（分析化学专业论文）基于纳米金复合材料的修饰电极构置及其应用.pdf

摘嗄 摘要 功能化纳米金复合材料作为纳米会材料的分支之一，由于具有较好的乍物相 容性、大的比表面积以及较好的导电性能，使其在电化学研究领域具有明显的优 势和厂“阔的应用前景。本论文基于环糊精一聚对巯基苯胺纳米金颗粒 ( c d p a t - g n - p s ) 、功能化离子液体一纳米会颗粒( f i l g n p s ) 、功能化纳米金( f g n p s ) 等纳米会复合材料构置了四种新型修饰电极，进行了g o x 和c a t 的直接电化学和 电催化研究。该研究对于探索新型纳米会复合材料合成的方法、发展新型电化学 生物传感器、丰富电化学的研究内容具有一定的科学意义。全文共分四章，作者 的主要贡献如下： 采用三步法合成了c d a t - g n p s ，构置了葡萄糖氧化酶环糊精聚对巯基苯胺 纳米金颗粒碳陶瓷电极( g o x c d p a t - g n p s c c e ) ，进行了g o x 直接电化学和电 催化研究。研究结果表明，该修饰电极的循环伏安图上出现了g o x 的一对峰形较 好、准叮逆的氧化还原峰，其式量电位为一0 4 8 8v ：g o x 在修饰电极表面直接电 子转移的速率常数忽为4 5 8s ；该修饰电极对葡萄糖具有电催化氧化作用，催化 电流与葡萄糖浓度在2 5 x 1 0 4 1 6 x 1 0 m 0 1 l - 1 范围内呈线性关系，检出限为 9 0 10 5 m 0 1 l - 1 。 构置了壳聚糖过氧化氢酶一功能化离子液体一纳米会颗粒碳陶瓷电极 ( c s c a t f i l g n p s c c e ) ，进行了c a t 直接电化学和电催化研究。研究结果表明， 该修饰电极的循环伏安图上出现了c a t 的一对峰形良好、准可逆的氧化还原峰， 其式量电位为- 0 3 6 6v ；c a t 在修饰电极表面的直接电子转移速率常数版为3 1 2 s ，表观米氏常数为8 0 x 1 0 - 4 m o l l ；c a t 修饰电极对h 2 0 2 具有电催化还原 作用，催化电流与h 2 0 2 浓度在4 5 x 1 0 - 6 2 5 x l o m o l l - 1 范围内呈线性关系，检出 限为1 o 1 0 一m o l l 一。 将c s 、m w c n t 、f i l g n p s 与c a t 混合在一起，滴涂至g c e 表匾，构置了 壳聚糖过氧化氢酶多壁碳纳米管功能化离子液体纳米金颗粒玻碳电极 ( c s c a t l w c n t f i l g n p s g c e ) ，进行了c a t 直接电化学和电催化研究。研究 结果表明，该修饰电极的循环伏安图上出现了c a t 的一对峰形良好、准可逆的氧 化还原峰，其式量电位为- 0 4 5 2v ；c a t 在修饰电极表面的直接电子转移的速率 常数忽为5 5 6s ，表观米氏常数为1 15 x 1 0 m o l l - 1 ；c a t 修饰电极对h 2 0 2 两北人。誓帧l j 学 一论_ ! = 【： 摘嵯 具仃电催化还原作用，催化电流与h 2 0 2 浓度在2 1 1 0 一2 5 1 0 m o l l 1 范阐内呈 线性关系，检出限为3 0 x l o m o l l 。 c s 、f g n p s 与g o x 混合在一起，滴涂至g c e 表面，构置了壳聚糖葡萄糖氧 化酶功能化纳米会玻碳电极( c s g o x f g n p s g c e ) ，进行了g o x 直接电化学和电 催化研究。研究结果表明，该修饰电极的循环伏安图上出现了g o x 的一对峰形良 好、准可逆的氧化还原峰，其式量电位为一0 4 5 2v ；g o x 在电极表面的直接电子转 移的速率常数艇为2 0 1s ，表观米氏常数为3 6 3 x 1 0 一m o l l - 1 ；g o x 修饰电 b 极对葡萄糖具有生物电催化氧化作用，催化电流与葡萄糖浓度在5 0 1 0 一 1 5 1 0 - 。m 0 1 l - 1 范围内呈线性关系，检出限为1 o 1 0 m o l l 。 关键词：电化学，修饰电极，直接电化学，纳米金复合材料，氧化还原蛋白质 p h 北人学硕卜 t 论文 a b s t r a c t a b s t r a c t f u n c t i o n a l i z e dg o l dc o m p o s i t em a t e r i a l sa so n eo ft h eb r a n c h e si nt h ef i e l d so f g o l dn a n o p a r t i c l e sm a t e r i a l sh a v eac l e a r l ya d v a n t a g ea n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ， d u et oi t sg o o db i o c o m p a t i b i l i t y ，l a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n db e t t e rc o n d u c t i v e p r o p e r t i e s i nt h ef i e l do fe l e c t r o c h e m i s t r y ，e s p e c i a l l yi nt h ef a b r i c a t i o no f b i o e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r i nt h i sp a p e r , f o u rm o d i f i e de l e c t r o d e sb a s e do ng o l d n a n o p a r t i c l e sc o m p l e x m a t e r i a l s ， c y c l o d e x t r i n - p o l y ( 4 一a m i n o t h i o p h e n 0 1 ) - g o l d n a n o p a r t i c l e s ( c d p a t - g n p s ) ，f u n c t i o n a li o n i cl i q u i d - g o l dn a n o p a r t i c l e s ( f i l - g n p s ) a n df u n c t i o n a lg o l dn a n o p a r t i c l e s ( f g n p s ) w e r ef a b r i c a t e da n da p p l i e dt os t u d yt h e d i r e c te l e c t r o c h e m i s t r ya n de l e c t r o c a t a l y s i so fg o xa n dc a t t h ei n v e s t i g a t i o n sh a v e s o m es c i e n t i f i cs i g n i f i c a t i o nf o rt h ee x p l o r a t i o no fn e wm e t h o di nt h es y n t h e s i so fg o l d n a n o p a r t i c l e sc o m p l e xm a t e r i a l s ，t h ed e v e l o p m e n to fn e we l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r s t h et h e s i sw a sd i v i d e di n t of o u rc h a p t e r sa n dt h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o na sf o l l o w s ： t h ec d - p a t g n p sw a ss y n t h e s i z e da n dg l u c o s eo x i d e s c y c l o d e x t r i n - p o l y ( 4 - a m i n o t h i o p h e n 0 1 ) - g o l dn a n o p a r t i c l e s c a r b o nc e r a m i ce l e c t r o d e ( g o x c d - p a t - g n p s c c e ) w a sf a b r i c a t e da n db e h a v i o ro fd i r e c te l e c t r o c h e m i c a lo fg o xa n di t s e l e c t r o c a t a l y t i cs t u d i e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em o d i f i e de l e c t r o d e d i s p l a y e dac o u p l eo fs t a b l ea n dw e l l d e f i n e dr e d o xp e a k s w i t ht h ef o r m a lp o t e n t i a l ( 矿) o f 一0 4 8 8v ；a n dt h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rr a t ec o n s t a n t 芯w a s4 5 8s 一1b e t w e e ng o x a n dm o d i f i e de l e c t r o d e ；t h em o d if i e de l e c t r o d ep l a l yt h er o l eo fe l e c t r o c a t a l y t i cf o r g l u c o s e ，a n d t h es t e a d y - s t a t ec u r r e n tr e s p o n s ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hg l u c o s e c o n c e n t r a t i o nf r o m2 5xlo - 4m 0 1 l - 1t o1 6 xlo m 0 1 l - 1w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f 9 o 1 0 一m 0 1 l c h i t o s a n - - c a t a l a s e - f u n c t i o n a li o n i cl i q u i d - g o l dn a n o p a r t i c l e s c a r b o nc e r a m i c e l e c t r o d e ( c s c a t f i l - g n p s c c e ) w a s f a b r i c a t e da n dt h eb e h a v i o ro fd i r e c t e l e c t r o c h e m i c a lc a ta n di t se l e c t r o c a t a l y t i cs t u d i e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em o d i f i e de l e c t r o d ed i s p l a y e dac o u p l eo fs t a b l ea n dw e l l d e f i n e dr e d o xp e a k sw i t h t h ef o r m a lp o t e n t i a l ( p ) o f - 0 3 6 6v ；a n dt h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rr a t ec o n s t a n t 疋 w a s3 12s b e t w e e nc a ta n dm o d i f i e de l e c t r o d e ，t h ea p p a r e n tm i c h a e l i sc o n s t a n tk m 陌北人。帧i 学位论文 a b s t r a c t w a s1 15 10 一m o l l _ 1 ；t h em o d i f i e de l e c t r o d ep l a yt h er o l eo fe l e c t r o c a t a l y t i cf o rh 2 0 2 ， a n dt h es t e a d y s t a t ec u r r e n tr e s p o n s ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hc o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2f r o m 4 5 10 6m o i l 。1t o2 5 x10 一m 0 1 l w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f1 0 x10 6m 0 1 l i c h i t o s a n - c a t a l a s e - m u l t i w a l lc a r b o nn a n o t u b e s - f u n c t i o n a l i z e di o n i cl i q u i d - g o l dn a n o p a r t i c l e s g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( c s c a t m w c n t f i l - g n p s g c e ) w a s f a b r i c a t e dw i t hm e t h o do fm i x i n ga n dd r o p p i n gt h ec s ，c a t , m w c n ta n df i l g n p s t ot h es u r f a c eo fg c ea n dt h eb e h a v i o ro fd i r e c te l e c t r o c h e m i c a lc a ta n di t s e l e c t r o c a t a l y t i cw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e de l e c t r o d ed i s p l a y e da c o u p l eo fs t a b l ea n dw e l l d e f i n e dr e d o xp e a k sw i t ht h ef o r m a lp o t e n t i a l ( 矿) o f _ 0 4 5 2 v ；a n dt h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rr a t ec o n s t a n t 忽w a s5 5 6s 一1b e t w e e nc a ta n d m o d i f i e de l e c t r o d e ，t h ea p p a r e n tm i c h a e l i sc o n s t a n t w a s1 1 5 x l o m o l l - 1 ；t h e m o d if i e de l e c t r o d ep l a yt h er o l eo fe l e c t r o c a t a l y t i cf o rh 2 0 2 ，a n dt h es t e a d y s t a t e c u r r e n tr e s p o n s ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hc o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2f r o m2 1xlo - 6m o l l - 1 t o2 5 1 0 一5m 0 1 l - 1w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f 3 o x l o - 7m 0 1 l - 1 c h i t o s a n g l u c o s eo x i d a s e f u n c t i o n a lg o l d n a n o p a r t i c l e s g l a s s y c a r b o n r l e c t r o d e ( c s g o x f g n p s g c e ) w a sf a b r i c a t e dw i t hm e t h o do fm i x i n ga n dd r o p p i n g t h ec s ，g o xa n df g n p st ot h es u r f a c eo fg c ea n dt h eb e h a v i o r o fd i r e c t e l e c t r o c h e m i c a lg o xa n di t se l e c t r o c a t a l y t i cw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m o d i f i e de l e c t r o d ed i s p l a y e dac o u p l eo fs t a b l ea n dw e l l d e f i n e dr e d o xp e a k sw i t ht h e f o r m a lp o t e n t i a l ( 矿) o f - o 4 5 2v ；a n dt h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rr a t ec o n s t a n t 忽w a s 2 0 1s b e t w e e ng o xa n dm o d i f i e de l e c t r o d e ，t h ea p p a r e n tm i c h a e l i sc o n s t a n t w a s 3 6 3 x 1 0 m o l l _ 1 ；t h em o d i f i e de l e c t r o d ep l a yt h er o l eo fe l e c t r o c a t a l y t i cf o rg l u c o s e o x i d a t i o n ，a n dt h es t e a d y - s t a t ec u r r e n tr e s p o n s ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hg l u c o s e c o n c e n t r a t i o nf r o m5 0 x10 一m 0 1 l _ 1t o1 5x10 m 0 1 l 一1w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f 1 0 x 1 0 一m 0 1 l k e yw o r d s ：e l e c t r o c h e m i c a l ，m o d i f i e de l e c t r o d e ，d i r e c te l e c t r o c h e m i s t r y , n a n o a u c o m p o s i t e s ，r e d o xp r o t e i n i v 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 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电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 霎裹蓑妻嚣篓麦薹亍盖指导教师签名：墟八 学位论文作者签名：丝驰 指导教师签名：整里【坐兰d 、 沙d 厂年石月j ，日 砷年钼岁e t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：结勃u 上如年6 月r 日 西北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 2 1 世纪随着人们生活水平的提高以及各种分析手段的发展和改进，分析化学 和生命科学同时面临着巨大的挑战，如何实现微量与超微量生物活性物质的原位、 实时、在体和在线分析已成为制约相关学科发展的主要瓶颈之一。电化学和电分 析化学由于具有较高的检测灵敏度以及快速、简单易行等特点，逐渐成为化学分 析以及生命分析化学研究的重点之一。修饰电极，作为生物电分析化学领域的一 个研究热点，随着材料科学的兴起与发展，在构置酶等生物大分子的直接电化学 方面已经进入了一个前所未有的快速发展时期。本章简单介绍了修饰电极研究进 展，以及新型纳米金复合材料在构置生物传感中的应用现状。 1 1 修饰电极研究进展 1 9 7 5 年m u r r a y 【1 】和g u a d a l u p e 2 1 通过有效的设计手段，采用系列化学方 法对电极表面进行了修饰研究，标志着修饰电极( m o d i f i e de l e c t r o d e ) 的正式问 世。8 0 年代以来，修饰电极研究领域得到迅速发展，构置有效简易的修饰电 极已成为电分析化学研究最为活跃的领域之一。 修饰电极主要是采用化学和物理手段，通过共价键和、吸附、聚合等化 学修饰手段有目的地将具有功能性( 如：催化、配合、电色、光电等) 物质引入 电极表面，实现电极表面的分子设计，进而赋予电极特定的化学和电化学性 质。 修饰电极的制备主要是采用化学和电化学手段对电极表面进行修饰，修 饰方法主要有： 共价键和法【3 1 ，通过化学反应将预定的化学分子修饰至电极表面，常 用的修饰剂主要为氧基、氨基、氯基及碳表面的活化等； 吸附法是根据电极固体界面和液体界面微结构差异性进而将修饰剂 固定在电极表面，主要包括化学吸附法1 4 、欠电位沉积法【5 1 、 l b ( l a n g m u i r b l o d g e t t ) 膜法【6 】和自组装膜法【7 】； 聚合物薄膜法1 8 - 1 0 1 是通过电化学氧化还原的方式，将具有电化学活性 单体聚合至电极表面，形成一层聚合物薄膜从而达到电极修饰的目的。在电 1 西北大学硕十学位论文第一章绪论 化学聚合法中，由于聚合过程中电量可控进而可推算出聚合物薄膜的厚度， 结果重现性好，所以恒电流法应用较广；恒电位法由于聚合的速度不可控， 制备的修饰电极重现性差，进而制约了其发展。 电化学沉积法【。1 3 】：将无机物通过电化学氧化还原的方式，沉积至电 极表面生成具有电活性的聚合物薄膜，该膜具有保持中心离子和外界离子氧 化态通识性作用，以至于不被破坏等有点。 组合法f 1 4 1 是将化学修饰剂与电极材料简单地混合以制备组合修饰电 极的一种方法，典型的是化学修饰碳糊电极。 修饰电极电催化是指在电场作用下，电极上的修饰物能促进或抑制电子 转移，进而使修饰电极可降低修饰物反应电位和反应速率，促进电极传递电 子的速率，并对电化学反应进行有效的选择。 酶电催化研究经历了三个发展阶段： 第一代酶生物传感器：以氧为中继体实现电催化过程，通过检测体系中 氧气的消耗或者过氧化氢的增加来反映待测物质的浓度，其中以c l a r k 型酶 电极为代表。1 9 6 2 年，c l a r k 等在氧电极的基础上提出了研制葡萄糖传感器 的设计原理【15 1 。缺点在于：响应信号受体系中的氧气和过氧化氢浓度影响， 灵敏度和准确性低。 第二代酶生物传感器：以电子介体作为电子传递中继体实现酶和电极之 间的问接的电子传递，通过测量电子介体的信号变化来测定底物浓度。优点 在于：( 1 ) 电子介体促进了酶与电极表面间的电子传递；( 2 ) 降低了氧等对测定 结果的影响，提高了灵敏度；( 3 ) 电子介体工作电位低，干扰少，灵敏度高； 缺点在于：电子介体存在一定的毒性。 第三代酶生物传感器( 直接电催化) ：以酶的直接电子转移为基础进行电催化的 传感器。优点在于：生物分子固化简单，无外加毒性物质，较低工作电位，高效 的电子传递效率，简化了传感器构置步骤，提高了传感器的性能，是最理想的生 物传感器。 1 1 1 酶修饰电极的研究现状 酶是生物体内产生并具有生物催化活性的一类蛋白质，在生命活动中扮 演极为重要的角色，参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速率 2 两北大学硕十学位论文第一章绪论 和特定的方向性维持生命代谢活动的进行，调控生物体内的能量守恒，具有 以下特征：高的催化活性；反应条件温和；高度专一性；具有生物 活性。 研究酶在电极表面的生物电催化行为，是研制第三代生物传感器的主要 任务。但并不是所有的酶都能与电极表面进行直接电子传递，主要由于酶， 如辣根过氧化酶【1 6 - 2 0 1 、葡萄糖氧化酶【2 1 27 1 、血红蛋白1 2 s - 3 2 】、细胞色素c t 3 3 3 6 1 、 细胞色素p 4 5 0 1 3 7 郴】、过氧化氢酶4 4 4 8 1 等生物结构中都含氧化还原中心，但这 些活性中心被包裹在蛋白骨架中，不利于电子的传递，如何实现氧化还原中 心是电极和酶之间进行直接电子转移的重要基石，同时为采用电化学手段探 索生物体系奥秘打开了大门。下面简单介绍直接电化学中经常研究的两种酶： 葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶。 葡萄糖氧化酶 葡萄糖氧化酶( g l u c o s eo x i d a s e ，g o x ) 是一类以葡萄糖为电子受体的氧化还 原酶，广泛存在于动植物体内【4 9 1 。g o x 的晶体结构为近似球状的糖蛋白，分子量 约为1 5 4 万，等电点为4 9 。每个酶分子中含有两分子f a d ( 黄素腺嘌呤核苷酸) 作为它的氧化还原中心，同时也是催化活性中一f i , 。g o x 对底物葡萄糖具有特异性 的催化作用，反应动力学中米氏常数k m 也低( 1 0 3 m 程度) ，且能定量地生成 h 2 0 2 ，因此作为d 葡萄糖的定量试剂而广泛被应用于生物化学领域和临床检 测。 过氧化氢酶 过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) 是血红素类蛋白质中的一种，由珠蛋白与血红素 结合而成，存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，以铁卟啉为辅基催化 h 2 0 2 分解为h 2 0 与0 2 ，使得h 2 0 不致于与0 2 在铁螯合物作用下反应生成非 常有害的h 2 0 2 ，而使细胞免于遭受h 2 0 2 的毒害，是生物防御体系的关键酶 之一。c a t 由两条a 多肽链和两条b 多肽链构成的四聚体寡聚蛋白构成，其 中每条0 【链含1 4 1 个氨基酸残基，每条p 链含1 4 6 个氨基酸残基，每个多肽 链成为一个亚基。c a t 的四个亚基相互排列紧密，形成近似球形的分子结构， 分子量约为2 3 万，等电点为5 4 5 0 , 5 1 】。几乎所有的生物机体都存在过氧化氢 酶，主要存在于植物的叶绿体、线粒体、内质网、动物的肝和红细胞中，其 酶促活性为机体提供了抗氧化防御能力。 西北大学硕l ：学位论文第一章绪论 酶与电极之间直接电子传递行为更接近生物体内氧化还原发生过程【5 2 1 ， 有助于测定酶促反应的热力学和动力学参数5 3 1 ，对了解生命体内的能量转换 和物质代谢过程具有重要意义【5 4 】。 迄今为止，很少观察到酶在裸电极上的直接电化学，原因在于酶具有分子大， 结构复杂以及电活性中心深埋于多肽链内部等特点。在电化学传感器构置中，存 在氧化还原中心与电极表面距离较远，电子传递阻力较大等特点，直接限制了电 极表面与酶基活性中心的直接电子传递。 为了实现酶与电极之间的直接电化学，人们进行了大量研究，其中较为有效 的方式是将酶与纳米材料进行混合，修饰于电极表面，实现电极表面与酶之间的 直接电子转移【5 5 1 。 1 1 2 基于纳米金复合材料修饰电极的研究进展 纳米材料【5 6 1 是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级( 1 1 0 0 n m ) l 拘材料，它 是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米颗粒所组成的新一代材料。纳米 材料具有多种特点【5 7 】：( 1 ) 大的比表面积、较高的表面自由能；( 2 ) 较强的吸附场能； ( 3 ) 较好的导电性和宏观隧道效应等。近年来，随着纳米材料科学的迅猛发展，纳 米材料也逐渐向具有特殊性能和形态的功能化纳米材料方向发展。金纳米材料， 尤其是金纳米复合材料方面在已有的基础上，已越来越成为研究的热点。 1 1 2 1 纳米金复合材料 纳米金复合材料( g o l dn a n o c o m p o s i t em a t e f i a l ) 是指金纳米颗粒与其它离子、分 子以及超分子通过物理或化学方式形成具有新的特性和功能的纳米复合物，复合 后的金纳米颗粒具有了新颖的功能和特性【5 8 】。纳米复合材料具有如下特点：较 高的稳定性，有效抑制团聚现象的发生 5 9 - 6 2 ；组装的多官能团具有较 高的催化活性【6 3 - 6 6 ；具有相互作用自组装成超晶格结构体系 6 7 - 7 0 ；具有较好 的生物相容性【7 1 - 7 5 ； 1 2 2 2 功能化纳米金在生物电化学中的应用 功能化纳米金( f u n c t i o n a l i z e dg o l dn a n o p a r t i c l e s , ，f g n p s ) 【7 6 - 8 2 1 是指在制备纳米 金的过程中，采用模板法生成具有介孔性质的纳米金颗粒。功能化纳米金与常规 纳米金相比，具有更大的比表面积以及更强的生物相容性。x u 掣8 3 1 通过在纳米金 颗粒表面组装空腔型的聚合物纳米球，获得功能化纳米金颗粒，并构置了h 2 0 2 具 4 西北人学硕士学位论文 第一章绪论 有生物电催化作用的辣根过氧化物酶生物传感器。c h e n 等【8 4 】将c a c 0 3 颗粒分散在 液相中，以此为模板将纳米金沉积在模板表面后，采用化学手段将c a c 0 3 刻蚀掉， 以此获得具有介孔性质的纳米金颗粒，并将该功能化纳米金颗粒应用于辣根过氧 化酶的直接电化学研究。 1 1 2 3 纳米金复合材料在生物电化学中的应用 纳米金复合材料( g o l dn a n o p a r t i c l e sc o m p l e xm a t e r i a l s ，g n p c m ) 是含巯基的 有机物、高分子等通过a u s 键吸附至纳米金颗粒表面形成的一种纳米金复合材料。 该类型复合材料具有结构可控、形态特异以及具有较强的生物相容性等特点【8 5 - 9 2 1 ， 在电化学生物传感器的构置中成为研究的热点之一。w a n g 9 3 】等用双十二烷基二甲 基溴化铵作为脂质体在有机相中对纳米金进行包裹，生成了一种脂质体保护型的 纳米金颗粒，并将该纳米金颗粒应用于血红素直接电化学研究中，并首次实现了 单层脂质体膜保护的纳米金对蛋白质的直接电化学。c h e n 等【9 4 】通过将半胱胺自组 装至纳米金颗粒表面制得纳米金复合材料，并将该复合材料和辣根过氧化物酶一 起构置了辣根过氧化酶生物传感器，并进行了直接电化学及电催化研究，结果表 明h 2 0 2 在1 4 x 1 0 - 6 m o l l - 1 - 9 2x l o - 3 m o l l 1 间具有较好的线性关系，同时反应动 力学中米氏常数为2 3x 1 0 一m o l l _ 1 。h a r t 等【9 5 】将巯基官能化的纳米金颗粒与聚( 乙 烯共丙烯酸) 纳米微球进行复合，得到球形的纳米金复合材料，并将该材料用于构 置辣根过氧化酶生物传感器。结果表明，该材料在具有较好的生物相容性同时， 由于具有较好的导电性，故可以加速酶和电极之问的电子传递，而且电催化还原 研究表明对过氧化氢具有较好的检测灵敏度。 1 1 2 4 纳米金及其复合物与其它纳米材料在生物电化学中的应用 电化学生物传感器作为电化学分析的重要研究之一，纳米金及其复合材料在构 置生物传感器方面一直是研究的热点之一，然而纳米金及其复合材料和其它纳米 材料相杂合在生物电化学传感器的构置中也一直备受瞩目。纳米金及其复合材料 与其它纳米材料相杂合主要在于以下几个方面： 与碳纳米管杂合【9 0 2 】；碳纳米管( c a r b o nn a n o t u b e s ，c n t ) 作为纳米材料之 一，其很高的比表面积和奇异的电子特性意味着具有较高的酶固载量以及酶和电极 表面之间快速的电子传递速率，易于实现酶的直接电化学。同时将碳纳米管和纳米 金及其复合材料进行杂合，由于比表面积的增大可以进一步提高酶的固载率，同时 两北人学硕十学位论文第一章绪论 纳米金及其复合材料较好的生物相容性，有助于保持酶的生物活性。j u 等【1 0 3 】通过 层层组装的方式将碳纳米管、纳米金颗粒以及葡萄糖氧化酶组装至电极表面构置了 葡萄糖生物传感器，该生物传感器具有较低的电势值( 0 2v ) 以及较小的米氏常数 ( 1 0 6x l o m o l l - 1 ) 。z o u 等【1 0 4 】人将铂金合金与多壁碳纳米管杂合在一起，同时与 葡萄糖氧化酶一起滴涂至电极表面，构置了葡萄糖氧化酶生物传感器，该传感器具 有较低的应用电势，同时对葡萄糖具有较高的响应灵敏度以及较好的稳定性等。 y u a n 等f 1 0 5 】通过将碳纳米管和金溶胶进行杂合，并和血红蛋白一起滴涂至玻碳电极 表面，构置了血红蛋白生物传感器，结果表明，该生物传感器具有较低的米氏常数 以及对h 2 0 2 较宽的测定范围。 与离子液体杂合1 0 6 2 】；离子液体( i o n i cl i q u i d s ，m s ) ，又称室温离子液体 或室温熔融盐，是指完全由阴阳离子组成的、在室温或邻近室温下呈液体的有机 化合物，是一类新型的介质或软功能材料。由于具有溶解能力强、无显著的蒸气 压、热稳定性高、粘度大、导电性好和电位窗口宽、液态温度范围宽、低毒性等 特性，离子液体在电化学和电分析化学领域中具有明显的优势和巨大的应用前景。 功能化离子液体( f u n c t i o n a l i z e di o n i cl i q u i d s ，f i l ) 由于具有特殊的官能团，如巯 基等可吸附至纳米金颗粒表面而形成了功能化离子液体一纳米金颗粒复合材料 ( f u n c t i o n a l i z e di o n i cl i q u i d s g o l dn a n o p a r t i c l e s ，f i l g n p s ) ，该类型材料不但具有 离子液体的电位窗口宽等特点，同时具有较大的比表面积，在电化学生物传感器 构置方面对酶具有较大的固载效率。s u n 等1 1 1 3 】将碳纳米管与纳米金以及离子液体 杂合，与细胞色素c 一起滴涂至电极表面，构置了细胞色素c 生物传感器，实现 了细胞色素c 的直接电化学，并完成了对h 2 0 2 生物电催化还原测定。结果表明， 该生物传感器具有较宽的电势窗口及检测灵敏度。z e n g 等【4 1 通过将纳米金与二 甲基咪唑类离子液体进行杂合，构置了葡萄糖氧化酶生物传感器，结果表明该生 物传感器对葡萄糖具有较宽的电势范围。 1 1 3 展望 随着纳米科学进一步发展，功能化纳米金材料作为纳米材料发展的一个重要 分支，将面临前所未有的挑战和机遇，开发性能更为优良，结构更为特异的功能 纳米金复合材料将成为纳米金复合材料研究方面的重点。而分析科学前沿领域之 一，生命电分析领域同样也面临着诸多问题的解决，诸如如何实现快速，在体以 6 西北大学硕f ：学位论文第章绪论 及实时地分析检测生命信息物质，将为生命分析科学研究提供进一步发展的基础。 基于纳米材料特性，以及生命分析科学面临的问题，制备出具有新颖特性的纳米 复合材料并将该材料应用于生命分析科学领域，无疑将促进纳米材料科学的进步 和生命分析科学的发展，在修饰电极构置中发挥越来越重要的作用。 1 2 本论文研究内容 功能化纳米金复合材料作为纳米金材料的新型分支之一，由于具有较好的生 物相容性，大的比表面积以及较好的导电性能，使其在电化学研究领域，尤其是 在修饰电极置中具有明显的优势和广阔的应用前景。基于此，本论文以“基于纳米 金复合材料修饰电极的构置及其应用”为题，采用扫描透射电镜、红外光谱、循环 伏安法、电化学阻抗法、计时安培法等多种电化学手段，开展了以下几个方面的 研究工作： 采用化学手段制备了环糊精聚对巯基苯胺纳米金颗粒复合材料 ( c d p a t - g n p s ) 。将c d p a t - g n p s 和葡萄糖氧化酶( g o x ) 滴涂至c c e 表面构置了 g o x c d p a t - g n p s c c e ，进行g o x 的直接电化学和电催化研究； 制备了1 甲基一3 巯基环丙烷咪唑类离子液体纳米金复合材料( f i l g n p s ) 。 并将f i l g n p s 、c s 和c a t 滴涂至碳陶瓷电极( c c e ) 表面构置了 c s c a t f i l g n p s c c e ，进行c a t 的直接电化学和电催化研究； 在的基础上，m w c n t 与f i l g n p s 杂合得到m w c n t - f i l g n p s ，并将 c s 、m w c n t - f i l g n p s 和c a t 滴涂至玻碳电极( g c e ) 表面构置了 c s c a t m w c n t - f i l g n p s g c e ，进行c a t 的直接电化学和电催化研究； 以a 1 2 0 3 粉术为模板，采用柠檬酸钠还原法，制备了功能化纳米金颗粒 ( f g n p s ) 。将c s 、f g n p s 与g o x 混合在一起，滴涂至g c e 表面，构置了 c s g o x f g n p s g c e ，进行g o x 的直接电化学和电催化研究； 这些研究工作对丰富纳米金复合材料在修饰电极领域的应用具有重要的理论 意义和应用价值。 参考文献： 7 两北大学硕f = 学位论文 第一章绪论 一 1 1m u r r a yr w ：c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e j a c c o u n t so f c h e m i c a lr e s e a r c h ，1 9 8 0 ，1 3 ： 1 3 5 - 1 4 1 2 1g u a d a l u p e a r ，a b r u h ah d ，e l e c t r o a n a l y s i s w i t h c h e m i c a l l y m o d i f i e d e l e c t r o d e j a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , 1 9 8 5 ，5 7 ( 1 ) ：1 4 2 - 1 4 9 【3 】f r e w j e ，h i l lh a o ，d i r e c ta n di n d i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e ne l e c t r o d e sa n d r e d o x p r o t e i n s j e u r o p e a nj u m a lb i o c h e m i s t r y , 1 9 8 8 ，1 7 2 ，2 6 1 - 2 6 9 4 】b u r g , h a r dm ，d u e s b e r gg ，p h i l i p pg ，e ta 1 c o n t r o l l e da d s o r p t i o no fc a r b o n n a n o t u b e so n c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d ea r r a y s j a d v a n c em a t e r i a l s ，1 9 9 9 ，l o ( 8 ) ：