無機納米材料、溶膠凝膠材料在電化學(xué)生物傳感器中的研究.pdf

1、生物傳感技術(shù)是一個由生物、化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)、物理等多種學(xué)科相互滲透形成的研究領(lǐng)域。生物傳感器具有選擇性高、分析速度快、操作簡易和儀器價格低廉等特點，在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)等方面得到了高度重視和廣泛應(yīng)用。開發(fā)穩(wěn)定的、能夠保持生物活性的固載材料來實現(xiàn)氧化還原蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)是非常必要的。本論文以介孔材料、層狀材料以及離子液體基溶膠凝膠材料作為蛋白質(zhì)載體構(gòu)建了穩(wěn)定性良好的電極，并對其性質(zhì)及其在第三代生物傳感器的應(yīng)用方面做了研究。具體

2、內(nèi)容如下： (1)以層狀鈦酸鹽剝離的二氧化鈦片為重構(gòu)層狀材料的前體，基于帶負電荷的二氧化鈦納米片和電正電荷的HRP分子的靜電組裝，成功地構(gòu)建了HRP-TNS酶電極。XRD結(jié)果表明HRP以單分子層的方式嵌入到二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)中。嵌入到二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)中的HRP不僅保持了自身的天然構(gòu)像并且能夠和電極之間實現(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移。此外，HRP-TNS電極對H<,2>O<,2>表現(xiàn)出很好的催化性能，能夠檢測2.1×10<'-6>到1.85×10

3、<'-4>M濃度范圍內(nèi)的H<,2>O<,2>。HRP-TNS電極具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。使用二氧化鈦片作為蛋白質(zhì)的載體構(gòu)建生物傳感器，為制備出新穎的生物傳感器提供了一種方法和途徑。 (2)基于前期使用二氧化鈦片制備固載HRP的層狀材料并成功構(gòu)建了第三代生物傳感器的研究，使用Mb與二氧化鈦片進行組裝，形成Mb嵌入的層狀二氧化鈦的復(fù)合物(Mb-TNS composite)修飾電極。高分辨透射電鏡和X射線衍射實驗表明Mb是以單分子層

4、形式嵌入到二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)中的。紫外可見光譜和紅外光譜實驗表明嵌入的Mb仍然保持了其天然構(gòu)像。循環(huán)伏安技術(shù)研究了嵌入在二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)中的Mb在電極表面上的直接電子轉(zhuǎn)移行為，并詳細地討論了固載的Mb與電極表面電子轉(zhuǎn)移的可能機理。相對于其他的Mb修飾電極，Mb-TNS電極對過氧化氫的催化具有寬的濃度檢測范圍(2×10<'-6>到1.6×10<'-4> M)，很低的檢測限(0.6μM)，很小的米氏常數(shù)(137μM)，這些都說明Mb-TNS電

5、極對過氧化氫具有優(yōu)良的電催化性能。層狀材料對于固載于其中的生物分子具有很好的保護作用，本論文使用電化學(xué)方法考察Mb-TNS電極的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性)。實驗結(jié)果表明，Mb-TNS電極在pH 2.2的高酸性條件下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對H<,2>O<,2>的電催化：Mb-TNS電極在85℃的高溫下加熱20分鐘后仍然保持了其92％的原始活性。 (3)通過雙孔徑介孔硅(BMS)和殼聚糖雜化膜來固載Hb成功構(gòu)建了Hb/BMS/CS電極。H

6、b/BMS/CS電極在除氧的pH 7.0的PBS緩沖溶液中于-0.32 V(vs.Ag/AgCl)處表現(xiàn)出可逆的氧化還原峰，對應(yīng)于血紅蛋白中鐵原子與電極表面間的直接電子轉(zhuǎn)移過程。相對于不存在BMS的Hb/CS電極，Hb/BMS/CS電極對H<,2>O<,2>表現(xiàn)出更明顯的直接電化學(xué)信號，這表明BMS的存在能夠促進Hb的直接電子轉(zhuǎn)移行為。此外，相對于不存在BMS的Hb/CS電極，Hb/BMS/CS電極表現(xiàn)出更好的電化學(xué)催化性能，如寬檢測范

7、圍，低檢測限，高靈敏度。由此，表明這與BMS的雙孔徑結(jié)構(gòu)有關(guān)，即BMS大于Hb尺寸的大孔結(jié)構(gòu)為Hb提供了高固載量和適宜的微環(huán)境，有利于多層Hb參與直接電子轉(zhuǎn)移過程，同時，BMS小于Hb尺寸的小孔結(jié)構(gòu)為H<,2>O<,2>提供了"傳輸通道"，有利于H<,2>O<,2>在膜內(nèi)的擴散。 (4)基于離子液體的獨特性質(zhì)和溶膠凝膠工藝的特點，將離子液體與溶膠凝膠通過簡單的物理混合，制備了物理包埋[BMIM][BF<,4>]離子液體的溶膠凝膠

8、修飾電極([BMIM][BF<,4>]/Oel/Au)；通過[PMIM][PF<,6>]離子液體硅烷化試劑，將[PMIMI[PF<,6>]離子液體共價修飾到凝膠骨架上，制備了共價[PMIM][PF<,6>]離子液體基溶膠凝膠修飾電極([PMIM][PF<,6>]-Oel/Hb/GC)。本論文分別對這兩種離子液體基溶膠凝膠修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)作了研究，發(fā)現(xiàn)相對于裸Au電極，F(xiàn)e(CN)<,6><'3+>在[BMIM][BF<,4>]/Ge

9、l/Au電極上峰位負移，并且在多圈掃描條件下，電極上有普魯士藍生成；相對于裸GC電極，F(xiàn)e(CN)<,6><'3->在[PMIM][PF<,6>]-Gel/GC電極上的氧化還原被明顯的抑制了。使用循環(huán)伏安技術(shù)以及光譜技術(shù)，對[BMIM][BF<,4>]/Gel/Au、[PMIM][PF<,6>]-Gel/Hb/GC電極表現(xiàn)出的電化學(xué)行為作了解釋。此外，本論文還嘗試了以共價[PMIM][PF<,6>]基溶膠凝膠(BMIM][PF<,6>]