基于功能化納米材料增敏效應的電化學傳感界面的構筑與研究.pdf

1、電化學生物傳感器是一種將電化學分析與生物技術研究相結合而發(fā)展起來的一門學科。是將具有分子識別能力的生物活性材料(如酶、抗體等)與物理化學換能器有機組裝而成。在生物傳感器的研制過程中,生物敏感元件的固定方法和同載材料的選擇尤為重要。基于此,本文致力于新型的復合納米材料用于酶和免疫傳感界面的構建以及固酶技術等方面進行了一系列探索性的研究。具體研究工作如下:
　　 1.基于氨基端基有機硅納米球功能化的普魯士藍為媒介的葡萄糖生物傳感器的

2、研究
　　 在介體型酶生物傳感器的研制過程中,電子媒介體易從電極表面滲漏到測試底液中,造成電化學信號不穩(wěn)定,從而影響測定的穩(wěn)定性和靈敏度,已成為制約其發(fā)展的瓶頸。為解決這個問題,電子媒介體-普魯士藍(PB),被有機硅納米球保護起來,形成有機硅納米球功能化的普魯士藍(OSiFPB),通過增加PB的分子量和包埋的方法來防止其滲漏。該材料兼具PB的電化學性質,呈現(xiàn)出良好的氧化還原特性。以此為電化學探針,來跟蹤指示傳感器制備過程中界面的

3、電化學特征以及葡萄糖催化反應的進程。并結合比表面積大、吸附力強、生物親和性好等優(yōu)點的正電荷納米金(PGNs),構建了PGNs/OSiFPB復合膜修飾葡萄糖氧化酶(GOD)的葡萄糖生物傳感器。PGNs的引入不僅使GOD牢固的固定在電極表面,并且還可以很好的保持酶的生物活性。同時也起到了納米導線的作用,加快OSiFPB在氧化還原過程中電子轉移的速率。該傳感器具有穩(wěn)定性佳、靈敏度高的優(yōu)點,實現(xiàn)了對葡萄糖快速、靈敏的測定。
　　 2.基

4、于合金功能化的硅納米纖維和凝集素-糖蛋白為復合固載基質的擬雙酶葡萄糖生物傳感器的研究
　　 通過化學合成的方法解決媒介體滲漏的方法有效,但是合成步驟較繁瑣。為了簡化試驗程序,設計了一種具有獨特的電學和光學特性的有機半導體材料——氨基化的苝四甲酸(PTC-NH2),直接覆蓋在PB的表面,形成結構鑲嵌、穩(wěn)定性好的有機-無機氧化還原復合膜(PTC-NH2/PB)。同時,合成了一種全新的納米復合物——金鉑合金功能化的硅納米纖維(GP-S

5、NFs)為電極增敏材料,并組裝在表面含有豐富氨基官能團的PTC-NH2表面。然后通過GP-SNFs強的表面作用力將半刀豆球蛋白A(Con A)捕獲住電極表面,最后,結合凝集素-糖蛋白高的特異性吸附作用將葡萄糖氧化酶(GOD)固定在電極上。該傳感器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、線性范圍寬、檢測限低等特點。該工作具有二個特點:一是PTC-NH2/PB復合膜氧化還原活性強,導電性好,且比表面積大、表面活性位點多等優(yōu)點,是一種極佳的電極修飾材料;

6、二是由于GP-SNFs大的比表面積。提高了蛋白酶的負載量,同時為酶的固定提供了良好的微環(huán)境,保持酶的生物活性,所以提高了生物傳感器的響應性能;三是從酶的固定方法考慮。采用了凝集素-糖蛋白特異性識別的方法對GOD進行固載,形成一層定向有序復合膜,這種固定方法更好地維持了酶的三維空間紿構,使酶分子較好的保持原有的構型。
　　 3.基于鉑納米顆粒負載的碳納米管和糖蛋白-凝集素特異作用構建葡萄糖生物傳感器的研究
　　 基于直接電

7、催化的第三代生物傳感器。無需引入電子媒介體,故無需考慮其滲漏對樣品造成污染的問題。但是由于氧化還原蛋白和酶的反應活性中心深埋在分子內部,難以和電極表面進行直接電子傳輸。合成了一種導電性優(yōu)良的納米鉑負載碳納米管的雜化材料(Ptnano-CNTs),扮演“分子導線”的角色,并結合層層自組裝(LBL)技術和凝集素-糖蛋白特異性吸附作用將GOD固定在電極表面,成功地實現(xiàn)了GOD的直接電子傳輸。研究結果表明,幾種物質的協(xié)同作用使得蛋白質分子在保持

8、良好生物活性和電化學活性的同時,還提高了氧化還原蛋白質與電極之間的電子交換速度,從而制備具有高靈敏度、低檢測限和高穩(wěn)定性的葡萄糖生物傳感器。
　　 4.基于葡萄糖氧化酶的直接電子轉移為媒介的無試劑電流型CA15-3免疫傳感器的研究
　　 在傳統(tǒng)的電化學免疫傳感器構建中,大多需引用電子媒介體作為組裝和檢測進程中的跟蹤試劑,但是其存在造成步驟繁瑣、污染樣品和信號不穩(wěn)定等缺點?；诖?利用GOD自身電子轉移產生的氧化還原峰為電

9、化學探針,來實現(xiàn)直接對CA15-3抗原分子的定量檢測，設計了一種真正無試劑無媒介型的免疫傳感器。將碳納米管用有機硅納米球分散,制得殼聚糖納米球包覆的功能化碳納米管復合材料(CNTs-OrgSi@CS)為電極基底。同時,采用鉑納米簇(Pt NCs)來增加界面的導電性,由于其粒徑和酶的大小很接近,更能接近酶的氧化還原中心,極大地提高了酶與電極之間的電子轉移速率,增加響應的靈敏度。在Pt NCs/CNTs-OrgSi@CS納米復合膜的協(xié)同作用

10、F,GOD產生了一對對稱性好、可逆性強、電流值大的氧化還原峰。然后,將CA15-3抗體通過Pt NCs連接在GOD的表面,我們以這對氧化還原峰為跟蹤電信號,來考察不同濃度的抗原捕獲上去的電流值的變化,進而來實現(xiàn)對抗原的定量檢測。另外,使用GOD為封閉劑,封閉免疫電極上的非特異性吸附位點,并同時利用GOD的生物催化放大作用放大響應電流信號,進一步提高免疫傳感器靈敏度的新方法。經實驗研究證明,該方法操作簡單,切實可行,與常規(guī)的方法相比,該免

11、疫生物傳感器更靈敏、穩(wěn)定、清潔、綠色。
　　 5.基于"Click"化學和磁性金納米殼協(xié)同作用的超靈敏葡萄糖生物傳感器的應用研究
　　 致力于酶固定方法的研究。"click"化學,其反應具有較高立體選擇效和高控制性,常用于有機或醫(yī)藥合成試驗中。本研究中將"click"化學作為酶的固載技術,并用于傳感器的制備過程。為了進一步提高傳感器的靈敏度,合成了磁性金納米殼(Au@Fe3O4)為修飾電極的增敏材料,并嫁接在新型的碳材料

12、石墨烯表面,然后和離子液體.殼聚糖溶液混合(ILs-CS-Gra-Au@Fe3O4)。借助"click"化學,在Cu(Ⅰ)的催化作用下,將疊氮化的ILs-CS-Gra-Au@Fe3O4和炔基化的GOD進行"click"反應,構建了高靈敏的葡萄糖生物傳感器。通過"click"化學,實現(xiàn)了對酶蛋白的成功固載。此方法反應條件溫和,能夠很好的保持酶的生物活性并增加酶的固載量和牢固性,成功的實現(xiàn)了酶自身的直接電子轉移過程。較之傳統(tǒng)的固定方法而言,