基于碳納米管及離子液體增敏效應的電化學生物傳感器：研制、表征與應用.pdf

1、電化學傳感器采用電極作為換能元件，具有便攜、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，被分析化學工作者寄予厚望。電化學生物傳感器由生物材料作為敏感元件，以電勢、電導(電阻)或電流為特征榆測信號，具有高度選擇性，是快速、直接獲取復雜體系組成信息的理想分析工具。以納米結構材料為媒介體，通過對生物分子或電極進行修飾，設計新穎的、功能化的納米仿生界面進行生物界面與電極之間的信息轉換的研究己遍布整個生物電化學研究領域并值得人們進一步付出更多的努力。

2、 碳納米管(CNTs)具有比表面積大、電荷傳遞能力強、吸附性好、生物相容性好和催化能力強等優(yōu)良特性。室溫離子液體(RTILs)不但可用作溶劑，又可作為支持電解質，具有電化學窗口寬、能促進電子傳遞、高離子導電性和良好的生物相容性等特點。特別是，RTILs與CNTs的結合有利于它們電分析化學優(yōu)異特性的進一步發(fā)揮，為新型電化學傳感器和電化學生物傳感器的制備展現(xiàn)了美好前景。 本論文所作研究工作的重要目的是高靈敏度、高實用性電化學傳感

3、器和電化學生物傳感器的制備與應用。其中提高常用電極的電分析化學性能是實驗的基礎目標。為此，CNTs被用作修飾電極的材料或者被用來制備陣列電極。結合RTILs的電分析化學特性，論文還構建了一種可用于超痕量檢測的三明治模式。在以上基礎上，對多種重要分子進行了電化學研究與檢測。 全文包括十個章節(jié)。 第一章為文獻綜述，對研究背景和選題依據(jù)進行綜述。 第二章至第六章的主要內容為脫氧核糖核酸(DNA)在高敏電極上的電化學研究

4、。DNA是生物體內遺傳信息的攜帶者、基因表達的物質基礎，在生物的生長、發(fā)育和繁殖過程中起著十分重要的作用。對DNA的研究是生命科學研究中的一個極其重要的方面。就DNA檢測與分析而言，電化學方法擁有許多方面的優(yōu)勢，比如高靈敏度、低檢測限、快反應速度、低費用、微樣品需求量等?；诟叨褥`敏的修飾電極或CNTs陣列電極，DNA及相關分子的伏安行為得到了研究。在此基礎上，實驗通過兩種途徑對源于轉基因生物的特殊序列DNA片段進行了檢測。 第

5、二章：預處理過的多壁碳納米管(MWNTs)修飾玻碳電極的制備(涂膜法)與表征和脫氧鳥苷三磷酸(dGTP)在修飾電極上的電化學行為及檢測。在修飾電極上dGTP的氧化峰電位較之在裸玻碳電極上負移0.108V；峰電流較之在裸玻碳電極上具有顯著地增加。電子轉移系數(shù)α為0.50。電極反應標準速率常數(shù)ks為0.16s-1。 第三章：構建聚合酶鏈式反應(PCR)與電化學伏安技術相結合的檢測模式用于特殊序列基因研究。以鐵氰化鉀和亞甲基藍(MB)

6、為電化學探針，表征結果表明羧基化短單壁碳納米管(S—SWNTS)修飾玻碳電極具有非常優(yōu)良的電分析化學性能。以之為換能器微分脈沖伏安(DPV)檢測PCR反應前后混合液中游離dGTP的濃度變化，掘結果得到PCR擴增反應是否成功的信息，從而推測出模板DNA中目標基因的存在與否，建立一種低費用、快捷的轉基因生物鑒定模式并應用于轉基因生物實際樣品，所得結果與用凝膠電泳法測定所得結果一致。 第四章：S—SWNTs與疏水性室溫離子液體(RTI

7、L)-1—丁基-3—甲基咪唑六氟磷酸鹽(BMIMPF6)研成膠，修飾在玻碳電極上制備修飾電極S—SWNT&RTIL/GCE。以鐵氰化鉀、抗壞血酸(AA)和MB為電化學探針表征結果表明，該修飾電極具有優(yōu)異的電催化性能和富集效應。單鏈DNA(ssDNA)在其上具有靈敏的伏安響應，于0.532V和0.808V處分別出現(xiàn)鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基的氧化峰。鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基在S—SWNT&RTIL/GCE上的電極反應標準速率常數(shù)k's分別為1.

8、84×10-2 s-1和3.69×10-2 s-1。 第五章：把S—SWNTs與BMIMPF6混合起來制備一種新型糊電極(S—SWNT/ILPE)。與以石蠟為粘合劑制備的S—SWNT糊電極(S—SWNT/oil PE)相比，該新型電極對多種電化學探針都具有更好的電催化活性和富集效應。ssDNA在其上具有非常靈敏的催化氧化伏安響應。利用鳥嘌呤堿基的DPV信號，寡核苷酸的濃度檢測限可達9.9 pmol/L。該電極呵以準確指示出一定濃

9、度范圍內寡核苷酸中鳥嘌呤堿基或腺嘌呤堿基的個數(shù)。 第六章：在活化劑1—乙基-3—(3—二甲基氨丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)和N—羥基琥珀酰亞胺(NHS)存在下，以乙二胺為鏈接劑，羧基化的S—SWNTs被垂直組裝在玻碳電極表面，構建成陣列修飾電極(SWNTE)。基于ssDNA與SWNTs的特殊相互作用機理，探針ssDNA被非共價固定在SWNTE上。鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基都具有靈敏的微分脈沖伏安響應。與互補ssDNA雜交后所形成的

10、dsDNA在負電位等因素的幫助下離開SWNTE，造成鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基的氧化峰電流降低。據(jù)此檢測特殊序列基因片段。通過超聲洗滌，該免指示劑雜交傳感器表面可以很方便地更新，可快捷、靈活地運用于不同靶基因的檢測。 第七章到第十章內容為高靈敏度CNTs修飾電極及三明治檢測法在其它一些與環(huán)境和生命相關的重要分子的研究中的應用。 第七章：以具有寬電化學窗口的疏水性RTIL—BMIMPF6為膜材料，將待檢測的目標物質封在S—SW

11、CNT/GCE的表面，實驗建立了一種三明治結構的電化學伏安檢測模式。該模式具有高的靈敏度、精密度和穩(wěn)定性，對于樣品量較少的痕量檢測尤其具有現(xiàn)實意義。將之應用于AA和多巴胺(DA)的檢測，檢測限分別可低達400fmol和80fmol，且可以用于在大量AA存在的情況下選擇性測定DA。 第八章：研究了鳥嘌呤在S—SWNT/GCE上發(fā)生的電催化氧化特性，根據(jù)其氧化電位對支持電解質溶液的pH值具有靈敏的響應，制備了以鳥嘌呤為指示劑的固體電

12、位型pH傳感器。該傳感器制備簡單、使用方便，在優(yōu)化各種影響因子后，于pH2.0-12.0范圍內具有寬的線性響應。酸堿滴定終點具有較明顯的突躍。 第九章：運用三明治模式把富勒烯C60和富勒烯C60納米管(FNTs)分別封在S—SWCNT/GCE的表面，考察了常溫下該結構在B—R緩沖溶液中的伏安行為，并對富勒烯C60和FNTs的電極過程從機理上進行了推測。此外，基于DNA和FNTs的相互作用，實驗制備了在水溶液中分散性較好的FNTs

13、，將之修飾在GCE表面，進一步研究了FNTs的電極過程機理。該修飾電極在堿性支持電解質中還原后能夠明顯增大DA和AA的氧化峰電位間距，使兩峰能夠完全分開，從而可以在共存時進行選擇性檢測。 第十章：研究了AA在MWNT/GCE上的電催化氧化行為。在pH4.0的B—R緩沖溶液中首次得到AA兩個分離良好的氧化峰。根據(jù)AA分子與表面羧基化的MWNTs柏結合后的電子傳遞性質對AA的兩個氧化峰進行了初步解釋。應用MWNT/GCE對AA以微分