 结果与讨论 .................................................................................................................... 30 4.3.1 不同修饰电极的形貌表征 ..................................................................................... 30 4.3.2 传感界面电化学特性 ............................................................................................. 31 4.3.3 葡萄糖传感器的性能分析 ..................................................................................... 34 4.4 小结 ................................................................................................................................ 35 结 论 ...................................................................................................................................... 36 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 37 附录A 攻读学位期间发表及完成的学术论文目录 .......................................................... 49 致 谢 ...................................................................................................................................... 50
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第1章 绪 论
1.1 电化学传感器
电化学传感器是指通过电极检测体系中化学反应发生时所引起的电信号变换，从而根据处理数据来检测某类别特定材料的分析装置。理想的电化学传感器可以连续、可逆的对样品信号作出反应且对样品本身不产生影响。电化学传感器的发展可以追溯到20世纪50年代，当时的美国职业安全与健康管理局研制了最早的电化学传感器用于检测工厂操作车间内的易燃有毒气体。离子选择性电极在20世纪80年代之前，一直在化学传感器家族中占有重要地位。直到80年代中期，随着生物技术与其他传感技术的发展，摆脱了传统电极束缚的新型生物传感器才逐渐发展起来。如今，由于具有易操作性、高度选择性、高灵敏度等优点，电化学传感器在食品安全、环境检测、医学工程和生物技术等领域展开了较广泛的实际应用[1-3]。
电化学传感器的检测对象多种多样，包括重金属离子、生物成分、气体分子、固态化学等，其中又属电化学生物传感器最为热门。下面我们就电化学生物传感器的类型与作用进行详细讨论。
1.1.1 电化学生物传感器
电化学生物传感器是一种结合了生物特异性识别与电化学分析的传感器，它主要通过检测生物反应过程中产生的与待测物浓度相关的电信号或信号变化来达到分析检测待测物的目的[4]。其发展始于1962年，当时的L.C.Clark[5]将含有葡糖糖氧化酶的膜与电极相结合，研究制备了第一支酶电极，用于葡萄糖的检测。
除了电化学生物传感器以外，生物传感器还包括质量传感器、光化学传感器和热量传感器。质量传感器通过测量生物元件与待测物发生特异性结合时所导致质量的改变来实现检测，仪器本身要求高并且检测对象有限。光化学传感器是根据光的散射、折射、偏振与干涉等现象结合生物元件所设计出来的一类传感器，其测定仪器较复杂，技术要求较高。热量传感器则是通过测定生化反应过程的温度变化来判断反应的量，易产生误差且响应时间长。
与这三类传感器相比较，电化学生物传感器具有许多显著的优点：首先，它结构简单，对检测仪器的要求不高，因此具有携带简便、成本低廉的优点；其次，它的灵敏度高，甚至已达到或超过目前许多最为灵敏的生物测定方法；再次，电化学分析方法选择性好，可以直接测定较为复杂的样品；最后，它可以实现实时快速监测，操作简便，易于智能化、小型化。
拓宽电化学传感器的应用范围近年来成为了学者研究的热点，例如它在神经科学领
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域中得到了越来越多的重视[6-8]。因此，对于电化学传感器相关的研究工作仍然方兴未艾。根据敏感元件所使用生物材料的不同，电化学生物传感器可以分为电化学酶传感器、电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学微生物传感器等等。
1.1.2电化学酶生物传感器
在各种类别的电化学生物传感器中，电化学酶生物传感器是研究得较早、用得较多且比较成熟的一类。目前，电化学酶生物传感器已成功用于醇类、糖类、激素、氨基酸和有机酸等多种成分的测定。
1.1.2.1 电化学酶生物传感器的原理及分类
酶是生物体内产生的、具有高度专一性和高效催化活性的一类蛋白。酶的高度专一性使其在分析化学上可应用于对酶的底物、抑制剂、催化剂以及酶本身的测定。酶生物传感器主要利用酶在生化反应中的特殊催化作用，当酶浸入被测溶液时，待测底物进入酶层的内部与之反应，产生或消耗一种能被电极识别测定的物质，待反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电流或电位的方式进行测定。电化学酶生物传感器是基于固定酶与氧化还原电极、气敏电极和离子选择性电极等电化学电极组合而成的生物传感器，具有酶的选择催化、分子识别等特性以及响应迅速、灵敏度高、线性范围广、操作简便以及仪器易于微型化、集成化等优点。
电化学酶生物传感器根据检测信号的不同可以分为三类：电流型酶传感器、电位型酶传感器和电导型酶传感器。电流型酶传感器是利用固定在电极表面上的酶对酶底物的催化作用，产生可在电极上氧化或还原的组分，以获得电流信号[9-12]。电位型酶传感器是基于离子选择性电极的原理而发展起来的，固定到电极表面的酶对相应底物进行催化，产生离子型物质，从而引起指示电极电位的改变，电位的变化关系遵循Nernst方程[13]。电导型酶传感器是利用酶催化底物反应，引起反应体系中离子浓度及种类的变化，进而改变溶液的导电性，响应信号即溶液电导率[14,15]。其中，电流型酶传感器是目前研究和应用较广的一种酶传感器，具有线性范围广、检测下限低、响应速度快等优点。同时，样品中的电活性物质如尿酸、对乙酰氨基酚、抗坏血酸等也容易形成对它的干扰。 1.1.2.2 电化学酶生物传感器的发展
自1967年Hicks和Updike [16]用聚丙烯酰胺凝胶固定葡萄糖氧化酶成膜继而和氧电极组装在一起，研制出世界上第一支葡萄糖生物传感器以来，各种类别的电化学酶生物传感器相继问世。经过近十多年的不断努力，这些研究得到了迅速发展。
电化学酶生物传感器的性能是由导电基质和酶的催化活性中心之间的电子交换速率决定的。由于酶活性中心和电极间保持有一定的距离，依据不同的电子传递机理，电化学酶生物传感器的发展主要经历了三个阶段，即以氧作为媒介体的第一代酶生物传感器[17-20]，以二茂铁等人工合成物作为媒介体的第二代酶生物传感器以及利用酶自身与电
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极间的直接电子转移的第三代酶生物传感器[21-27]。
（一）第一代酶生物传感器
第一代酶生物传感器是以氧为媒介体的电催化，它由固定了酶的非活性基质膜与电化学电极构成。这里以葡萄糖氧化酶催化葡萄糖为例进行说明：
酶层 GODox + glucose →gluconolactone + GODred GODred + O2 → GODox + H2O2 电极 H2O2 → O2 + 2H+ + 2e
反应后氧的浓度减小，H2O2的浓度增大，于是可以通过分析氧的消耗量或产物H2O2浓度的变化来检测底物的浓度。所不足的是，该类生物传感器在测量时会受到诸多外部环境因素的干扰，使其测量的灵敏度和准确度不够理想。
（二）第二代酶生物传感器
第二代酶生物传感器采用小分子的电子传递媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。
酶层： GODox + glucose ? gluconolactone + GODred 修饰层： GODred + Mox? GODox + Mred 电极： Mred ? Mox + ne
酶一般都是生物大分子，由于其氧化还原活性中心被包埋在酶蛋白分子里面，它与电极表面间的直接电子传递难以进行。电子媒介体的引入克服了这一缺点。在1984年，Anthony Cass博士[28]首次报导了关于介体酶电极的研究，标志了第二代酶生物传感器的研究拉开了序幕。电子媒介体是指能将酶反应过程中产生的电子从酶活性中心转移到电极表面，从而使电极产生相应电流变化的分子导电体。使用电子媒介体作为酶促反应的受体，克服了电极对氧的依赖性，同时由于工作电位受媒介体的氧化电位决定，使用低电位的电子媒介体，可以避免来自其他电活性物质的干扰[29-34]。
近十年来，电子媒介体得到了迅速发展，可以使用的媒介体种类也越来越丰富。根据作用机理的不同可主要分为两类：(1) 含有过渡金属元素的配合物或化合物，通过过渡金属的价态变化来传递电子。(2) 通过分子中的特殊官能团的结构变化来传递电子的化合物。这些化合物的相同点在于含有大π键的环以及与环相连的双键，这些双键容易打开且再形成。常见的此类电子媒介体有二茂铁及其衍生物、钌及其衍生物、铁氰酸盐、有机导电盐、有机染料等。实际使用过程中，媒介体的扩散导致离开电极表面或媒介体的部分溶解影响了这类传感器的寿命和稳定性。可喜的是，此类传感器可不受测定体系的限制，具有浓度测量线性范围较宽、检测电位较低、灵敏度高、干扰较少等优点。
（三）第三代酶生物传感器
第三代酶生物传感器是指在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递制备的酶传感器。
酶层：GODox + glucose ? gluconolactone + GODred
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