（化学专业论文）基于石墨烯及其复合材料电化学传感研究.pdf

1 一 北京化工大学位论文原创性声明哗澍螋掣燃 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：豸呈遗盛日期：垄! ! ：苎笙 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工 大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：狸进盆 导师签名：堕型 日期：竺! ! ：羔：兰三 日期：丝! ! ：羔：兰 一 学位论文数据集 中图分类号 0 6 7 l 学科分类号 0 7 0 3 0 1 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 1 1 0 0 0 密级公开 学位授予单位代码 l 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名翟瑞瑞学号 2 0 0 8 0 0 1 0 0 0 获学位专业名称 化学获学位专业代码 0 7 0 3 课题来源国家科学自然基金研究方向电化学 论文题目 基于石墨烯及其复合材料电化学传感研究 关键词石墨烯，d n a ，生物相容性，磁性四氧化三铁，电化学传感器 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月1 7 日论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位 学科专长 指导教师陈旭副教授北京化工大学应用化学 评阅人1 杨文胜教授北京化工大学应用化学 评阅人2刘海梅副教授北京化工大学应用化学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 徽员蝴何静教授北京化工大学应用化学 答辩委员1 宋家庆 教授北京化工大学应用化学 答辩委员2宋字飞教授北京化工大学应用化学 答辩委员3贾建光教授北京化工大学物理化学 答辩委员4韩冬梅副教授北京化工大学应用化学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 基于石墨烯及其复合材料电化学传感研究 摘要 电化学传感器由于操作简单、成本低、响应速度快、易于微型化 等优点，在医学、环境、工业等领域得到越来越广泛的应用，制备灵 敏度高、性能优异并且能够商品化的电化学传感器是当前研究的热 点。纳米材料其尺寸在纳米级，具有宏观物体不具有的特殊性能，尤 其是比表面积大和表面能高的特点在电化学领域具有潜在的应用前 旦 乐。 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维晶体结构的新型碳质材料， 具有独特的力学、热学、电学性能，有望在电化学领域发挥潜在的应 用价值。本论文围绕石墨烯，对石墨烯及其复合材料在电化学传感中 的应用进行了研究。具体研究内容包括以下三个部分： l 、采用氧化还原法合成石墨烯，制备石墨烯修饰电极检测d n a 四个碱基，电化学研究发现，石墨烯修饰玻碳电极能够实现对d n a 四个碱基的同时检测。将石墨烯与碳纳米管、b 环糊精复合，碳纳 米管有效的降低了石墨烯的的聚集，研究了石墨烯碳纳米管b 环糊 精修饰电极的电化学性能，可以用于鸟嘌呤核苷的高灵敏检测，该修 饰电极能够推广应用于其它生物分子的测定中。 2 、将生物大分子单链d n a ( s s d n a ) 与石墨烯功能化组装，制备 的具有生物相容性的s s d n a 石墨烯复合材料在水溶液中能够长期保 存不发生沉降，提高了石墨烯在水溶液中的稳定性。s s d n a 石墨烯 北京化丁大学硕 ：学位论文 复合材料比表面积大、生物相容性好，是优异的氧化还原酶固定化材 料。将s s d n a 石墨烯复合材料固定葡萄糖氧化酶制备葡萄糖传感器， 葡萄糖氧化酶实现了直接电化学并且保持生物活性，电子转移速率为 4 1 4s ，对葡萄糖检测具有较好的抗干扰性和稳定性。 3 、采用原位合成法制备石墨烯四氧化三铁纳米复合材料，四氧 化三铁增加了石墨烯在水中的分散性和稳定性，分别用磁铁和磁强计 测试表明石墨烯四氧化三铁纳米复合材料具有磁性。制备石墨烯四 氧化三铁修饰电极，电化学研究表明，石墨烯四氧化三铁复合材料 对过氧化氢具有催化作用，最低检测限为5 4 娜1 l - 1 ，对抗坏血酸 和尿酸具有抗干扰性。石墨烯四氧化三铁纳米复合材料在电化学领 域具有潜在的应用前景。 关键词：石墨烯，d n a ，生物相容性，磁性四氧化三铁，电化学传 感器 i l a b s t r a c t e 1 e c t r o c h e m i c a ls e n s o rh a sb e e n 丽d d y u s e di nm e d i c i n e ， e n v i r o 】m e n ta u l di n d u s t 巧d u et ot h ea d v a n t a g e so fs i m p l eo p e m t i o n ，l o w c o s t ，r a p i dr e s p o n s ea i l dm i c r o m a t i o n m u c ha t t e n t i o nh a sb e e nd e v o t e d t ot h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rw i t hh i 曲s e n s i t i v i 劬 e x c e l l e mp e 墒m a n c ea n dc o m m e r c i a l i z a t i o n n a j l o m a t 嘶a lh 弱s p e c i a l p r o p e n i e ss u c ha sh i g hs u r f a c ea aa n ds u r f a c ee n e 玛y i th a sp o t e n t i a l 印p l i c a t i o n si ne l e c t r o c h e m i s t 够 g r a p h e n ei s an a tm o n o l a y e ro fc a r b o na t o m sp a c k e di n t oa t w o d i m e n s i o n a l1 a t t i c e ，w i t hu n i q u em e c h a n i c a l ，t h e m a la n de l e c t r o n i c a l p r o p e r t i e s ni se x c e p t e dt h a tg r a p h e n eh a de x t e n s i v e 印p l i c a t i o n si n e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r t h i st h e s i sf o c u so nm eg r a p h e n ea n d g r a p h e n e - b a s e dc o m p o s i t e s t h em a i np o i n t so f t h i sm e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 g r a p h e n ew a sp r e p a r e db yc h e m i c a lo x i d a t i o n r e d u c t i o nm e t h o d t h eg r a p h e n em o d i f i e de l e c t r o d ec a nb eu s e dt od e t e c tf o u rb a s e so fd n a s i m u l t a n e o u s l y t l l ec o m b i n a t i o no fg r a p h e n ew i t hc a r b o nn a n o 劬e ( c n t ) i i l 北京化t 大学硕f ：学位论文 - - _ - _ _ - i _ _ _ - _ _ i _ _ _ - _ _ - 一一_ a n d b - c y c l o d e x t r i n s ( c d ) w i l lp r e v e n tg e 印h e n e 丘o ma g g l o m e n 札i n g t h e p r e p a r e dg r a p h e n e c n t b c y c l o d e x t r i n sc o i n p o s i t ew a su s e dt od e t e c t g u a n o s i n ew i t hh i 曲s e n s i t i v 咄t h i sm e t h o dc a nb ee x t e n d e dt oo t h e r b i o l o g i c a lm o l e c u l e s 2 p r e p a r eb i o c o m p a t i l b l en a n o c o m p o s i t eb a s e do ns s d n aa n d g r a p h e n e ，w h i c hc a nb ed i s p e r s e di nw a t e rt of o mb l a c ks u s p e n s i o n t h e s u s p e n s i o nw a ss t a b l ea r e rs t o 删f o ra l o n gt i m e m o r e o v e r t l l e s s d n a g r a p h e n ei s ap o t e n t i a li m m o b i l i z a t i o nm a t e r i a lb e c a u s ei t i s b i o c o m p a t i b i l i t yw i t hl l i g hs u r f a c ea r e a i 1 1 ed i r e c te l e c t r o c h e m i c a lo f g o dw a sr e s e a r c h e d ，w 油e l e c t r o nt 啪s f e rr a t e4 1 4s t h ep r e p a r e d g l u c o s eb i o s e n s o rd i s p l a y e dh i g h s e n s i t i v i t 弘g o o ds e l e c t i v i t ya n d l o n g t e ms t a b i l i 咄 3 p r 印a r eg r a p h e n ea n dm a g n e t i c 觚f e 耐co x i d en a n o c o m p o s i t e ， w h i c hw a sw a t e r _ s o l u b l ea n dm a g n e t i c t h eg f e 3 0 4 g c es h o w e dg o o d e l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yi nt h er e d u c t i o no fh 2 0 2w i t hd e t e c t i o nl i m i t5 4 p m o l l i tp o s s e s sg o o da n t i i n t e m r e n c et oa s c o r b i ca c i da 1 1 d 血ca c i d 1 ( e yw o r d s ：g r a p h e n e ，d n a ，b i o c o m p a t i a b l e ，m a g n e t i cf e 啪觚c o x i d e ，e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 电化学传感器概述1 1 1 1 电化学传感器概述l 1 1 2 电化学生物传感器概述1 1 1 3 电化学传感和生物传感器的应用3 1 2 石墨烯概述。6 1 2 1 石墨烯的结构及性质。6 1 2 2 石墨烯的合成方法8 1 3 石墨烯及其复合材料的电化学应用1 0 1 3 1 酶生物传感器1 0 1 3 2d n a 生物传感器1 1 1 3 3 生物小分子1 1 1 3 4 其它。1 3 1 4 论文选题意义与主要研究内容1 3 1 4 1 论文选题意义13 1 4 2 论文主要研究内容1 4 第二章实验部分1 5 2 1 实验试剂15 2 2 实验仪器16 2 3 表征方法1 6 2 3 1 场发射扫描电镜( f e s e m ) 分析。1 6 2 3 2 透射电子显微镜( t e m ) 分析1 6 2 3 3 傅里叶红外光谱( f t i r ) 分析。1 7 2 3 4 紫外可见光谱( u v 二s ) 分析17 2 3 5x 射线衍射c ( r d ) 分析1 7 2 3 6 磁性分析。1 7 2 3 7 电化学测试1 7 v 北京化t 大学硕士学位论文 第三章石墨烯及其复合材料修饰电极对d n a 组成单元的检测性能研 究1 9 3 1 引言1 9 3 2 实验部分1 9 3 2 1 石墨烯的制备1 9 3 2 2 修饰电极的制备2 0 3 3 结果与讨论2 l 3 3 1 石墨烯及其复合材料的形貌表征2 l 3 3 2g r a p h e i l e c n t - c d 的f t i r 表征2 2 3 3 3 石墨烯修饰电极对d n a 碱基的检测性能研究2 2 3 3 4 石墨烯及其复合材料修饰电极的电化学性能研究2 5 3 3 5 石墨烯复合材料修饰电极制备条件的优化2 6 3 3 6 实际样品检测2 8 3 4 本章小结2 9 第四章基于生物相容性的s s d n a 石墨烯纳米复合材料构筑葡萄糖 生物传感器3 1 4 1 引言31 4 2 修饰电极的制备31 4 3 结果与讨论3 2 4 3 1s s d n q l a p h e n e 复合物的形貌表征3 2 4 3 2s s d n g i a p h e i l e 复合物在水溶液中的稳定性3 3 4 3 3g o d s s d n g r a p h 锄e 的紫外光谱( i - - s ) 表征3 3 4 3 4g o d s s d n g r a p h 锄e 修饰电极的直接电化学行为的研究3 4 4 3 5 扫描速度对g o d 的直接电化学的影响3 5 4 3 6g o d s s d n 研a p h c n c g c e 对葡萄糖催化行为的研究。3 7 4 3 7g o d s s d n g r a p h e n e g c e 对葡萄糖催化的稳定性研究3 8 4 4 本章小结3 9 第五章基于石墨烯四氧化三铁纳米复合材料构筑h 2 0 2 传感器4 1 5 1 引言4 1 v i 目录 5 2 实验过程4 l 5 2 1 石墨烯四氧化三铁( g r a p h e i l e - f e 3 0 4 ) 纳米复合材料的制备4 1 5 2 2 修饰电极的制备。4 2 5 3 结果与讨论4 2 5 3 1g r 叩h e n e f e 3 0 4 纳米复合材料的形貌表征4 2 5 3 2 研印h e i l e f e 3 0 4 纳米复合材料的磁性表征4 3 5 3 3g m p h e n e f e 3 0 4 纳米复合材料的x r d 表征4 4 5 3 4g m p h e n e - f e 3 0 4 纳米复合材料修饰电极的电化学性能4 4 5 3 5 不同修饰电极对h 2 0 2 的催化4 5 5 3 6 工作电位对h 2 0 2 响应电流的影响4 6 5 3 7g r a p h e i l e - f e 3 0 4 修饰电极制各条件优化4 7 5 3 8g m p h e l l e - f e 3 0 4 g c e 对h 2 0 2 催化行为的研究4 8 5 3 9 a p h e i l e f e 3 0 4 g c e 对h 2 0 2 测定的抗干扰性研究4 9 5 4 本章小结5 0 第六章结论与创新点5 1 6 1 结论5l 6 2 论文的创新点5 l 参考文献5 3 驾 j 射5 7 研究成果及发表学术论文5 9 作者和导师简介。6 1 v i l c o n t t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n n o d u c t i o n 。1 1 1o 、，e r 、，i e wo f 吐l ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r 1 1 1 1c v e r v i e wo fm ee l e c n o c h e m i c a ls e n s o r 1 1 1 2o v e i e wo f 廿l ee l e c t r oc _ h e m i c a lb i o s e n s o r 1 1 1 3t h ea p p l i c a t i o no f e l e c 臼o c h 朗1 i c a ls e l l s o ra n db i o s e i l s o r 。3 1 2o v e r v i e wo fg r a p h e n e 6 1 2 1s 协l c t u r e 雒dp r o p e n i e so f g r a p h e n e 6 1 2 2p r 印a r a 畸o no fg r a p h a l e 。8 1 3 ( 衲p h e l l e 锄dg r a p h e l l e b 勰e dc o r i l l o s i t 骼a p p l i c 撕o n 1o 1 3 1e n z y m eb i o s s o r s 1o 1 3 2d n ab i o s e n s 0 塔1 1 1 3 3s m a l lb i o m o l e c u l 鹤1 1 1 3 4c m h e r s 1 3 1 4r e s e a l c hm o t i v a t i o n sa i l dm mc o n t e n t s 1 3 1 4 1r e s e a r c ：hn l o t i v a t i o n s 13 1 4 2r e s e a r c hm a l i i lc o n t e r l t s 1 4 c h a p t e r2e x p e r i m e n t a l 1 5 2 1c h e m i c a l s 15 2 2a p p a r a t u s 1 6 2 3a n a l 舛c a lm e t l l o d s 1 6 2 3 1f i e l de m i s s i o ns c 觚e l e c 仃o nm i c r o s c o p y ( f e s e m ) a i l a l y s i s 1 6 2 3 2t r a i l s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a i l a l y s i s 1 6 2 3 3f o 面e rt m s f o mi 心a r e ds p e c 胁s c o p y ( f t i r ) a 1 1 a l y s i s 1 7 2 3 4u l 仃a 啊0 1 e t v i s a b l es p e c 们s c o p y ( u v 二s ) a 1 1 a l y s i s 1 7 2 3 5x r a yd i f 仔a c t i o n ( x r d ) a n a l y s i s 1 7 2 3 6m a 弘e t i ca l l a l y s i s 1 7 2 3 7e l e c 昀d l e m c a lm e a s u | m c i l t 1 7 c h a p t e r3d e t e r m i n a t i o no fd n a a tg r a p h e n ea n dg r a p h e n e - b a s e d c o m p o s i t e sm o d i f i e de l e c t r o d e 。1 9 3 1i n 缸o d u c t i o n 1 9 i x 北京化工大学硕i ：学位论文 3 2e x p 豳e n t a l 1 9 3 2 1p r 印a r a t i o no f g r a p h e n e 1 9 3 2 2p r 印锄呲i o no f m o d i f i e de l e d 嚏o d e 2 0 3 3r e s u l t s 趾dd i s c u s s i o n 2 1 3 3 1m o r p h o l o g ya 1 1 a l y s i s 2 1 3 3 2f t i r 舭a l y s i so fc h p h e l l e - c n t - c d 2 2 3 3 3e 1 e 咖o c h 锄i c a lp 柏m a i l c eo f 鲫h e n em o d i f i c de l e c 仃o d ef o rt h e b a s e so f d n a d e t e n n i n a t i o n 。2 2 3 3 4e l e c 呐c h e i i l i c a lp r o p 鲋i e so f 鲫h e i l ea 1 1 d 黟印h e i l e b 嬲e dc o m p o s i t 懿 2 5 3 3 5 o p t i l i l i z a t i o no f 脚a r a t i o no f 伊a p h e l l e - b 勰e dc o m p o s i t 铭m o d i f i e d e l e c 胁d e 2 6 3 3 6t b s to f s a m p l e 2 8 3 4s u i 姗龇y 2 9 c h a p t e r 4f a b r i c a t i o no fg l u c o s e b i o s e n s o rb a s e do n b i o c o m p a t i a b l es s d n a g r a p h e n en a n o c o m p o s i t e s 31 4 1h 】们d u c t i o n 3l 4 2p r 印a r a t i o no f m o d i f i e de l e c h 0 d e 3l 4 3r 嘲h sa 1 1 dd i s c l l s s i o n 3 2 4 3 1m o 呻o l o g yo f s s d n 渤p h e n a i l o c 0 m p o s i t e s 3 2 4 3 2s t a b i l i 哆o f s s d n ( h p h 既ei na q u e o l l ss o l u t i o 嬲3 3 4 3 3u v 二s 锄a l y s i so f g o d s s d n a ( 衲p h e l l e 3 3 4 3 4d i r e c tc l e c t r o c h e i i l i s 仃yo fg o d s s d n g r a p h e l l em o d i f i e dd e 咖i d e ：1 4 4 3 5t h ee 丘e c to fs c a nr a t eo nd i r e c te l e c t r o c h e m i s t r yb e h a v i o ro fg o d 3 5 4 3 61 1 1 ec a t a l 妒cb e h a v i o ro fg o d s s d n g r a l p h e i l e g c et o w a r d s 哲u c o s e 3 7 4 3 7t h es t a b i l i t yo f g o d s s d n c 峨p h e n e g c e 3 8 4 4s u i 珈 i l a r y 3 9 c h a p t e r5f a b r i c a t i o no fh 2 0 2s e n s o rb a s e do ng r a p h e n e f e 3 0 4 n a n o c o m p o s i t e s 4 1 5 1i n t r o d u c t i o n 4 】 x c o n t e n t s 5 2e x p e r i m e n t a l 4 l 5 2 1p r 印a r a t i o no f 债印h e l l c - f e 3 0 4n a l l o c o m p o s i t e s 4 1 5 2 2p r 印a r a t i o no f m o d i j e i e de l e c t r o d e 4 2 5 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 2 5 3 1m o 讪o l o g ) ro f q a p h c i l e f e 3 0 4n a l l o c o m p o s i t e s 4 2 5 3 2m a 盟e t i c 觚a l y s i sg r 印h 饥e f e 3 0 4n a n o c o m p o s i t 髑4 3 5 3 3 锄a l y s i so fg r a p h e n e _ f e 3 0 4n 觚o c o m p o s i t e s 4 4 5 3 4e l e c 臼o c h 锄i c a l p r o p 硎e so f 渤p h e i l e f e 3 0 4n a l l o c o m p o s i t e s m o d i f i c de l e c 缸d d e 。z 1 4 5 3 5t h ec a t a l 蛳cb c h a v i o ro fd i 妇衙e n te l e c 仃o d e st o w a r d sh 2 0 2 4 5 5 3 61 l l ee 彘c to fp o t e i l t i a lo n 倒m 妒cb e h 撕0 ro fg r a ：p h e i l e - f e 3 0 4 t o w a r d sh 2 0 2 4 6 5 3 7o p t i m i z a t i o no f p r 印祗岖o no f g r a p h e n e - f c 3 0 4m o d i 丘e dd e c 昀d c 4 7 5 3 81 1 1 ec a t a l 妒cb e h a v i o ro f 研印h c i l e f e 3 0 4 g c et o w a r d sh 2 0 2 4 8 5 3 91 1 坨i i l t e r 陆e i l c co f t l l eb i o s e i l s o r 4 9 5 4s 1 】 【n 】 n a i y 5 0 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n d i n v o t a t i o n 。5 1 6 1c ：o n c l u s i o n s 5 1 6 2h l v o t a t i o n 51 r e f b r e n c e s 。5 3 a c k n o w l e d g e m e n t 。5 7 p u b i l c a t i o n sp a p e r s 5 9 i n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n da d v i s o r 。6 1 符号说明 符号说明 电极面积 电荷转移系数 原子力显微镜 循环伏安 式量电位 阳极峰电位 阴极峰电位 法拉第常数，9 6 4 8 5c m o l 。1 傅立叶红外光谱 玻碳电极 葡萄糖氧化酶 透射电子显微镜 计时安培 表观米氏常数，姗l l - 1 电子转移速率，s d 磷酸盐缓冲溶液 等电点 电量，c 气体常数，8 3 1 4j m o l 一k 1 热力学温度，k 紫外可见光谱 电位扫描速度，v s o x 射线衍射 电活性物质表观覆盖度，m o l c m 。2 氧化还原峰电位差，m v 彳口删叫f一|；咖删n酽岛l量m q r ry渤p缉 l 第一章绪论 1 1 电化学传感器概述 1 1 1 电化学传感器概述 第一章绪论 当今世界，信息技术是社会发展的重要动力，而传感器技术是信息科学的三 大技术之一。随着人们对信息种类和传递速度的需求不断增加，传感器技术与人 类的生活有着密切的关系。近年来，传感器在自动化、工业、医学、环境等领域 有着非常广泛的应用。传感器主要包括物理传感器和化学传感器，其中，化学传 感器是仪器分析、化学分析领域的重要研究内容。化学传感器根据原理不同分为 电化学传感器、光化学传感器和热化学传感，电化学传感器由于其制备简单、易 于微型化等优点，是目前应用最广泛、研究最多的一种化学传感器。 电化学传感器由识别系统和转导系统组成，识别系统的功能是选择性的与待 分析物质作用并将产生的化学参数转换成一定的信号，转导系统的功能就是接收 这些信号并以电化学信号的形式传输给电子系统，电子系统进一步放大输出。按 照输出信号进行分类，电化学传感器分为电流型、电位型和电导型，按照检测物 质分类，电化学传感器分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。生物传感器 是多学科交叉的产物，涉及生物物理学、电生物学、生物化学和电化学等学科， 生物传感技术成为获取生物信息的重要手段，也是生物信息学发展的趋势。 1 1 2 电化学生物传感器概述 生物传感器是利用固定化的生物体成分或者生物体本身作为敏感元件，再与 适当的能量转换器结合，提供定量和半定量分析信息的器件，其中敏感元件可以 是酶、抗原、抗体、动植物组织切片、微生物、激素以及细胞、微生物、组织等， 它们都具有分子识别功能。生物传感器根据其敏感元件可以分为酶传感器、组织 传感器、微生物传感器、免疫传感器、细胞传感器和d n a 传感器。根据其匹配 的换能器可以分为热敏电阻式、光纤及荧光剂式、电化学式、场效应晶体管式及 s a w 装置式等。其中，电化学生物传感器是以生物活性物质为敏感元件，以电 极为换能器，以电流、电势、电容作为检测信号，是目前生物传感器中发展成熟、 应用最广泛的一种，并且电化学生物传感器分析速度快、灵敏度高、廉价，在生 物传感器及其商业化的研究领域都具有重要地位。 电化学生物传感器主要由分子识别元件和换能器构成。分子识别元件又叫生 物敏感膜，对待测底物有分子识别作用，选择性高，待测物在膜上进行生化反应 p t 阴极：0 2 + 4 旷+ 4 e _ _ h 2 0 式( 1 3 ) 虽然这种电极结构简单，但是受溶液中氧气的含量、扩散速度和浓度梯度的 影响，氧气分压的波动对测试结果产生影响，并且耗时、灵敏度低。另一种检测 方式就是测定反应生成的h 2 0 2 含量，测定原理为： p t 阳极：h 2 0 2 _ 2 h + + 0 2 + 2 e - a g 阴极：2 a g c l + 2 e - _ 2 a g + 2 c l - 2 式( 1 4 ) 式( 1 5 ) 第一章绪论 由于检测h 2 0 2 需要在较高的电位+ o 6 一+ 0 8 v ( v s a g a g c l ) 下进行，在高电 位下尿酸、乙酰氨基酚、抗坏血酸等物质干扰严重，因此该方法也存在一定的缺 陷，上述这些问题阻碍了第一代电化学生物传感器在其它领域的应用。 1 9 7 6 年，可溶性的六氰合铁酸盐首次被引入到敏感膜中充当酶与电极之间 的电子传递体，于是出现了第二代酶生物传感器。第二代电化学生物传感器以小 分子的电子媒介体作为酶与电极之间的通道，取代了0 2 和h 2 0 2 ，避免了氧气对 测试的影响，媒介体的氧化电位决定了工作电位，因此可以选择氧化电位低的电 子媒介体来避免其它活性物质干扰。第二代电化学生物传感器有效的降低了检测 电位，但是也存在一些缺点，例如制备复杂、媒介体易污染电极、生物相容性差 等，限制了第二代电化学生物传感器的实际应用【l 】。 随着微加工技术和纳米技术的进步，出现了第三代生物传感器【2 】。第三代电 化学生物传感器是利用酶与电极上的直接电子转移，不需要引入外来媒介体，制 备更加简单，为电化学生物传感器的发展开辟了新方向【3 1 。 蛋白质和电极之间的直接电子转移受到以下因素的限制：第一，蛋白质与金 属电极表面直接接触容易引起蛋白质变性，导致蛋白质结构和功能的改变从而失 活；第二，蛋白质是大分子物质，具有复杂的多级结构，其活性中心深埋于分子 内部，与电极之间的电子转移受到阻碍；第三，蛋白质具有高离子特性，表面电 荷分布不对称，其电化学反应的可逆性受到影响，以上因素使蛋白质在电极表面 的直接电子转移变得困难。随着纳米材料的出现，为第三代电化学生物传感器的 发展提供了新的途径。 纳米尺寸材料，一方面由于其尺寸小，具有大的比表面积，能够固定更多的 蛋白质和酶，通过酶量的增加来提高酶的催化效率；另一方面，纳米材料通过与 蛋白质分