新型葡萄糖生物傳感器的構(gòu)筑、機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、葡萄糖是動植物體內(nèi)碳水化合物的主要組成部分，葡萄糖的定量測定在臨床化學(xué)、生物化學(xué)和食品分析中都占有很重要的地位，葡萄糖的分析與檢測方法一直是研究的熱點之一。隨著人們生活水平的提高和老年人口的增加，糖尿病發(fā)病率呈上升趨勢，已成為僅次于心血管病和癌癥的第三大危險疾病，其診斷和治療已成為了醫(yī)學(xué)界面臨的重大課題。因此，快速、準(zhǔn)確、方便地檢測血糖含量，從而有效地對糖尿病進(jìn)行監(jiān)測和治療變得越來越重要。之前，人們已經(jīng)為葡萄糖的檢測做出了很多重要的研究

2、。
　　 在已有檢測方法中，生物傳感器由于具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、操作簡便等優(yōu)點，在各種檢測方法中扮演著重要的角色。它的工作原理是基于對固定在特定載體上的葡萄糖氧化酶(GOx)催化氧化葡萄糖時產(chǎn)生的過氧化氫電流的檢測。因此，葡萄糖氧化酶的固定化是傳感器制備過程中最關(guān)鍵的步驟之一。
　　 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于1-100納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米材

3、料具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，并由此產(chǎn)生出許多特殊性質(zhì)。由于納米材料特有的光、電、磁、催化等性能，引起了凝聚態(tài)物理界、化學(xué)界及材料科學(xué)界的科學(xué)工作者的極大關(guān)注。因此，納米材料在太陽能電池、催化、電子信息技術(shù)及傳感器材料等方面有著深入的研究和廣闊的應(yīng)用前景，其中傳感器是納米材料可能利用的最有前途的領(lǐng)域之一。納米材料奇異的特性，使得生物傳感器的靈敏度、檢測限和響應(yīng)范圍等性能指標(biāo)得到了很大的提升。納米材料為生物傳感

4、器的發(fā)展帶來了新的契機(jī)，創(chuàng)造了更為廣闊的空間。
　　 本論文通過鏈接反應(yīng)(Click Reaction)、聚酰胺胺(PAMAM)和聚多巴胺膜對葡萄糖氧化酶進(jìn)行固定化，并利用水熱法合成了樹葉狀CuO納米材料、ZnO/Au復(fù)合納米材料和納米WO3，并將其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的研究與應(yīng)用。通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X-射線衍射光譜、電子衍射光譜和紫外可見分光光度法對合成的納米材料形貌和組成進(jìn)行表征，利用循環(huán)伏安法、交流阻抗

5、、安培檢測法等對葡萄糖的含量進(jìn)行了檢測和分析。在本論文中，葡萄糖生物傳感器的穩(wěn)定性，酶的活性都得到了很大提高，對葡萄糖的檢測也實現(xiàn)了高靈敏度和低檢測限。基于酶與電極間直接電子傳遞的電流型生物傳感器能夠簡單直接地獲取信號，本論文對GOx與納米材料間的直接電子傳遞行為進(jìn)行了考察，探討了納米材料對GOx直接電子傳遞行為的影響，并對葡萄糖氧化酶/納米WO3修飾的玻碳電極(GCEFWO3/GOx/Nafion)檢測葡萄糖的機(jī)理進(jìn)行了討論。在此研究

6、的基礎(chǔ)上研制和開發(fā)了無創(chuàng)血糖儀。本論文共分為八章：
　　 第一章、緒論
　　 本章內(nèi)容主要包括葡萄糖檢測技術(shù)的現(xiàn)狀、葡萄糖生物傳感器的發(fā)展、酶固定化技術(shù)的研究、納米材料的制備及其在葡萄糖生物傳感器的應(yīng)用與發(fā)展。文中簡單介紹了葡萄糖檢測方法的研究與進(jìn)展；葡萄糖生物傳感器的分類和發(fā)展；酶固定化技術(shù)的最新研究成果，重點描述酶固定化可以解決的一些問題；納米材料的分類、性能和制備，著重闡述了納米材料的水熱合成及其應(yīng)用。
　　

7、 第二章、基于鏈接反應(yīng)固定的葡萄糖氧化酶及其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的研究本章利用鏈接反應(yīng)(Click Reaction)將功能化的葡萄糖氧化酶(GOx)固定于金納米粒子(AuNPs)表面，并將其應(yīng)用于葡萄糖的檢測研究。Cu(Ⅰ)催化疊氮化合物與末端炔基形成碳亞二胺，該反應(yīng)條件溫和、選擇性強(qiáng)。實驗表明，AuNPs具有良好的生物兼容性，能夠有效地促進(jìn)電子傳遞，修飾了AuNPs的酶傳感器，響應(yīng)速度快(<0.5 s)，線性范圍寬(5μM-1.

8、82mM，R2=0.9990)，最低檢測限低(0.5μM，S/N=3)，穩(wěn)定性好；鏈接反應(yīng)固定的GOx有良好的酶動力學(xué)響應(yīng)，其表觀米氏常數(shù)(KMaPP)為4.0 mM。
　　 第三章、超聲條件下合成的 PAMAM-Au復(fù)合納米材料及其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的研究本章在超聲輻射條件下合成了第四代的聚酰胺胺(G4，PAMAM)/金納米粒子(AuNPs)復(fù)合納米材料，并將其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的修飾。實驗結(jié)果表明，PAMAM/AuN

9、Ps修飾的葡萄糖傳感器對葡萄糖的檢測具有良好的電流響應(yīng)，靈敏度高(2.9 mA/mM/cm2)，響應(yīng)時間短(小于5s)，線性范圍為0.1-15.8μM(R2=0.9988)，最低檢測限為0.05μM(S/N=3)，與鏈接反應(yīng)固定的葡萄糖生物傳感器相比具有更高的靈敏度及更低的檢測限。固定在傳感器上的葡萄糖氧化酶(GOx)具有良好的酶動力學(xué)響應(yīng)，其表觀米氏常數(shù)(KMapp)為2.7 mM。該傳感器的高靈敏度，良好的重現(xiàn)性及穩(wěn)定性使得該方法有

10、著很好的應(yīng)用前景。
　　 第四章、仿生聚多巴胺-金納米粒子復(fù)合膜修飾的葡萄糖生物傳感器的研究本章利用仿生聚多巴胺膜并結(jié)合金納米粒子構(gòu)建了一種反應(yīng)條件溫和、儲存時間長、穩(wěn)定性好的葡萄糖生物傳感器。由于仿生聚多巴胺膜對基底電極的驚人結(jié)合力及其良好的生物親和性與電活性，并結(jié)合金納米粒子的“電子通道”作用，不僅實現(xiàn)了葡萄糖氧化酶分子在電極表面的大量而高活性的固定化，而且能促進(jìn)電子在酶活性中心和電極表面間的快速傳遞。結(jié)果表明，該傳感器對葡

11、萄糖的檢測靈敏度高、線性范圍寬、檢測限低(0.1μM)；固定在傳感器上的葡萄糖氧化酶具有良好的酶動力學(xué)響應(yīng)，其表觀米氏常數(shù)(KMapp)為1.5 mM。
　　 第五章、樹葉狀CuO納米材料修飾電極對葡萄糖的快速安培檢測本章制備了一種基于樹葉狀CuO修飾的電化學(xué)生物傳感器用以快速檢測葡萄糖。這種由水熱法單步合成的樹葉狀CuO納米顆粒，用X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行表征以研究其形貌和

12、尺寸。在最優(yōu)化實驗條件下，樹葉狀CuO修飾的葡萄糖生物傳感器對葡萄糖的檢測具有寬的線性范圍(1.0-170μM)、短的檢測時間(5s)、良好的穩(wěn)定性(3個月后仍保持90％的活性)、低的檢測限(0.91μM)和高的靈敏度(246μA/mM/cm2)。該方法的特點是傳感器制備方法簡單，在葡萄糖的臨床檢測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　 第六章、ZnO/Au復(fù)合材料的合成、性能表征及其應(yīng)用于葡萄糖的檢測研究本章采用水熱合成的方法制備了氧

13、化鋅納米棒，結(jié)合金納米粒子合成了氧化鋅/金(ZnO/Au)復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于葡萄糖的檢測研究。通過透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外可見吸收光譜(UV-vis)和X射線衍射(XRD)對合成的ZnO/Au復(fù)合材料的形貌和組成進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明，ZnO/Au修飾的葡萄糖生物傳感器(GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion)對葡萄糖的檢測顯示出良好的電化學(xué)性能，具有線性范圍寬(0.1-33.0μM，R2=0.9

14、924)，響應(yīng)時間短(小于5 s)和最低檢測限低(10 nM)。該方法的特點是靈敏度高和檢測限低。
　　 第七章、GCE/WO3/GOx/Nafion電極對葡萄糖的電催化反應(yīng)本章采用水熱合成的方法制備了WO3納米材料，通過透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外可見吸收光譜(UV-vis)和X射線衍射(XRD)對合成的納米WO3的形貌和組成進(jìn)行表征。并將其應(yīng)用于GOx固定和對葡萄糖的電化學(xué)檢測。研究結(jié)果表明，吸附

15、在WO3表面的GOx能進(jìn)行可逆的直接電化學(xué)反應(yīng)，其速率常數(shù)是3.6 s-1，表明WO3是GOx電化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)劑。吸附在WO3表面的GOx能保持對葡萄糖氧化的生物電催化活性。而且電極對葡萄糖的檢測顯示出良好的電化學(xué)性能，具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。
　　 第八章、無創(chuàng)血糖儀的研制與開發(fā)本章根據(jù)電化學(xué)原理及葡萄糖的性質(zhì)，結(jié)合復(fù)合納米材料的特殊性能，研制開發(fā)了基于電化學(xué)傳感器的無創(chuàng)血糖分析儀。該儀器小型化設(shè)計、攜帶方