（分析化学专业论文）基于纳米材料构建电流型酶生物传感器的研究.pdf

# ， f k 。 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 第一章绪论1 1 1 生物传感器1 1 2 电化学酶生物传感器= 1 1 2 1 过氧化氢生物传感器的研究概述2 1 2 2 葡萄糖生物传感器概况3 1 3 复合纳米材料在生物传感器中的应用3 1 3 1 复合纳米材料简介4 1 3 2 铂纳米复合材料4 1 3 3 碳纳米管复合材料5 1 4 本文研究思路及创新点7 第二章基于d n a 半胱氨酸金铂纳米颗粒吡咯修饰的过氧化物生物传感器的研 究9 2 2 实验部分1 0 2 2 1 仪器与试剂。l o 2 2 2 修饰电极的制备。l o 2 2 3 测定方法11 2 3 结果与讨论11 2 3 1 电极组装过程的交流阻抗( e i s ) 表征和a u p t 二元纳米颗粒p p y 复合 膜的扫描电镜( t e m ) 表征11 2 3 2 生物传感器对h 2 0 2 的电化学响应1 2 2 3 3 实验条件的优化1 3 2 3 4 修饰电极对过氧化氢的响应性能1 4 2 3 5 传感器的重现性和稳定性1 5 2 3 6 传感器的重现性和稳定性。1 5 2 3 7 传感器的回收率1 5 2 4 结论1 6 第三章基于碳纳米管和空心钴铂纳米链的葡萄糖传感器的研究1 7 3 1 引言1 7 3 2 实验部分18 3 2 1 试验仪器与试剂1 8 3 2 2p b m w n t s 纳米复合物的制备1 8 3 2 3 空心p t c o 纳米链的制各1 9 3 2 4 传感器的制备1 9 3 3 结果与讨论1 9 3 3 ip b m w n t s 纳米复合物和空心p t c o 纳米链的表征1 9 3 3 2 电极修饰过程的e i s 和c v 表征2 1 3 3 3 酶传感器条件优化2 2 3 3 4 p h 和工作电位的影响2 3 3 3 5 葡萄糖传感器的响应2 4 3 3 6 机理讨论。2 6 3 3 7 葡萄糖传感器的稳定性和重现性2 6 3 3 8 酶传感器的选择性2 6 3 3 9 回收实验。2 7 3 4 结论。2 7 第四章基于一步电沉积碳纳米管、普鲁士蓝和空心钴铂纳米链的葡萄糖传感器的 i f f 究2 8 4 1 引言2 8 4 2 实验部分2 9 4 2 1 仪器与试剂2 9 4 2 2 空心p t c o 纳米链的合成。2 9 4 2 3 电沉积底液的准备。2 9 4 2 4 传感器的制备2 9 4 2 5 试验检测2 9 4 3 结果与讨论3 0 4 3 1c s p b m w n t s h p t c o 复合膜的扫描电镜表征和空心p t c o 的透射电 镜表征3 0 4 3 2 修饰电极的阻抗和循环伏安表征一3 l 4 3 3c s p b m w n t s h p t c o 膜导电性能的研究。3 1 4 3 4p h 和应用电位的影响3 2 4 3 5 传感器的响应性能3 3 4 3 6 传感器的响应机理3 4 4 3 7 传感器的选择性3 5 4 3 8 传感器的重现性和稳定性3 6 4 3 9 回收试验j 3 6 4 4 结论3 7 参考文献3 8 作者部分相关论文题录4 5 致 谢4 7 | i i 自从1 9 6 2 年首次报道了基于生物传感技术的电化学葡萄糖生物传感器以来，生物传感器 在临床医学、环境检测和食品工业等领域有着重要的应用并受到高度关注。发展至今，它已 成为一个由生物、物理、化学、医学、药学、电子技术等多种学科相互渗透的研究领域。 近年来，随着纳米技术的发展，纳米材料( 如纳米粒子、纳米线，纳米管等) 已被广泛 应用到生物传感器，不仅表现出纳米材料的优势，更为生物传感器的发展开辟了广阔的前景。 将纳米材料用于生物传感器电极的构建，基于材料的尺寸效应、表面效应等，电极将呈现电 催化作用，并降低底物过电位，减小可能的干扰及背景电流。同时，将纳米材料修饰到电极 表面可以为酶传感器中酶的固定提供一个良好的微环境，保持酶生物活性及稳定性，提高酶 的固载量以及加速电子传递速率等。本文正是基于以上考虑，采用纳米材料构建了多种酶传 感器，在灵敏度和使用寿命等性能上都较以往的酶传感器有很大程度的改善。 本论文主要开展了以下几个方面的工作： 1 基于d n a 半胱氨酸，金铂纳米颗j i 立聚吡咯修饰的过氧化氢生物传感器的研究 通过在金电极表面电聚合具有良好导电性的吡咯膜( p p y ) ，在此良好导电性的吡咯膜表 面电沉积上金铂纳米颗粒( a u p t ) ，再在金铂纳米颗粒表面自组装半胱氨酸( l c y s ) ，通过半 胱氨酸的正点吸附带负电的d n a ，然后通过负电的d n a 静电吸附辣根过氧化物酶( h r p ) 制得过氧化氢生物传感器。通过交流阻抗技术，循环伏安法和计时电流法对传感器的性能进 行了研究。由于金铂纳米颗粒的协同催化作用，传感器的响应电流明显放大，与单独沉积金 和铂的传感器对比，结果表明采用金铂复合纳米颗粒的传感器灵敏度明显提高。在最优的实 验条件下，该传感器的响应电流与其浓度在4 9 x m o l l 以4 8m m o l l - 1 范围内呈现良好的线性 关系，检出限为1 3g m o l l ，米氏常数为0 6 9m m o l l 1 。该传感器具有良好的稳定性、选择 性和重现性。 2 基于鲁士蓝包覆碳纳米管的复合物和空心钴铂纳米链的葡萄糖传感器的研究 在玻碳电极表面滴涂壳聚糖一普鲁士蓝包覆碳纳米管的复合物( c s p b m w n t s ) ，待干 后将d m f 分散的空心钴铀纳米链( h p t c o ) 滴涂于c s p b m w n t s 修饰的电极表面。当d m f 挥发后，再将葡萄糖氧化酶( g o d ) 滴涂于电极表面。最后，为了防止酶的脱落和其它干扰 i 两南人学硕十学位论文 物质的干扰，n a t i o n 滴涂到酶修饰电极表面。由于p b m w n t s 和空心p t c o 纳米链的引入大 大增加了电极的比表面积，同时纳米材料之间的催化协调作用，使电极对葡萄糖具有较好的 催化作用。该传感器在3 0 m o l l - 1 - - 3 6m m o l l d 范围内呈现良好的线性响应，检测线为0 8 5 岬o l l “( s n - - 3 ) ，灵敏度为2 1m am o l l 。1 c m 。此外，该传感器还表现出良好的稳定性、较 高的灵敏度和重现性。 3 基于一步电沉积碳纳米管、普鲁士蓝和空心钻铂纳米链的葡萄糖传感器的研究 通过一步电沉积法在金电极表面快速、清洁的形成壳聚糖普鲁士蓝碳纳米管一空心钴铂 纳米链的复合膜( c s p b m w n t s h p t c o ) ，在此复合膜的表面底涂g o d ，再将n a t i o n 滴涂 于g o d c s - p b - m w n t s h p t c o 修饰电极的表面以保持电极的稳定性和其他电化学物质的干 扰。通过循环伏安法和交流阻抗法对c s p b m w n t s h p t c o 膜的导电性进行了研究，试验结 果证明m w n t s 和h p t c o 的引入大大提高了电极的比表面积和导电性。通过空心和实心p t c o 纳米颗粒对葡萄糖催化效果的对比，证明了空心的p t c o 对葡萄糖具有更好的催化效果。因此 该传感器在1 5g m o l l - 1 1 2m m o l l 一范围内有良好的线性关系，相关系数为0 9 9 9 ；检测线 为0 4 7p m o l l 。1 ( s n _ 3 ) ，灵敏度为2 3 4p a m m o l l - 1 c m 。此外，还研究了其米氏常数为1 8 9 m m o l l ，较小的米氏常数值说明该传感器对葡萄糖有良好的生物亲和力。采用电沉积方法可 以通过沉积时间来控制膜的厚度，操作快速简单，同时使传感器具有良好的稳定性和重现性。 关键词：酶传感器纳米材料葡萄糖氧化酶辣根过氧化物酶碳纳米管 i l i n o w , i ti saf i e l dc o m b i n i n gs e v e r a ls u b j e c t ss u c h 邵b i o l o g y , p h y s i c s ，c h e m i s t r y , m e d i c i n e ， p h a r m a c e u t i c a la n de l e c t r ot e c h n o l o g y r e c e n t l y , w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fn a n ot e c h n i q u e ，n a n om a t e r i a li n c l u d i n g n a n o p a r t i c l e s ，n a n o l i n e sa n dn a n o t u b e se t ch a v eb e e ne x t e n s i v e l yu t i l i z e di nb i o s e n s o r i tn o t o n l yb r i n g ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s od e v e l o p e daw i d ep r o s p e c ti nb i o s e n s o r i ft h e n o n m a t e r i a lu s e di np r e p a r i n go fb i o l o g i c a ls e n s o r s ，d u et oi t ss i z ee f f e c t ，s u r f a c ee f f e c t ，t h e m o d i f i e de l e c t r o d e sw i l le x h i b i th i g he l e c t r oc a t a l y z e ，r e d u c et h eo v e rp o t e n t i a l ，t h ep o s s i b l e i n t e r f e r e n c ea n dt h eb a c k g r o u n dc u r r e n t s i m u l t a n e o u s l y , i ft h en o n m a t e r i a lm o d i f i e do n t ot h e e l e c t r o d e ，i tw i l li m p r o v eam i c r oe n v i r o n m e n t sw i t hh i g hb i o l o g i c a la c t i v ea n ds t a b i l i t y , e n h a n c et h ev o l u m eo fi m m o b i l i z e de n z y m e ，a sw e l la sa c c e l e r a t et h ee l e c t r o nt r a n s f e rr a t e b a s e do nt h i s ，t h em a i nr e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e rh a dc o n s t r u c t e ds e v e r a lb i o s e n s o r sb a s e do n t h en a n o m a t e r i a l t h e r eh a v eag r e a ti m p r o v e m e n to nt h ep e r f o r m a n c es u c h 鼬s e n s i t i v i t ya n d s e r v i c el i f e t h em a i nw o r k sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 h y d r o g e np e r o x i d es e n s o rb a s e do nh o r s e r a d i s hp e r o x i d a s ei m m o b i l i z e do na n e l e c t r o d em o d i f i e dw i t hd n a - - l - e y s t e i n e - g o l d - - p l a t i n u mn a n o p a r t i e l e si np o l y p y r r o l ef i l m at h i r d g e n e r a t i o nm e d i a t o r - f r e eh y d r o g e n p e r o x i d e b i o s e n s o rw a sf a b r i c a t e d b y c o m b i n i n ge l e c t r o d e p o s i t i o na n ds e l f - a s s e m b l yt e c h n i q u e s i nt h i ss t r a t e g y , a u - p th y b r i d n a n o p a r t i c l e sw e r ee l e c t r o d e p o s i t e do naf i l mo fp o l y p y r r o l e ，a n dl c y s t e i n ew a sa s s e m b l e dt o t h e i rs u r f a c eb ye x p l o i t i n gt h es t r o n ga f f i n i t yb e t w e e nm e r c a p t og r o u p sa n dn a n o p a r t i c l e s t h e n , d n aa n dh o r s e r a d i s hp e r o x i d a s ew e r er e s p e c t i v e l ys e l f - a s s e m b l e do nt h es u r f a c eo ft h e e l e c t r o d e t h er e s u l t i n ge l e c t r o d ew a sc h a r a c t e r i z e db yi m p e d a n c es p e c t r o s c o p y , a n dt h e e l e c t r o d es u r f a c e ( w i t h o u te n z y m e ) w a sc h a r a c t e r i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t h e r e s p o n s eo ft h es e n s o rt o w a r d sh y d r o g e np e r o x i d e ，a si n v e s t i g a t e db yc y c l i cv o l t a m m e t r ya n d c h r o n o a m p e r o m e t r y , i sl i n e a rb e t w e e n4 9p m o l l 1t o4 8m m o l l ，w i t had e t e c t i o nl i m i to f1 3 p m o l l 1 ( a ta ns no f3 ) t h ea p p a r e n tm i c h a e l i s - m e n t e nc o n s t a n t ( 硝a p p ) i s0 6 9m m o l l 2 a m p e r o m e t r i eg l u c o s e b i o s e n s o rb a s e do np r u s s i a n b l u e m u l t i - w a l lc a r b o n n a n o t u b e sc o m p o s i t ea n dh o l l o wp t c on a n o c h a i n s an e wg l u c o s eb i o s e n s o rw a sd e v e l o p e db a s e do ni m m o b i l i z i n gg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) o np r u s s i a nb l u e m u l t i - w a l lc a r b o nn a n o t u b e s ( p b ! m w n t s ) c o m p o s i t ea n dh o l l o wp t c o i i i f h p t c o ) n a n o c h a i n sm o d i f i e de l e c t r o d e t h e s u c c e s s f u lf a b r i c a t i o no ft h ep b ! m w n t s c o m p o s i t ew h i c hw e r es y n t h e s i z e d w i t hm w n t sa sat e m p l a t ea n df e ( 1 1 1 ) r e d u c e r w a s c h a r a c t e r i z e db yu v - v i sa b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y , f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s d e c t r o m e t r ya n dt r a n 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 ) t h eh o l l o wp t c on a n o c h a i n sw e r e a is oc h a r a c t e r i z e db yt e ma n dx r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) t h er e s p o n s eo ft h e b i o s e n s o rt o w a r d sg l u c o s e u n d e rt h e o p t i m i z e d c o n d i t i o n s ， a s i n v e s t i g a t e db y c h r o n o 锄p e m m e t r y , i sl i n e a rf r o m3 0 p m o l l 1 t o3 6m m o l l ，w i t hal o wd e t e c t i o nl i m i to f 0 8 5 u m 0 1 l 1 ( s n = 3 ) a n d ah i g hs e n s i t i v i t y21m a m o l l - 1 c m t h ea p p a r e n tm i c h a e l i s 。m e n t e n c o n s r a n t ( k 帮) i s2 3 6m m o l l 1 m o r e o v e r , t h eb i o s e n s o re x h i b i t ss t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n ta b i l i t y , g o o dr e p r o d u c i b i l i t ya n d e x c e l l e n ts t a b i l i t y 3 ag l u c o s eb i o s e n s o rb a s e d o nc h i t o s a n p r u s s i a n b l u e m u l t i w a l lc a r b o n n a n o t u b e s h o i l o wp t c on a n o c h a i n sf o r m e db yo n e - s t e pe l e c t r o d e p o s i t i o n as i m p l eo l i e s t e pe l e c t r o d e p o s i t i o nm e t h o di s d e s c r i b e dt of a b r i c a t ec h i t o s a n _ p r u s s i a n b l u e m u l t i w a l lc a r b o nn a n o t u b e s - h o l l o wp t c on a n o c h a i n s ( c s p b m w n t s h p t c o ) f i l mo n t o t h eg o l de l e c t r o d es u r f a c e ，t h e ng l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) a n dn a t i o nw e r em o d i f i e do n t ot h e f il m s u b s e q u e n t l yt of a b r i c a t eag l u c o s eb i o s e n s o rt h em o r p h o l o g i e sa n de l e c t r o c h e m i s t r y o ft h e c o m p o s i t ew e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r o m e t r y , s c 猢m g e l e c t r o nm i c r e s c o p y ( s e m ) a n de l e c t r o c h e m i c a lt e c h n i q u e si n c l u d i n gc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n de l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) ，r e s p e c t i v e l y t h es p e c i f i c s u r f a c ea r e aa n d e l e c t r o c o n d u c t i v i t yh a v ei m p r o v e da f t e ri n t r o d u c et h em w n t s a n dh - p t c o a n dt h es a m et i m e ， e v a l u a t e dt h ee l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yo ft h eh o l l o wa n ds o l i d p t c on a n o p a r t i c l e ，t h er e s u l t r e v e a l e dt h a tt h eb i o s e n s o ra p p l i e dh o l l o wp t c oh a dab e t t e rc h r o n o a m p e r o m e t r i cr e s p o n s ef o r g l u c o s eo x i d a t i o nt h a nu s i n gs o l i dp t c on a n o p a r t i c l e s t h ep e r f o r m a n c e so f t h eb i o s e n s o rh a v e b e e ni n v e s t i g a t e db yc h r o n o a m p e r o m e t r ym e t h o d u n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s t h i s b i o s e n s o rs h e w e dal i n e a rr e s p o n s et og l u c o s er a n g ef r o m1 5 p m o l l 1t o1 12m m o l l - 1w i t ha d e t e c t i o nl i m i to f 0 4 7p m o l l 。1 ( s n = 3 ) ，ah i g hs e n s i t i v i t yo f 2 3 4i t a m m o l l q c m 2 ，a n da f a s t r e s p o n s et i m e t h ea p p a r e n tm i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n t ( k 帮) w a s 1 8 9m m o i l 一s i n c e e l e c t r o d e p o s i t i o nm e t h o dc a nc o n t r o lt h ef i l mt h i c k n e s st h r o u g ht h ed e p o s i t i o nt i m e ，a n d i tv e r y q u i c ka n ds i m p l e ，t h es e n s o rh a sg o o ds t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t y - k e y w o r d s ：e n z y m eb i o s e n s o r ；n a n o p e r o x i d a s e ；c a r b o nn a n o t u b e i v m a t e r i a l ；g l u c o s eo x i d a s e ；h o r s e r a d i s h 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百可匕 1 1 生物传感器 电化学生物传感器【lj 是在化学传感器基础上发展起来的，是电化学分析和生物 技术研究最为活跃的领域之一。它是多学科相互交叉、渗透成长起来的新学科， 涉及到生物、化学、医学、药学、电子技术等相关领域。生物传感器由于具有灵 敏度和准确度高、选择性好、检测限低、操作简便快速准确、成本低廉，而且能 够在复杂的体系中进行快速在线连续监测分析等特点，在生物、临床医学、农业 和食品工业、化学分析、环境监控与保护等领域都得到了广泛的应用。 生物传感器是指采用具有分子识别能力的生物活性物质( 如：酶、微生物、 动植物组织切片、抗原或抗体、d n a 等) 与物理化学转换器相结合，利用生物因 子或生物学原理来进行定量或半定量分析的一种装置 2 1 。它一般由两个主要部分组 成：生物分子识别元件和信号转换器。通常将生物活性物质固定于电极表面上， 当待测物质经过感受器时，经分子识别，发生生物化学反应，通过信号转换器转 变为与待测物质浓度有关的、可以输出的电信号或光信号，再通过电子系统放大、 处理和显示，实现对待测物质的间接检测【3 1 。 生物传感器的种类繁多，随着科学技术的发展，新的生物传感器不断涌现。 这些生物传感器有不同的分类法【4 ，5 。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、核酸传感器和分子印迹生物传感 器。根据生物传感器的信号转化器的差异又可分为电化学生物传感器、光学生物 传感器、声学生物传感器、热学生物传感器等。由于电化学换能器具有灵敏度高、 易微型化、所需的仪器便宜、简单等优点，电化学生物传感器在目前所采用的换 能器中备受研究者青睐。电化学生物传感器按测量信号不同又分为电流型、电位 型和电导型。此外生物传感器还有一些其他的分类方法。如生物亲和型生物传感 器、代谢型生物传感器等。本文着重介绍电化学酶生物传感器。 1 2 电化学酶生物传感器 一 酶是生物化学反应的高效催化剂，对底物具有高度的专一性。酶传感器的结 构主要是由感受器酶膜和转换器基础电极组合而成。用于酶传感器的基础电极有 氧、过氧化氢、p h 电极以及某些介体修饰的碳、铂和金等基础电极。酶被固定在 电极的敏感面上，当酶接触待测物质时，由于酶对底物的催化作用，对待测底物 做出响应，从而使与此反应的有关物质明显增加或减少，此变化通过换能器转换 为电极中的电流或电位的变化，从而实现对复杂化合物中某特定成分含量的间接 测定。酶催化反应的高选择性和高催化性，使得酶生物传感器较传统分析方法具 1 两南大学硕十学伊论文 有响应快、操作简便的优点，是生物传感器研究领域中最受关注的一种类型【6 ，7 1 。 目前国际上已经成功研制十几种酶传感器，如过氧化氢【8 1 、葡萄糖【9 】、维生素【1 0 1 、 乳酸【1 1 1 、尿酸【1 2 1 、胆固醇【1 3 】和氨基酸【1 4 1 等传感器。随着酶传感器不断地开发和发 展，部分酶传感器已经达到实用化和商品化，在日常生产生活中发挥巨大的作用。 1 2 1 过氧化氢生物传感器的研究概述 过氧化氢( h 2 0 2 ) 是生物体内许多氧化酶如葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶和 乙醇氧化酶等反应的副产物，也是许多工业生产过程的原料或中间产物，因此通 过过氧化氢的测定可以间接的测定其它目标物的浓度，对其含量的测定在生物、 环境、临床、工业和食品分析中具有重要意义【1 5 】。目前滴定测量法【1 6 】、发光光度 法【1 7 】、化学发光法【1 8 】、电化学法【1 明等已经用来测定h 2 0 2 。由于电化学法的检测速 度快、测定范围宽、灵敏度高、选择性强等优点而得到广泛应用。利用固定的辣 根过氧化氢酶( h i 冲) 或者血红蛋白酶( h b ) 对h 2 0 2 的还原催化作用构建酶传感 器，可以达到较低检出限。例如：q i n gl u 等人将h r p 与石墨烯混合后滴涂与电 极表面制备h 2 0 2 传感器。该复合材料能在电极表面有效地促进酶活性中心与电极 间的电子传递，可以明显观察到酶中f e ( i i i ) f e ( i i ) 的一对氧化还原峰，该传感器 的检测下限可以达到o 1 0 5i - t m o l l q 【2 0 】。k a r l a k m 试验组利用热水技术在钛基质 上合成三维多孔纳米结构，并利用该结构固载h b ，该传感器对h 2 0 2 具有较短的 响应时间，并在o 0 5 岬l l 以到0 2m m o l l 1 范围内呈较好的线性，检测下限达到 o 0 2 岬o l l d l 2 l j 。y o n gp 等在金电极表面修饰单层的巯基二茂铁作为电子媒介体， 并通过包埋法固定上h r p 酶制备h 2 0 2 传感器，该传感器固定酶的方法保持了酶 的天然结构，大大提高了酶活性保持的时间，该传感器对h 2 0 2 有良好的催化作用， 并具有较好的重现性和稳定性【2 2 j 。 但由于酶的固载和酶活性的保持受到固载基质和环境因素的影响，大大限制 了含酶生物传感器的应用范围。因此研究人员致力于探索一种新型的、不含酶的 无酶传感器。近年来，纳米技术的飞速发展，科学研究者发现大量的纳米材料， 如贵金属( a u 、p t ) 2 3 , 2 4 以及合金( 包括p t 、r u 、p b 、a u 、c u 等) 2 5 1 纳米材；l i 对h 2 0 2 有直接的、较好的催化作用。因此，大量无酶h 2 0 2 传感器如雨后春笋般 涌现出来。例如：朱俊杰试验小组研究基于s e p t 纳米复合物的无酶h 2 0 2 传感器。 试验中比较了单独的p t 与s e p t 复合材料的催化效果，试验表明目标传感器对h 2 0 2 具有更好的响应性能和较低的检测线【2 6 。b ox 等在排列有序的多孔碳上修饰硫化 铜纳米颗粒( c u 2 s ) ，并将此纳米颗粒滴涂到电极的表面制备无酶h 2 0 2 传感器。 由于结合了c u 2 s 纳米颗粒和多孔碳的优点，该传感器表现出较强的抗干扰能力和 强的催化作用【2 7 】。l i uz 等人通过制备f e 3 0 4 一a g 杂化亚纳米微球发展了无酶传感 2 第一章绪论 器，尽管银在杂化纳米微球中的成分比较少，但该传感器仍然对h 2 0 2 表现出较快 的、稳定的和明显的电化学响应，检测下限达到1 2 岬o l l 1 2 8 j 1 2 2 葡萄糖生物传感器概况 众所周知，糖尿病的诊断和治疗是我国乃至全世界面临的重大医学课题。血 糖浓度的失控是糖尿病的最早表现。因此设计出快速、准确、稳定的检测血糖浓 度的葡萄糖传感器是提高治疗效率的关键。葡萄糖传感器包括：酶电极葡萄糖传 感器、燃料电池型葡萄糖传感器、光学葡萄糖传感器三种类型。在这些葡萄糖浓 度测定方法中，葡萄糖氧化酶传感器以准确、快速和低成本等优点具有最强的竞 争优势，被受广泛研究者的青睐。其中，基于电化学的原理测定电极上葡萄糖氧 化所产生的微电流而测得葡萄糖的浓度的方法由于操作简单迅速、检出限低、并 且可以实现自动化等被广泛应用【2 9 j 。电化学葡萄糖氧化酶电极有三种：( 1 ) 基于测 量氧气的葡萄糖氧化酶电极。此类电极由于受到氧气的波动较大，应用受到较大 的限制。( 2 ) 基于测量h 2 0 2 的葡萄糖氧化酶电极。由于测量h 2 0 2 的葡萄糖氧化 酶电极结构简单，灵敏度高而得到广泛的研究。例如：l i ux 等人把葡萄糖氧化 酶包埋于纳米金和离子液体的混合物中，保持了酶的良好活性，传感器具有较好 的稳定性。在5 0 t m o l l 。1 1 2m m o l l 。1 和2 6m m o l l 。1 1 3m m o l l _ 的范围内呈 现很好的线性，该传感器的寿命长达2 个月以上【3 0 】。d a il 通过石墨烯上的羧基共 价结合葡萄糖氧化酶构建酶传感器，此传感器表现出较好的储存稳定性和重现性 p 。( 3 ) 电化学介体电极。电子媒介体的引入不但能促进电子的传递还能降低电 位，近年来得到了飞速的发展。z h e n g 等人把葡萄糖氧化酶和环糊精二茂铁共价 键合到碳纳米管( m w n t ) 上制备了葡萄糖传感器。m w n t 的引入加快了电子媒 介体和电极表面的电子传递。环糊精有效的防止了电子媒介体的泄漏，因此该传 感器具有较好的稳定性和抗干扰能力【3 2 1 。为了解决酶受环境的影响较大的缺点， 近年来无酶葡萄糖传感器也得到了飞速发展。如k a t l 1 r y ：ne 等人利用镍修饰的硼 金刚电极或者镍板无酶检测葡萄糖，此方法具有较低的检测线和较高的灵敏度【3 3 1 。 y a n gj 等在碳纳米管上通过两步电沉积的方法修饰上氧化铜制备高灵敏度的无 酶葡萄糖传感器，该传感器具有较快的响应时间和8 0 0n m o l l 以的检测下限【3 4 1 。最 近，由j w a n g 和d o n gs 试验小组又发展了一些基于葡萄糖氧化酶的逻辑门定性 检测适体或者其它生物分子的技术。w a n gj 实验组研究了基于葡萄糖氧化酶和胰 蛋白酶的酶逻辑门体系控制与生理学相关的物质如葡萄糖等的输入【3 5 】。d o n gs 等 综合了适体、生物燃料电池和逻辑门技术构建了由生物分子特异性结合控制的生 物燃料电池，是国内关于逻辑门研究较早的文献，引起学者广泛的关注【3 6 】 1 3 复合纳米材料在生物传感器中的应用 3 两南大学硕十学位论文 r o l l i m 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼量喜鲁量量置量量量皇曼曼鼍量量 1 3 1 复合纳米材料简介 纳米材料是指材料两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到了纳米级尺寸 ( 1n i n 1 0 0n m ) 的材料。由于纳米颗粒尺寸相当小，比表面积大，其表面效应、 体积效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特性使其性能发生了根本的变 化，从而使纳米材料具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催 化和超导性等优良的性能，目前己受到世界各国科学家的高度重视。一开始纳米 材料研究主要集中在纳米粒子或微粒，到后来又涉及到纳米丝、纳米纤维、纳米 管、纳米棒、纳米块等 3 7 , 3 8 , 3 9 】。而复合纳米材料是指由两种或两种以上的纳米材料 复合而成的具有某些综合性能的材料。它不仅结合了单独纳米材料的优点，并且 纳米材料之间具有协调作用，相对于单独的材料而言，复合纳米材料在光学、电 学、化学和其它性能方面都有较大改善。由于其具有可设计性，性能优良等特点 已经广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域。例如，多金属的复合纳米 材料、有机无机纳米材料和碳纳米管复合材料等已经成为极为重要的应用研究方 向。 1 3 2 铂纳米复合材料 纳米铂由于其对生物分子优越的催化作用广泛应用于酶生物传感器的制备。 近年来不同形态的铂纳米颗粒，如空心铂纳米颗【4 0 1 、树枝状的铂【4 、铂棒【4 2 】和铂 纳米线【4 3 】等已经被学者大量的合成和研究。基于复