（无机化学专业论文）导电纳米材料在过氧化氢传感器中的应用.pdf

两南大学硕士学何论文 摘要 导电纳米材料在过氧化氢传感器中的应用 无机化学专业硕士研究生马丽萍 指导教师柴雅琴教授 摘要 自从1 9 6 7 年u p d i k 和h i c k s 研制出第一支以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶生物传感器以来， 酶生物传感器由于其方法简单、灵敏度高、选择性好等特点而越来越受到了人们的广泛关注并取得 迅猛的发展。目前，酶生物传感器已用于多种成分的测定。由于h 2 0 2 是很多工业过程的原料或中 间产物，同时也是生物体内许多氧化酶反应的副产物，因而对其含量的测定在食品、工业、临床、 药物和环境分析中具有十分重要的意义并已成为当前研究的热点之一。由于辣根过氧化物酶( n r p ) 和血红蛋白( h b ) 对h 2 0 2 具有高选择性，因此，研制h r p 和h b 生物传感器用于h 2 0 2 含量的测定是 目前最为热门的研究课题。然而，由于酶分子难于固定到电极表面，酶本身易失活且酶分子量大， 酶的活性中心深埋在多肽结构内部，很难发生直接电子传递，因此如何有效的利用生物分子固定技 术及固定材料来保持酶的活性、提高酶的固载量以及加速电子传递速率或直接研制新型的无酶型传 感器是制备性能优良的h 2 0 2 传感器的关键问题和当务之急。基于此，本文主要研究工作如下： 1 以共价法固定硫堇为媒介体的过氧化氢生物传感器的研究 近年来的研究表明，电子媒介体以及纳米金属材料的引入能显著加速电子传输速率、增大生物 分子的同载量以及提高传感器的灵敏度。因此，从引入并增强电子媒介体的稳定性以及增加纳米金 的固定量，进而提高传感器的性能方面考虑，并结合电沉积和吸附法的优点，研制了一种新型的过 氧化氢传感器。首先电聚合一层2 ，6 毗啶二甲酸，使电极表面带上丰富的羧基，从而为电子媒介体( 硫 堇) v a 共价交联法有效的同定到电极表面提供了活化基底。其次，采用被称为“零长交联剂”的活化 齐f j ( e d c 和n h s ) 使聚2 ，6 吡啶二甲酸的羧基与硫堇的氨基发生酰胺反应，从而使硫堇固定到电极表 面。再在制得的硫堇电极表面直接电沉积h a u c h ，使电极表面形成一层纳米金粒子。最后将此电极 吸附辣根过氧化物酶制得h 2 0 2 生物传感器。实验表明，该生物传感器对h 2 0 2 响应的线性范围为9 1 p m o l l - 5 0m m o l l ，检测限为2 6l a m o l l ( s n = 3 ) ，米氏常数为3 1 5m m o l l ，表明所固定的酶具有较 高的生物活性。 2 基于d n a - a g 纳米复合物和p d d a 保护的a u 纳米颗粒为载体的过氧化氢传感器的研究 到目前为j = ，许多材料已经被用来同定酶分子，如：量子点，聚合物，介孔材料和纳米材料等。 i 西南大学硕士学1 ： ) = 论文摘要 而在这些材料中，纳米材料，尤其是功能化的纳米复合材料由于其独特的物理、化学性质而被广泛 的应用在生物传感器的研制中。然而，有些纳米复合材料的导电性并不是很好，从而在一定程度上 降低了传感器的灵敏度和准确度。因此，它们在传感器的应用上受到了很大的限制。我们利用 d n a a g 纳米复合物和p d d a 保护的a u 纳米颗粒共固定h r p ，从而构建出一种新型的过氧化氢 生物传感器。首先将d n a a g * 电化学还原为带负电的d n a a g 。然后通过静电作用力吸附带正电的 p d d a 保护的a u 纳米颗粒，并再次利用同样方法将d n a o a g 修饰到电极上。最后再利用d n a - a g 吸附带正电的辣根过氧化物酶制得过氧化氢生物传感器。由于该法结合了无机导电金属材料( a u ，a 曲 和有机聚合物( p d d a , d n a ) 的优越性能，因此该生物传感器对h 2 0 2 表现出较好的电催化活性。还 原电流与h 2 0 2 浓度在7 0 9 m o l l 到7 8m m o l l 范围内呈现良好的线性关系，检测下限为2 0 p m o l l ( s n = 3 ) ，米氏常数为1 3m m o l l 。此外，该传感器还具有较高的灵敏度和可接受的稳定性。 3 基于普鲁士蓝纳米棒与金纳米链共修饰的电化学传感器的研究 由于酶分子的一些缺陷导致酶传感器存在较差的稳定性和重现性以及具有较低的灵敏度。为了 尽可能的减小或消除这些缺陷，利用化学修饰电极( 即无酶修饰电极) 来实现对过氧化氢的直接电催 化受到了研究者们的广泛关注。这也将成为未来检测过氧化氢的一种趋势。我们选用碳纳米管为模 板合成普鲁士蓝纳米棒( p b m w c n t s ) 作为“人工过氧化物酶”。然后再用壳聚糖将这种“人工过氧 化物酶”( p b m w c n t s ) 固定到金电极上，从而构建出新型的无酶型过氧化氢传感器。由于壳聚糖 的导电性较差，我们将比表面积大、生物相容性好以及导电性强的金纳米链引入到我们的传感器中。 当金纳米颗粒被合成为金纳米链时，它将更有利于形成电子通道，缩短电子转移的有效距离。由于 结合了p b m w c n t s 和金纳米链的优点，实验发现，采用该法构建的传感器不仅具电流响应快， 线性范围宽，检测下限低等优点。而且由于不需要引入酶分子，所以构造步骤相对简单，成本更加 低廉，稳定性和重现性也更加令人满意。 关键词：过氧化氢传感器导电纳米材料有机无机复合物人工过氧化物酶 西南大学硕十学位论文 a b s t r a c t h ：l 皇曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼! ! 曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼量曼曼皇曼皇皇曼 c o n d u c t i v en a n o m a t e r i a l sp p l i e df o r m a t e r ! a i sad - p r e p a r a t i o no f t h eh y d r o g e n p e r o x i d es e n s o r i n o r g a n i cc h e m i s t r y m a s t e rp o s t g r a d u a t e ：l i p i n gm a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a q i nc h a i a b s t r a c t s i n c et h ed e v e l o p m e n to ft h ef i r s tg l u c o s eb i o s e n s o ri n19 6 7b yu p d i ka n dh i c k s ，b i o s e n s o rh a v e r e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na n dm a d em u c hm o r ep r o g r e s sd u et oi t sc o n v e n i e n c e ，h i g hs e n s i t i v i t ya n d s e l e c t i v i t y r e c e n t l y ，e n z y m e 梳e db i o s e n s o r sh a v eu s e dt ot e s tm u l t i a n a l y t e h 2 0 2i sar a wm a t e r i a lo r m i d d l ep r o d u c t i o no fm a n yi n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，a n da no u t g r o w t ho fc a t a l a s e sr e a c t i o n ，s ot h ed e t e c t i o n o fh 2 0 2i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ef o o d ，i n d u s t r i a ls e t t i n g ，c l i n i c a l ，m e d i c i n ea n de n v i r o n m e n t a l a sw e a l lk n o w n ，h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s ea n dh e m o g l o b i n - b a s e de l e c t r o d e sa l eo n eo ft h em o s tc o m m o n l y i n v e s t i g a t e db i o s e n s o r sf o rb i o e l e c t r o c a t a l y t i cr e d u c t i o no fh 2 0 2 ，b e c a u s et h e s ee n z y m e sa r eh i g h l y s e l e c t i v et oh 2 0 2 h o w e v e r , t h ee n z y m em o l e c u l a r sh a v et h ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g e s ：( 1 ) e f f e c t i v e i m m o b i l i z a t i o no fe n z y m et os o l i de l e c t r o d es u r f a c ei sv e r yd i f f i c u l t ；( 2 ) t h ee l e c t r o nt r a n s f e rr a t eb e t w e e n t h ee l e c t r o d ea n dt h er e d o xa c t i v i t yc e n t e ro fe n z y m ei sv e r ys l o wb e c a u s et h er e d o xa c t i v i t yc e n t e ro f e n z y m e ( h r pa n df i b ) i sd e e p l yb u r i e di n s i d ei n s u l a t e dp r o t e i ns h e l l s ；( 3 ) t h ei m m o b i l i z e de n z y m e ( h r p a n dh b ) o nt h es u r f a c eo ft h ee l e c f f o d ei sf a c i l i t a t e dt od e n a t u r eb ym a n yk i n d so ff a c t o r si nt h ea m b i e n t e n v i r o n m e n t ，w h i c hl e a d st os u c hh 2 0 2b i o s e n s o rs u f f e rf r o map o o re 1 1 z y n l ea c t i v i t y ，al o wr e p r o d u c i b i l i t y a n ds t a b i l i t y t h e r e f o r e ，h o wt of i n ds u i t a b l em a t e r i a l sa n dm e t h o d st om a i n t a i nt h ee n z y m ea c t i v i t y ， e n h a n c et h ev o l u m e 、o fi m m o b i l i z e de n z y m e ，a sw e l la st oa c c e l e r a t et h ee l e c t r o nw a l l s f e rr a t eo rt h e d e v e l o p m e n to fan e wt y p eo fn o n - 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p o l y m e r i z e do nt og l a s s yc a r b o ne l e c t r o d es u r f a c e ，a n dt h e nw ec o n c e n t r a t e d i i l 西南大学硕士学位论文a b s t r a c t !- -n 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼 o nc o v a l e n tm o d i f i c a t i o nt h a ti n v o l v e st h ec o u p l i n go ft h ea m i n og r o u p so ft h et h i o n i nt ot h ec a r b o x y l g r o u p so ft h e2 ，6 - p y r i d i n e d i c a r b o x y l i ca c i d ，u s i n gc a r b o d i i m i d er e a c t i o nt h a ts e l e c t i v e l yf o r m sa m i d e l i n k a g e so n l yw i t hc a r b o x y lg r o u p s s u b s e q u e n t l y ，n a n o - a uw a se l e c t r o d e p o s i t e do nt ot h i o n i n - m o d i f i e d e l e c t r o d es u r f a c e 。f i n a l l y ，h e m o g l o b i na sam o d e ls i m u l a t i o ne n z y m ew a sa d s o r b e do nt ot h el l a n o a ul a y e r t oo b t a i nb i o s e n s o rf o rt h ed e t e c t i o no fh 2 0 2 t h ep r o p o s e db i o s e n s o re x h i b i t e df a s ta m p e r o m e t r i cr e s p o n s e t oh 2 0 2 a n dl i n e a rr a n g ew a sf r o m9 1 g m o l lt o5 0m m o l l w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f2 6i m a o l l ( s n = 3 ) t h ea p p a r e n tm i c h a e l i s - 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a ga n dp d d a - a ut oe n t r a ph r p f i r s t ，w ee l e c t r o c h e m i c a l l y r e d u c e dt h ed n a - a g + c o m p l e xt oo b t a i nn e g a t i v e l yc h a r g e di m m o b i l i z a t i o nm a t r i xt oi m m o b i l i z e p d d a - a u 。t h e n , t h es e c o n dl a y e ro fd n a - a gw a sa s s e m b l e do n t ot h em o d i f i e de l e c t r o d eb a s e do nt h e e l e c t r o s t a t i cf o r c ea n de x c e l l e n tf i l m f o r m i n ga b i l i t yo fd n a ，f i n a l l y ，t h ep o s i t i v e l yc h a r g e dh r pw a s a d s o r b e dt i g h t l yo n t ot h ed n a - a gl a y e rt oo b t a i nh y d r o g e np e r o x i d eb i o s e n s o r b e c a u s et h e s ec o m p o s i t e c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fi n o r g a n i cm e t a ls p e c i e s ( a u ，a g ) a n do r g a n i cp o l y m e r ( p d d a ，d n a ) ，t h e r e s u l t i n gb i o s e n s o rs h o w e dal i n e a rr e s p o n s et oh 2 0 2o v e rac o n c e n t r a t i o nr a n g ef r o m7 0j m a o l lt o7 8 m m o l , q _ , w i t had e t e c t i o nl i m i to f2 0 弘m o l l ( s n = 3 ) u n d e ro p t i m i z e dc o n d i t i o n s t h ea p p a r e n t m i c h a e l i s - m e n t e nc o n s t a n tw a se v a l u a t e dt ob e1 3m m o l l t h eb i o s e u s o re x h i b i t e dh i g hs e u s i t i v i t ya n d a na c c e p t a b l es t a b i l i t y p a ni i i ：e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rb a s e do np r u s s i a nb l u en a n o r o d sa n dg o l dn a n o c h a i n s b e c a u s et h ee n z y m eb a s e d s e n s o r e x i s t i n gs o m es h o r t c o m i n g s ，s u c h a s p o o rs t a b i l i t y a n d 西南大学硕十学位论文 a b s t r a c t r e p r o d u c i b i l i t y ，a sw e l la sl o ws e n s i t i v i t y t om i n i m i z eo re l i m i n a t et h e s el i m i t a t i o n s ，c h e m i c a l l ym o d i f i e d e l e c t r o d e sw h i c hn e e d n ta n ye n z y m ea r eg a i 虹n ga ni n c r e a s i n ga t t e n t i o na n dw i l lb e c o m eat r e n dt od e t e c t h 2 0 2 s o ，mt h i sp a r t ，w eu s e dt h em w c n t sa sat e m p l a t et os y n t h e s i z ep r u s s i a nb l u en a n o r o d s ( p b m w c s t s ) t h e nw eu s e dt h ep b m w c n t sa sa n “a r t i f i c i a lp e r o x i d a s e ”t oc o n s t r u c tan e w n o n e n z y m eb a s e ds e n s o rb yu s i n gc h i t o s a n ( c s ) t oi m m o b i l i z et h e mo n t ot h es u r f a c eo ft h eg o l de l e c t r o d e b u tc sh a si t so w ni n h e r e mo b s t a c l es u c ha st h ep o o re l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t h u s ，t of u r t h e ro v e r c o m et h i s p r o b l e m , g o l dn a n o c h a i n sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yi n t r o d u c e df o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h es e n s o r w ea l l k n o wt h a tg o l dn a n o p a r t i c l e sn o to n l yp o s s e s sl a r g e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a , g o o db i o c o m p a t i b i l i t y ，b u ta l s o p o s s e s sg o o dc o n d u c t i v i t y s ow h e nl l l e ya r es y n t h e s i z e dt oas o r to fg o l dn a n o c h a i n s ，t h e yc a l lm a k e p o s s i b l ec o n d u c t i n gc h a n n e l st or e d u c et h ee f f e c t i v ee l e c t r o nt r a n s f e rd i s t a n c ea n dt of a c i l i t a t ec h a r g e w a n s f e r i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ea d v a n t a g e so fp b m w c n t sa n dg o l dn a n o c h a i n si nt h es e n s o rw o u l d r e s u l ti nt h ei m p r o v e m e n to fa n a l y t i c a lp e r f o r m a n c ea n dl o w e rd e t e c t i o nl i m i tf o rh 2 0 2d e t e r m i n a t i o n i n a d d i t i o n ，t h ea b s e n c eo fa n ys t e po fe n z y m ei m m o b i l i z a t i o no n t ot h es u r f a c eo fe l e c t r o d en o to n l yl e a d st oa m o r es i m p l ea s s a ys y s t e m ，b u ta l s op o s s e s s e sl o n g - t e r ms t a b i l i t y ，g o o dr e p e a t a b i l i t ya n dl o wc o s t k e y w o r d s ：h y d r o g e n p e r o x i d es e n s o rc o n d u c t i v en a n o - m a t e r i a l s o r g a n i c i n o r g a n i cn a n o - h y b r i d s a r t i f i c i a lp e r o x i d a s e v 独创性声明 学位论文题目：昱皇绫苤挝盘查过氢焦氢佳蹙墨主煎廑垣 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中己加 了标注。 学位论文作者： 马掰 签字日期：叩年砰月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止)。 学位论文作者签名：弓翮洋 导师签名：燥郗够争 签字e l 期： 知7 年午月饼日 签字日期： 小7 年铲月形日 两南大学硕+ 学何论文 第1 苹 第1 章绪论 生物传感器是近年来兴起的一种新型传感器，自1 9 6 2 年c l a r k 和l y o n s 最先提出 生物传感器的设想以来，距今才4 0 多年，但由于它具有选择性好、灵敏度高、分析速 度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，现已在生物医学、环境检测、食品、医药及军 事医学等领域得到了深度重视和广泛应用。2 1 世纪是生命科学的时代，随着纳米生物 技术和纳米微电子加工技术的出现，无论在原理上还是在加工技术上都将为生物传感器 带来巨大变革。 1 1 生物传感器的概念 生物体的发展与进化是通过与其环境的不断交换和交流来实现的，他们收集到的信 息能够满足其生产与生存的需求。许多微生物具有的独特化学识别能力，使他们能得到 营养物质，远离危险，人类一直梦想用具有同样的工具一生物识别的传感器来观察和了 解其生存环境，首先人们必须模拟自然界，使用自然晃所提供的细胞、组织、蛋白质和 酶等，将可观察的事物转变为可测量的物理量，作为这种生物模拟的结果，这类传感器 被称为生物传感器【。 1 2 生物传感器的结构与工作原理 ； 生物传感器是一种利用生物的因子或生物学原理来检测或计量化合物的装置。它将 分析化学和生物学的技术及方法结合在一起，通常生物传感器都具有共同的结构，一般 由两个主要部分组成：其二是生物分子识别元件，即感受器( 如组织切片、细胞、细胞 器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等) ；其二是信号转换器，即换能器( 如电 化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子体共 振器件等) 。当待测物与分子识别元件特异性结合后，换能器贝i 能把分子识别元件上进 行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光、热等转变为电信号，然后把所得 的电信号经过电子技术的处理后，在仪器上显示或记录下来，从而达到分析检测的目的 【2 ，3 】 o 1 3 生物传感器的特点 由于生物传感器是选用选择性良好的生物材料作为分子识别元件，因此，与传统的 分析方法相比，它具有以下优点：( 1 ) n 定前一般不需要进行样品预处理，它本身具备的 良好选择性可以把样品中被测组分的分离和检测统一为一体。测定时一般也不需另加其 他试剂，从而大大简化测定过程；( 2 ) 敏感材料通常是固定的生物元件，因此可以反复多 次使用；( 3 ) 体积小、响应快、准确度较高、样品用量少，可以便于携带及连续在线检测； ( 4 ) 根掘生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而 两南大学硕十学位论文第1 章 测定范围相当广泛；( 5 ) 与其他功能相当的大型仪器相比，生物传感器的成本低廉，因而 便于推广普及。 1 4 生物传感器的分类 生物传感器依分子识别元件可分为酶传感器、免疫传感器、细胞传感器、微生物传 感器、组织传感器。根据生物传感器的信号转化器( 换能器) 的差异可分为电化学生物传 感器、半导体生物传感器、光学生物传感器、热学生物传感器、声学生物传感器等。由 于电化学换能器具有灵敏度高、易微型化、能在混浊的溶液中操作，且所需的仪器便宜、 简单等优点。因而，在目前所采用的换能器中，研究最多的是电化学生物传感器。电化 学生物传感器又包括电流式、电位式和电导式。依据检测对象的多少又可分为单功能型 和多功能型两类。同时，根据生物传感器生物反应的基本原理，生物传感器可分为催化 型生物传感器和亲合型生物传感器。前者利用酶的高度专一性和催化性，在接近中性和 室温条件下，固定酶膜上的酶与底物形成了酶一底物复合物，此时酶的构象对底物分子 显示识别能力，或者有些化学物质对酶活性有特异性抑制作用或作为调节、辅助因子对 酶活性进行修饰。这样，检测反应前后底物浓度或产物浓度的差异，或利用氧化还原中 电子转移的特性，通过换能器检测产生的电位或电流变化，可以间接地测定复杂化合物 中某特定成分的含量。目前，国际上已经研制成功的酶传感器有几十种，如过氧化氢 h - 6 、葡萄糖0 1 、胆固醇m 13 1 、维生素1 4 , 1 5 】等传感器。本论文的工作主要集中在电流 型单功能酶生物传感器的研究方面。 1 5 酶生物传感器的发展历程 基于酶生物分子与电极间电子转移的机理可将其分为三代【l6 1 。 1 5 1 第一代酶生物传感器 1 9 6 7 年，u p d i k e 和h i c k s 根据c l a r k 和l y o n s 提出的葡萄糖生物传感器的原理首次 将葡萄糖氧化酶膜覆盖在铂电极上制成酶传感器，用于定量检测血清中葡萄糖的含量， 成功地制成了第一支葡萄糖生物传感器，这标志着第一代生物传感器的诞生。此类传感 器是用酶的天然电子传递体一氧来沟通与电极之间的电子通道，直接检测反应底物的减 少或产物的生成的传感器。因此，它在测量时易受诸多外部环境因素的影响，主要表现 在受氧气变化的影响较大。但无论如何，它的诞生推动了人们对传感技术的研究。 1 5 2 第二代酶生物传感器 酶一般都是生物大分子，其氧化还原活性中一t l , 被深埋在酶蛋白质分子里面，它与电 极表面问的直接电子传递难以进行，即使能够进行，传递速率也很慢，这是因为其氧化 还原活性中心与电极表面间的电子传递速率随两者间距离的增加呈指数衰减。为了克服 两南大学硕七学位论文 第1 章 ! l , i i l i i il o i i 皇曼! 曼曼曼 这一缺点，电子媒介体，如二茂铁及其衍生物【1 7 , 1 8 】、铁氰化物【1 9 】和有机染料类物质【2 0 】 等被广泛引入到酶生物传感器中，从而逐渐形成第二代酶生物传感器。第二代酶生物传 感器是以电子媒介体修饰剂为基础的电催化。电子媒介体的作用是把酶蛋白氧化，使之 再生后循环使用，而电子媒介体本身被还原，又在电极上被氧化。人们用电子媒介体来 代替氧沟通酶的活性中心与电极之间的电子通道，它既不涉及氧气，也不涉及过氧化氢， 而是利用具有较低氧化电位的电子媒介体在电极上产生的氧化电流，对底物进行测定。 由于工作电极是在较低的电位下测定，从而减少了其他电活性物质的干扰，提高了测定 的灵敏度和准确性。 1 5 3 第三代酶生物传感器 由于第二代酶生物传感器需要引入电子媒介体，要使电子媒介体不影响酶传感器的 性能，这就要求所选用的电子媒介体必须具备以下性质：( 1 ) 能吸附或滞留在电极表面； ( 2 ) 呈现可逆的电极反应动力学；( 3 ) 具有较低的氧化还原电位；( 4 ) 氧化还原形式能稳 定存在；( 5 ) 对氧惰性或非反应活性；( 6 ) 无毒或毒性很低；( 7 ) 与p h 无关或影响不大 等。而同时具备以上性质的电子媒介体并不多见。为克服寻找合适电子媒介体难的缺陷， 人们开始致力于研究一种无中间体的酶电极，即第三代酶生物传感器。第三代酶生物传 感器是把酶直接固定在电子元件上，酶分子与电极间的电子交换不再经过动态媒介参 与，而直接进行电子传递、感知和放大界面物质的变化，从而把生物识别和信号的转换 处理结合在一起。基于这种原理制备的传感器与氧或其他电子媒介体无关，无需引入外 加媒介体，因此固定化相对简单，无外加毒性物质，是较理想的生物传感器。到目前为 止，报道较多的是过氧化物酶传感器，许多含血红素的酶的直接电化学也屡有报道。辣 根过氧化物酶、细胞色素c 、过氧化物酶、乳过氧化物酶、霉菌过氧化物酶、微过氧化 物酶及血红素九酞均可与合适的电极表面进行直接电子转移，用于过氧化氢传感器的制 备。这些研究都还处于初步探索阶段，仍需要对它们进行大量的研究与探索。 1 6 酶的固定材料 寻找新型的固定材料，以提高传感器的性能具有十分重要的意义。目前，酶的固定 材料主要包括表面活性剂、有机聚合物、无机非金属材料、溶胶凝胶、生物材料及纳 米材料等。本文主要集中研究导电纳米材料在过氧化氢传感器中的应用，因此，在这主 要介绍导电纳米材料。 一般，把粒径在o 1n i i l 1 0 0a m 范围的粉末或晶粒定义为纳米材料，若导电，则其 成为导电纳米材料。导电纳米材料的种类很多，如碳纳米管、纳米苯胺、纳米金、银以 及铂等。导电纳米材料以其独特性能引起了人们的广泛兴趣，目前其主要应用于电学、 催化、磁性材料、光催化、生物染色剂、药物输送等领域。作为酶的固定载体也是其中 两南大学硕十学f 7 ：论文 第1 章 曼曼曼曼曼m l m_ _ ! 曼1 曼曼曼曼量! 曼曼皇曼 的研究热点之一。 1 9 9 1 年n i i m a 首次用高分辨透射电镜意外发现多壁碳纳米倒2 ，1 9 9 3 年又发现了 单壁碳纳米管【2 2 1 。近1 0 年来国内外对碳纳米管的研究与开发异常活跃，从制备、结构 到物性和应用的探索连连取得重大突破。碳纳米管属于碳同素异构体家族中的一个新成 员。单壁碳纳米管是由单层石墨卷集而成，直径在1 2m 之间。而多壁碳纳米管则是 由碳六元环够成的类石墨平面卷曲而成的数层同轴中空一维管状碳结构，碳纳米管层与 层之间保持固定的间距，大约为0 3 4n m ，直径一般为2 5 0n m ，而长度可以达到微米 数量级。碳纳米管的表面效益，即直径小、表面能量高、原子配位不足等特点使其表面 原子活性高，易于周伟的其他物质发生电子传递作用。一