无酶型电化学传感器的构筑及其应用

青岛科技大学研究生学位论文 无酶型电化学传感器的构筑及其应用 摘 要 本论文分为四部分，第一、第二、第三部分通过利用电沉积、重氮化 偶联反应和电化学预处理法，实现了普鲁士蓝和硫堇两种电子媒介体的固定，分别构筑了无酶葡萄糖传感器和过氧化氢电化学传感器；第四章利用石墨烯掺杂的碳糊电极，制备了一种新型抗坏血酸传感器。 1、 第一部分基于硼酸 二羟基的特异性结合，构筑 灵敏无酶葡萄糖电化学传感器。将普鲁士蓝（ 金纳米粒子（ 沉积到金电极表面，形成 进一步提高传感器的灵敏度，通过聚多巴胺的儿茶酚基团非电镀方法在 位生成的 供固定位点，通过 成稳定的五元环硼酸酯结构并通过 稳定性以及 好的重现性和稳定性、线性范围宽和检测限低。测定葡萄糖的线性范围为 107 105 M，检测限为 108M。 2、第二部分基于重氮偶联反应共价固定硫堇（ 子到 4展了一种新型的电化学传感平台。 而可以灵敏的检测过氧化氢（ 。由于 堆积作用和叠氮键的作用，共价固定的 最优化的实验条件下，该无酶无试剂电化学传感器对 性范围为 106 103M，检测限为 107M。该方法为更多电子媒介体固定提供了一种通用的方法，在电化学传感器、生物传感器和电分析领域具有广阔的应用前景。3、第三部分通过恒电压活化玻碳电极（ 位产生 出了一种新型有效共价固定 察了 面的应用。该传感器对 性范围为 107 M 103 M，检测限是 107 M。此方法具有非常重要的意义，为进一步研究对电子媒介的有效固定奠定了基础。 4、第四部分首次将石墨烯和碳糊混合制备石墨烯掺杂碳糊电极（ 。与传统 于石墨烯具有优良的导电性，石墨烯掺杂 N)63/4中有良好的电化学响应。石墨烯掺杂 检测，其显示了优良的催化氧化能力，如过电位低、电流响应显著和灵敏度高I 无酶型电化学传感器的构筑及其应用 等优点。在优化的实验条件下，该传感器对性范围为 107 104M，检测限为 108M。 关键词： 无酶传感器；电沉积；过氧化氢；石墨烯 岛科技大学研究生学位论文 F in of on of by ), ) ). A on in . A on to uPB on to be To of a on uPB by of in on uS ,2to a by B to of as as 107 105 M a 108 M 2. A by of by by h to a A of h in 酶型电化学传感器的构筑及其应用 to of h a h a 2 s a 106 103 M a 107M. of is to be as a of in 3. A of h in on in by of it a h of h in it 2 s. 107 103 M a 107M. 4. of an of PE e(3/4to of PE of it an A a A a A s a 107 104 M a 108M. 目 录 第一章 引言 .感器的研究 . 传感器的发展 . 传感器的分类 .化学传感器的原理及分类 .体传感器 .子传感器 . 生物传感器 . 电化学酶生物传感器 .酶生物传感器的发展 .生物传感器的原理及结构 .固定化的方法 .生物传感器的优缺点 .酶电化学传感器 .子媒介体电化学传感器 . 电子媒介体的分类 .子媒介体的性质 .子媒介体的固定 .米材料电化学传感器 . 碳纳米材料的发展 . 碳纳米材料的性质 . 碳纳米材料在电分析领域的应用 . 立题依据 .于苯硼酸 二羟基构筑无酶型葡萄糖传感器的研究 . 引言 .验部分 . 试剂 .器和设备 . 电极预处理及B 纳米复合物的制备 . 的制备 . 萄糖的结合 .感器的电化学表征 .果与讨论 . 葡萄糖电化学传感器的制备原理 . 纳米复合物的形貌表征 . 葡萄糖电化学传感器的电化学表征 . .扰实验 .感器的重现性和稳定性 .清样本中葡萄糖的检测 .章小结 .考文献 .于重氮化 偶联反应共价固定硫堇构筑过氧化氢电化学传感器的研究 . 引言 .验部分 . 试剂 .器及设备 . 4固定 . 结果与讨论 . .感器的电化学表征 . . 传感器对. 传感器的重现性和稳定性 .章小结 .考文献 .于西弗碱反应共价固定硫堇构筑过氧化氢电化学传感器的研究 . 引言 .验部分 . 试剂 .验仪器 .极预处理和固定 . 结果与讨论 . 传感器的制备原理 . 传感器的电化学表征 . 和应用电位的影响 . 传感器对. 重现性和稳定性 .章小结 .考文献 .五章 基于石墨烯掺杂的碳糊电极构筑抗坏血酸传感器的研究 .言 .验部分 . 试剂 . 仪器与设备 . 石墨烯掺杂碳糊电极的制备 .果与讨论 . 石墨烯的表征 . 石墨烯/ 石墨的质量比对碳糊电极的影响 . 电化学表征 . 石墨烯掺杂的碳糊电极对 电化学催化 . 对传感器响应的影响 . 测定 . 传感器的重现性、稳定性和再生性 . 干扰和实际样品的测定 .章小结 .考文献 .论 .谢 .读硕士学位期间发表的学术论文 .岛科技大学研究生学位论文 第一章 引 言 传感器是一种从外界获取信息的装置，是人类感官功能的弥补和延长，是能感受规定的被测量的信息，并将按照一定规律转换成可用信号的装置，满足信息传输、处理、存储、显示和记录等要求。半个多世纪以来，传感器的发展突飞猛进。我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，目前最常用的传感器分为化学传感器和物理传感器，化学传感器是通过将化学物质浓度变化转换为电信号表达出来，从而进行检测的仪器。化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。化学感器主要是识别系统和传导或转换系统两部分组成。识别系统是将待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。化学传感器技术的发展，丰富了仪器分析、分析化学，已经形成独立的学科领域。而电化学传感器是化学传感器中一个重要的分支，也是目前研究最多、应用最为广泛的化学传感器。它具有分析速度快、操作简易和仪器价格低廉、稳定性好、在复杂的体系中能进行快速在线连续监测等特点，能广泛应用于基础研究、生物、临床化学和诊断、农业和畜牧兽医、化学分析、军事、过程控制与检测、环境监控与保护等领域，成为现代社会不可或缺的重要分析工具，自问世以来得到迅速发展，成为当今世界研究的焦点1 1906年 后由德国的F. 哈伯等人制成的第一种离子选择性电极来测量4。从 19世纪40年代起，科学研究中就已经开始用酶作为分析试剂来检测特定的物质。 1962年， 第一次提出将酶与电极结合来测定底物的设想，在氧电极的基础上提出设计葡萄糖生物传感器的原理。 1967年， 报道了酶的固定化技术，并研制出世界上第一支葡萄糖酶生物传感器，标志着以氧为中介体的第一代生物传感器的诞生。1975 年，公司首次成功地将葡萄糖酶传感器市场化。自此以后，生物传感技术的新进展不断的走向市场化应用，并且 一举带动了生物传感器的研发热潮，许多其它生物功能物质7继应用到生物传感器中。 1980年， 1开创了离子敏场效应晶体管的研究新领域，第一次成功研制出检测青霉素的酶场效应晶体管生物传感器（将生物传感与微电子技术相结合，为生物传感器在医学领域的在线测定的应用奠定了 基础，也为生物传感器的多功能化、全固态化、集成化和微型化开辟了一条新的途径。 化学修饰电极的兴起与整个化学学科特别是电 化学的研究密切相关。化学1无酶型电化学传感器的构筑及其应用 修饰电极已经成为当前电化学领域的研究热点，研究者通过对电极表面分子的修饰，可按意图给电极预定功能，以便在电极上有选择地进行预期反应，在分子水平上实现了电极功能的设计，其中电化学传感器占多数。目前研究较多是电化学生物传感器，一般可分为催化型生物传感器和亲和性生物传感器两类，前者是利用酶的转移性和催化性。然而，由于氧化还原酶与电极表面很难实现直接电子转移，而媒介体具有优良的电子转移能力，所以媒介体的参与很容易在酶的氧化还原活性位点和电极之间产生电化学信号。然而，在中性环境中需要保持酶的活性12，导致了对材料的选择和操作条件提出了更高的要求。因此，探索和应用更有效的电子传递媒介体，开发更有效的稳定固定化媒介体的新方法，构筑电化学无酶传感器是这一领域的发展方向。 感器的研究 感器的发展 半个世纪以来，传感器技术的发展极为迅速。 三十年代，出现了氯化锂湿度传感器；四十年代，热敏电阻器的出现，并应用于热工仪表技术；五十年代，光敏元件应用在飞行器和人造卫星领域；六十年代，随着集成电路的出现，传感器作为自动机械的五官；七十年代，微处理技术和大规模集成电路的发展，传感器已经开始深入到各个领域；从八十年代起，掀起了“传感器热” ，各个先进工业国都很重视其研究。进入九十年代后，由于计算机处理信息的范围日益扩大，特别需要适合其输入的传感器。 感器的分类 目前常用的传感器分为物理传感器和化学传感 器，化学传感器根据原理可分为：（1）电化学传感器，（2）光化学传感器，（3）热化学传感器。 化学传感器的原理及分类 电化学传感器主要是用来测定目标分子或物质 的电学和电化学性质以便用来进行定性或定量的分析检测。 按照输出信号不同，电化学传感器可以分为： 电流型传感器、电位型传感器和电导型传感器。 按照检测的物质不同，电化学传感器可以分为 ：气体传感器、离子传感器和生物传感器。 2青岛科技大学研究生学位论文 体传感器 电化学气体传感器以体积小、检测快速、准确 、便于携带、可实时监测和连续检测等优点，受到人们的普遍重视。电化学气体传感器通过与被检测的气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号进行工作。典型的电化学气体传感器由工作电极和对电极组成，并由一个薄电解层膜隔开。电化学气体传感器可以分为接触燃烧型气体传感器、半导体气体传感器和固体电解质气体传感器等13。近年来，有害气体的大量排放，电化学 气体传感器的研究成为了人们关注的热点14。 子传感器 离子选择性电极也称膜电极，这类电极有一层 特殊的电极膜，电极膜对离子具有选择性响应，电极膜电位与 待测离子含量符合能斯特公式15。 这类传感器选择性好、平衡时间短，是电位分析法用得比较多的指示电极。 物传感器 电化学生物传感器是一种分析检测装置，是将生物材料（如微生物、组织、细胞器、细胞受体、天然产物、抗体、酶、核酸等） 、生物衍生材料（如工程蛋白、细胞抗体、核酸适体等）或仿生材料（如组合配体、合成催化剂、分子印迹聚合物等）紧密结合到生化转换器或转换微系统（电化学、光、压电、热、微机械、磁）上。经二次仪表放大输出，便可测出待测物的浓度，传感器的结构通常由两部分组成，一是生物分子识别元件（感受器），是指将一种或多种相关的生物活性材料固定在传感器表面（也称生物敏感膜）；二是把生物活性表达的信号转换为光、声、电等信号的物理和化学换能器，二者结合起来，用自动化仪表和现代微电子技术进行生物信号的再加工，构成可以使用的生物传感器分析装置。原理如图 1示。 图1生物传感器的基本原理示意图 1of of 电化学生物传感器根据生物活性材料的不同，分为酶传感器、免疫传感器、微生物传感器、组织传感器、光导纤维生物传感器、 感器、分子印迹生物传感器等。 （1）酶传感器 3无酶型电化学传感器的构筑及其应用 电化学酶传感器是众多生物传感器中研究最早应用范围最广的一种16,17，是生物传感器中的典型代表。酶传感器是将通过物理、化学信号转化器捕捉目标物与敏感基元反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，以达到对目标物定量测定的目的。酶传感器利用酶作为生物敏感基元，在生化反应中起催化作用，使糖类、醇类、腺苷等生物分子，在室温下快速分解或氧化，反应过程中消耗或者产生的化学物质可通过转换器转变为电信号被记录。与传统的传感器相比，酶传感器有以下优点： （ 1）选择性高； （ 2）重复性好； （ 3）响应快速；（4）体积小；（5）成本比较低。 （2）免疫传感器 免疫传感器是用免疫物质（抗原或抗体）作为 分子识别元件的电化学生物传感器18,19。临床上常用反辐免疫法来检验各种抗原和抗体，但需要的仪器药品价格昂贵，放射性废物处理比较麻烦。利用抗原与抗体之间特异性作用，研制免疫传感器已经获得初步的成功。免疫传感器具有极高的选择性和灵敏度。主要应用在以下几个方面：（1）检测食品中的毒素和细菌；（2）检测 3）检测残留的农药；（4）毒品和滥用药物的检测。 （3）微生物传感器 微生物传感器是通过微生物活细胞或细胞碎片 作为分子识别元件而构筑的生物传感器20微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。主要应用在发酵工程和环境监测两个领域。 （3）组织传感器 组织传感器是在酶电极基础上发展起来的 ，它以动植物组织代替纯酶作为生物催化材料，具有电极寿命较长、制作简单、酶源丰富等优点。自从 1979 年次将猪肾切片组织覆盖在氨气 敏电极上制备测定谷氨酰胺传感器以来，组织传感器的研究十分活跃，因此在开发应用和理论研究上具有很大的发展前景。 （4）光导纤维生物传感器