（应用化学专业论文）纳米仿生界面的构建及纳米电化学生物传感器在生物分子检测中的应用研究.pdf

纳米仿生界面的构建及纳米电化学生物 传感器在生物分子检测中的应用研究 摘要 生物传感技术能够捕捉生物体内的各种，上物信息，为临床医学珍断、生物医 学笨础研究等提供人体生理、病理相关信息，因而它的研究已成为迫切需要发展 的课题。发展新型功能化的生物医用传感器件将为令面推进人类健康科学的发展 提供历史性的炎机。纳米技术的出现为陔领域的研究发展丌辟一个全新的天地， 巧夺天工的纳米仿生界面的构建则把牛物医用传感的进一步发展推向新的高峰。 纳米仿生界面的研究是纳米科技与生命科学的交叉领域，它可以在纳米尺度空间 上从分子层次研究生物大分子及其复合体或细胞的结构与功能，解决纳米技术在 生物医学领域应用中的基础问题，发展新技术和新方法。各国科研工作者已经在 仿，圭纳米界面上构建了各种生物传感器，用于肝炎，白m 病、艾滋病以及s a r s 等的检测。但是这些研究都还处于起步阶段，寻求方便、快捷的制备和组装纳米 材料的方法，构建功能化的仿生纳米界面，发展新的生物传感技术将会成为材料 学家、分析化学家以及医学家等共同努力的方向。 在本论文中，通过电化学沉积、电聚合、共价键合、吸附和表面滴涂等方法 对导电聚合物、多壁碳纳米管( m c n t s ) 、金纳米粒子( a u n p s ) 、合会纳米粒子、 纳米氧化物等材料进行组合组装，在玻碳电极( g c e ) 表而构建了用于研究d n a 、 酶的固定和药物小分子检测的新犁纳米仿生界面。利用扫描电子显微镜( s e m ) 、 透射电子显微镜( t e m ) 、x 射线粉体衍射仪( x r d ) 及紫外可见分光光度法 ( u v - v i s ) 、循环伏安法( c v ) 、电化学交流阻抗谱技术( e i s ) 、微分脉冲伏安法 ( d p v ) 、计时电流法、计时库伦分析法等对仿生界面的性质以及d n a 、酶和药物 小分子在生物界面上的电化学行为进行了探讨，具体内容如下： ( 1 ) 制备 f e f e 2 0 3 核壳纳米项链、f e f e 2 0 3 核壳纳米线及立方纳米c u 2 0 三种氧化物纳米材料，并通过s e m 、t e m 及x r d 技术对合成的纳米材料进行了表 征。利用合成的纳米材料、聚二烯丙基二甲基氯化铵( p d d a ) 、a u n p s 和m c n t s 在g c e电极表面构建了p d d a f e f e 2 0 3 一a u n p s p d d g c e 、 p d d a f e f e 2 0 3 一m c n t s p d d g c e 和p d d n a n o c u 2 0 a u n p s p d d g c e 三个 用于d n a 损伤的纳米仿生界面。用u v - v i s 法研究了三种界面的性能。以r u ( n h 3 ) 广 f i c o ( p h e n ) 3 3 + 为电化学探针，通过c v 、d p v 法研究了d n a 在三种界面内的电化学 损伤。试验发现d n a 的损伤主要发生在阴极处理过程。在阴极处理过程巾，界面 内发生了f e n t o n 或类f e n t o n 反应，反应生成的活性氖粒子( r o s ) 进攻并损伤 d n a ，此反心历程与生物体内重金属损伤d n a 的历程十分相像，可用于模拟匿金 属损伤d n a 的活体路线。三个d n a 电化学传感器均具有较高的灵敏度和良好的稳 定性，有望成为快速检测现存及新化学物质基因毒性的工具。 ( 2 ) 通过电化学聚合反应、共价键合、吸附和滴涂等方式将聚硫蓖( p t n ) 、 聚酪氨酸( p t y r ) 、a u n p s 和纳米二氧化锆一聚苯胺复合材料( n a n o z r 0 2 p a n ) 修饰 于g c e 电极表面，分别构建了a u n p s p t l l g c e 和n a n o z r 0 2 一p a n p t y r g c e 两种用 于d n a 同定和杂交的仿生界面。利用c v 、d p v 和e i s 法对生物界面的性能及d n a 在界血上的吲定和杂交进行了研究。通过e i s 技术对转基因植物外源基因草丁膦 乙酰转移酶基因( p a t 基因) 片段进行了免试剂检测。p a t 基冈片段在 s s d n a u n p s p t n g c e 和s s d n a n a n o z r 0 2 一p a n p t y r g c e 电极上的检测范围依 次分别为1 o 1 0 叫o 1 ，0 1 0 由m o l l 和1 0 1 0 0 3 1 0 1 0 南m o l l ，检测限依次分别为 3 2 10 一m o l l 和2 6 8 10 _ 4m o l l ( s n = 3 ) 。将s s d n a u n p s p t n 厂g c e 电极用于 转基因大豆中提取的外源基因胭脂碱合成酶基冈终止子( n o s ) 的聚合酶链式反 应( p c r ) 扩增产物的检测，结果满意。用n a n o z r 0 2 p a n 制得的传感器与用其它 z r 0 2 材料制得的传感器相比，具有更宽的线性范围和更低的检测限。两种传感器 均具有长期的稳定性、良好的选择性和再生性。 ( 3 ) 利用恒电位电化学沉积技术，在聚苯胺纳米管( n a n o p a n ) 和壳聚糖( c s ) 复合膜修饰的g c e 电极表面电化学合成了金一铂合金纳米粒子( a u p t n p s ) ，构建 了用于辣根过氧化物酶( h r p ) 固定的纳米生物界面。在该生物界面上获得了 h r p 的直接电子转移并据此构建了一种新型的h 2 0 2 生物传感器。通过c v 和e i s 法 对界而的性能进行了研究。在最佳试验条件下，采用计时电流法，通过往连续搅 拌的p b s 缓冲溶液中加入等量的h 2 0 2 研究了传感器对h 2 0 2 的安培响应。将该传感 器用于h 2 0 2 的测定，响应速度快( 2s ) ，线性范围宽( 1 0 2 2 0 0p m o l l ) 且检测 限低( o 5p m o l f l ) ( s i n = 3 ) 。将该生物传感器应具有较高的灵敏度、良好的重现 性和长期稳定性，可用于实际样品中h 2 0 2 含量的测定。 ( 4 ) 通过c v 、线性扫描伏安法、计时库伦分析法，分别研究了林可霉素在 a u p t n p s n a n o p a n c s g c e 界面上和阿米卡星在n a l l o p a n c s g c e 界面上的电化 学行为。建立了快速测定两种抗生素的电化学方法。林可霉素在 a u p t n p s n a n o p a n c s g c e 上和阿米卡星在n a n o p a n c s g c e 上的检测范f ；l 依次 分别为3 0 1 0 0 0m g l 和1 0 0 8 0 0m g l ，检测限依次分别为1 0m g l 和8 0m g l ( s i n = 3 ) 。试验研究计算了林可霉素在电极界面上的电子转移数( n ) 、动力学参数 ( n a ) 及标准速率常数( k 。) 以及参与电极反应的h + 数目等。将两种方法分别用于 实际样品中抗生素含量的检测均得到了较为理想的结果。 关键词纳米仿生界面d n a 辣根过氧化物酶( h r p ) 抗生素电化学传感器 s t u d yo nt h ec 0 l n s t r u c t i o no fb 1 0 一i n t e r f a c e a n da p p l l c a t i o no fn a n o e l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o rn qd e t e r m i n i n gb 1 0 一m o l e c u l e s a bs t r a c t b i o s e n s i n gt e c h n o l o g yc a nc a p t u r eav a r i e t yo fb i o l o g i c a li n f o r m a t i o ni nv i v o a n dp r o v i d eb a s i ch u m a np h y s i o l o g y , p a t h o l o g y r e l a t e di n f o r m a t i o nf o rt h ec l i n i c a l d i a g n o s i sa n dt h eb a s i cb i o m e d i c a lr e s e a r c h t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h r e l a t e dt ot h i s s u b j e c th a sb e c o m ev e r yu r g e n t t h ed e v e l o p m e n to ft h en e w f u n c t i o n a lb i o m e d i c a l s e n s o r sw i l lp r o v i d eah i s t o r i c o p p o r t u n i t yf o rc o m p r e h e n s i v e l yp r o m o t i n gt h es c i e n c e p r o g r e s so f t h eh u m a nh e a l t h t h ee m e r g e n c eo fn a n o t e c h n o l o g yo p e n e da n e wh e a v e n a n de a r t hf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c hi nt h i sf i e l da n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h e w o n d e r f u ln a n o b i o n i ci n t e r f a c eh a dp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h eb i o m e d i c a l b i o s e n s o rt oan e wh e i g h t t h er e s e a r c ho fn a n o - b i o n i ci n t e r f a c ei sa ni n t e r d i s c i p l i n a r y f i e l do fn a n o t e c h n o l o g ya n dl i f es c i e n c e ，w h i c hc a nb eu s e dt os t u d yt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fb i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u l e s ，m a c r o m o l e c u l ec o m p l e x e sa n dc e l l a tt h e m o l e c u l a rl e v e li nt h en a n o m e t e rs c a l es p a c e ，t or e s o l v et h eb a s i cp r o b l e ma b o u t n a n o t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n si nt h eb i o m e d i c a lf i e l da n dd e v e l o pn e wt e c h n o l o g i e sa n d n e wm e t h o d s av a r i e t yo fb i o s e n s o r sh a v eb e e nc o n s t r u c t e do nt h en a n o b i o n i c i n t e r f a c e b ym a n yc o u n t r i e s s c i e n t i s t s ，a n d u s e df o rt h ed e t e c t i o no fh e p a t i t i s ， l e u k e m i a ，a i d s ，s a r sa n ds oo n h o w e v e r ，t h e s es t u d i e sa r es t i l li nt h e i n i t i a ls t a g e e x p l o r i n gf o rc o n v e n i e n ta n df a s tm e t h o d so fp r e p a r i n ga n da s s e m b l i n gn a n o - m a t e r i a l s ， b u i l d i n gf u n c t i o n a lb i o n i cn a n o - i n t e r f a c e sa n dd e v e l o p i n gn e wb i o - s e n s i n gt e c h n o l o g y w i l lb e c o m eac o e n d e a v o rd i r e c t i o no fm a t e r i a ls c i e n t i s t ，a n a l y t i c a lc h e m i s t s ，m e d i c a l s c i e n t i s t sa n ds oo n i nt h i sp a p e lt h en e wn a n o b i o n i ci n t e r f a c e sw e r ec o n s t r u c t e do nt h es u r f a c eo f g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( g c e ) b ya s s e m b l yo rc o m b i n a t i o no f s o m em a t e r i a l s ，s u c ha s e l e c t r i cp o l y m e r , c a r b o nn a n o t u b e s ，a l l o yn a n o p a r t i c l e sa n dn a n o o x i d e s ，u s i n gt h e m e t h o d so f e l e c t r o d e p o s i t i o n ， e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o n ， c o v a l e n t c o m b i n a t i o n ， a d s o r p t i o no rc a s t i n gt h es a m p l e s o l u t i o no i lt h es u r f a c e t h ep r o p e r t i e so ft h e i v b i o i n t e r f a c ea n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fd n a ，e n z y m e sa n dl i t t l em e d i c i n e m o l e c u l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym a n ym e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s s c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s i t i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( t e m ) ，x r a yp o w d e r d i f f r a c t i o n ( x r d ) a n du l t r a v i o l e t - v i s i b l e ( u v - v i s ) s p e c t r o p h o t o m e t r y ，c y c l i c v o l t a m m e t r y ( c v ) ，e 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 ) ，d i f f e r e n t i a lp u l s e v o l t a m m e t r y ( d p v ) ，c h r o n o a m p e r o m e t r ya n dc h r o n o c o u l o m e t r y t h em a i nc o n t e n ti s a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef e f e 2 0 3c o r e s h e l ln a n o n e c k l a c e s ，f e f e 2 0 3c o r e s h e l lw i r e sa n d c u 2 0n a n o c u b e sw e r es y n t h e s i z e d ，a n dt h e i rm o r p h o l o g i e sw e r ec h a r a c t e r i z e db y s e m 、t e ma n dx r dp a t t e m s b ya s s e m b l yo ft h es y n t h e s i z e dn a n o m a t e r i a l s ， p o l y ( d i m e t h y l d i a l l y l a m m o n i u mc h l o r i d e ) ( p d d a ) ，a un a n o p a r t i c l e s ( a u n p s ) a n d m u l t i - w a l lc a r b o nn a n o t u b e s ( m c n t s ) o nt h es u r f a c eo fg c e e l e c t r o d e ，t h r e ek i n d so f n a n o b i o n i c i n t e r f a c e s ，p d d a f e ! f e 2 0 3 a u n p s p d d a g c e ， p d d a f e f e 2 0 3 - m c n t s p d d a g c ea n dp d d a n a n o c u 2 0 a u n p s p d d a g c e w e r ec o n s t r u c t e da n dt h ep r o p e r t i e so ft h e mw e r es t u d i e db yu v v i ss p e c t r o s c o p y t h e d n ad a m a g eo nt h e s ei n t e r f a c e sd u r i n gt h ec o u r s eo ft h ec a t h o d i ct r e a t m e n tw e r e s t u d i e d b yc va n d d p vm e t h o d s u s i n gr u ( n h 3 ) 6 3 + a n dc o ( p h e n ) 3 3 + a s e l e c t r o c h e m i c a lp r o b e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed n a d a m a g em a i n l yh a p p e n e d d u n n gt h ec o u r s eo ft h ec a t h o d i ct r e a t m e n t w h e nt h e s ei n t e r f a c e sw e r et r e a t e db ya c a t h o d i cp r o c e s s ，t h ef e n t o no rl i k e - f e n t o nr e a c t i o nh a p p e n e di ni n t e r f a c e sa n dt h e r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ( r o s ) w e r ep r o d u c e d t h er o sa u a c k e da n dc a u s e dd n a d a m a g ei ns i t u t h ed n ad a m a g ec o u r s e si ni n t e r f a c ew e r ej u s tl i k et h ep a t h w a y so f t h eh e a v ym e t a li n d u c e d d n ad a m a g ei n v i v o t h e r e f o r e ，t h e s eb i o s e n s o r sc a nb e u s e dt om i m i ch e a v ym e t a lg e n et o x i c i t yp a t h w a y si nv i v oa n dc a nb eu s e da sp o w e r f u l t o o l sf o rs c r e e n i n gt h eg e n et o x i c i t yo fc h e m i c a l s ( 2 ) b ye l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，c o v a l e n tc o m b i n a t i o n ，a d s o r p t i o na n d c a s t i n gm e t h o d s ，t h ep o l y t h i o n i n e ( p t n ) ，p o l y t y r o s i n e ( p t y r ) ，a u n p sa n d n a n o z i r c o n i a - p o l y a n i l i n ec o m p o s i t e ( n a n o z r 0 2 一p f ) w e r em o d i f i e do nt h es u r f a c eo f g c ee l e c t r o d ea n d t w ob i o i n t e r f a c e s ，a u n p s p t i l g c ea n dn a n o z r 0 2 一p a n p t y r g c e ， w e r ec o n s t r u c t e d t h ep r o p e r t i e so ft h e s et w ob i o i n t e r f a c e sa n dt h ei m m o b i l i z a t i o na n d h y b r i d i z a t i o no fd n ao nt h e s es u r f a c e sw e r es t u d i e db yc 矿d p va n de i s t h e s et w o b i o i n t e r f a c e sc a nb ea p p l i e dt od e t e c tt h ep h o s p h i n o t h r i c i na c e t y l t r a n s f e r a s e ( p a t ) g e n es e q u e n c e sb yal a b e l f r e ee i sm e t h o d o nt h es s d n a a d n p s p t n g c ea n d s s d n a n a n o z r 0 2 一p a n p t y r g c e ，t h ed y n a m i cd e t e c t i o nr a n g eo ft h ep a tg e n e v s e q u e n c e sw e r e1 0 1 0 1 0 1 0 x 1 0 而m o u la n d1 0 x 1 0 。b 1 0 x 1 0 _ 6m o l l ， r e s p e c t i v e l y , a n dt h ed e t e c t i o nl i m i tw e r e3 2 x 1 0 。m o l la n d2 6 8 x 1 0 _ 4 m o l f l ( s n = 3 、r e s p e c t i v e l y t h es s d n a a u n p s p t n g c ew a sf u r t h e ru s e dt od e t e c tt h ep c r a m p l i f i c a t i o ns a m p l eo ft e r m i n a t o r o fn o p a l i n es y n t h a s e ( n o s ) f r o mak i n do f t r a n s g e n i cm o d i f i e db e a nw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s c o m p a r e dw i t h t h eb i o s e n s o r s c o n s t r u c t e db yz r 0 2n o r m a lm a t e r i a l s ，t h eb i o s e n s o rc o m p o s e db yn a n o z r 0 2 一p a nh a s w i d e rl i n e a rr a n g ea n dl o w e rd e t e c t i o nl i m i t ( 3 ) t h e a u p t a l l o yn a n o p a r t i c l e s ( a u - p t np s ) w e r es y n t h e s i z e db y e l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o no nt h es u r f a c eo ft h eg c ee l e c t r o d em o d i f i e dw i t ht h e c o m p o s i t eo fp o l y a n i l i n en a n o t u b e s ( n a n o p a n ) a n dc h i t o s a n ( c s ) t h e nh o r s e r a d i s h p e r o x i d a s ef h r p ) w a si m m o b i l i z e do nt h es u r f a c eo fa u p t n p s n a n o p a n c sa n dt h e d i r e c tc h e m i s t r yo fh r pw a so b t a i n e do nt h i ss u r f a c e ，b a s e do nw h i c han o v e lh 2 0 2 b i o s e n s o rw a sc o n s t r u c t e d t h em e m b r a n ep r o p e r t i e so fa u - p t n p s n a n o p a n c sw e r e s t u d i e dw i t hc va n de i s u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h ea m p e r o m e t r i cr e s p o n s eo f h 2 0 2o nt h i sb i o s e n s o rw a si n v e s t i g a t e db ya d d i n ga l i q u o t so fh 2 0 2t oac o n t i n u o u s s t i r r i n gp h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n t h eb i o s e n s o rd i s p l a y e daf a s tr e s p o n s et i m e ( 2s ) a n db r o a dl i n e a rr e s p o n s et oh 2 0 2i nt h er a n g ef r o m1 0t o2 2 0 0i t m o l lw i t ha r e l a t i v e l yl o wd e t e c t i o nl i m i to f0 5l a m o l la t3t i m e st h eb a c k g r o u n dn o i s e m o r e o v e r ， t h eb i o s e n s o rc a nb ea p p l i e di np r a c t i c a la n a l y s i sa n de x h i b i t e dh i g hs e n s i t i v i t y ，g o o d r e p r o d u c i b i l i t y ，a n dl o n g - t e r ms t a b i l i t y ( 4 ) t h e e l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r so f l i n c o m y c i n o n a u p t n p s n a n o p a n c s g c ea n da m i k a c i no nn a n o p a n c s g c e w e r es t u d i e d ， r e s p e c t i v e l y , a n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d sf o rd e t e c t i o no ft h e s et w oa n t i b i o t i c s w e r es e tu p t h ed y n a m i cd e t e c t i o nr a n g e so fl i n c o m y c i na n da m i k a c i nw e r e3 0 m e t e 1 0 0 0m g la n d10 0m g l 8 0 0m g l a n dt h ed e t e c t i o nl i m i t sw e r e8 0 m g la n d1 0m g l ( s i n = 3 ) ，r e s p e c t i v e l y s o m ee l e c t r o c h e m i c a lp a r a m e t e r s i n v o l v e di nt h er e d o xr e a c t i o no fl i n c o m y c i n s u c ha sp a r a m e t e ro fk i n e t i cn c c ， s t a n d a r dr a t ec o n s t a n tk sa n dt h en u m b e ro fh + ，w e r ea l s oc a l c u l a t e d b o t ho ft h e m e t h o d sc a nb eu s e di np r a c t i c e k e yw o r d s ：n a n o b i o n i ci n t e r f a c e ；d n a ；h r p ；a n t i b i o t i c s ；e l e c t r o c h e m i c a l s e n s o r v l 纳米仿生界面的构建及纳米电化学乍物传感器在生物分子检测巾的麻川研究 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢巾所罗列的内容以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已 用于其他学位申请的论文或成果。与我一同工作的i 刊志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名of 1 期：年月门 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、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。本人授权学校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。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用 本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名： 导师签名： 同期o 日期： 年月只 年月同 青岛科技人学研究生学位论文 第一章文献综述弟一早义陬三示途 电化学与生物技术相结合产生了一个多学科交义的新领域一生物电化学，其 主要研究内容之一是研究生物组织结构及功能生物界面与电极表面问的电子转 移。2 0 多年来的科学实践证明，i 工- 倒世m q ：堕e l 些i 趣 地盘里! 丛爹特丝的有力 受也是探索生物传感器和生物电壬昼面内生物勰鳆煎效应垫i l 南l 。为了设计 新颖的电化学装置和更好地理解生物分子与电极表面之问的相互作用，最近，电 极表面上的生物界面设计有了令人兴奋的发展，即通过对生物分子、电极或两者 同时进行表面工程处理，结合生物相容性成份生成灵敏可控的生物层1 7 _ 例。纳米 技术的出现为该领域的研究打开了全新的视野，纳米结构材料( 如纳米粒子、纳 米管) 具有良好的生物卡h 容性和良好的电子学、磁学、光学和催化性能，而且在 尺寸上与生物分子( 如蛋白质、d n a ) 比较接近。因此，纳米材料与生物分子结 合可产生具有协同功能和作用的纳米生物界面j 。将新颖的纳米生物界面与电化 学相结合构建纳米电化学生物传感器并用于生物医学检验的研究引起了科研工 作者的极大兴趣。 到目前为止，多数的生物传感器通常是将一个或者多个生物分子同定作为探 针，利用探针与目标分子的选择性结合或者以一个小的媒介物作为生物分子与电 极之间的传导体，通过检测氧化还原反应的电化学信号测量底物的减少、消失或 产物的生成；少数是通过生物分子的氧化还原位点与电极之间的直接电子转移进 行检测。但一些大的生物分子的氧化还原位点通常深藏于生物分子内部很难得到 直接电子转移。最近，以纳米结构材料为媒介体，通过对生物分子或电极进行修 饰，设计新颖的、功能化的纳米仿生界面并对生物界面与电极之间的信息转换进 行的研究受到了广泛关注并已取得了相应的进展。 1 1 纳米材料及纳米仿生界面的构建 1 1 1 常见的纳米结构材料 纳米技术与纳米科学的快速发展提供了多种具有高度可控和独特的光学、电 子学、磁学和催化性能的纳米材料。纳米材料组成( 金属及金属合金、半导体氧化 物、碳、有机高分子等) 、形状( 粒子、棒状、线形、管状等) 和易于表面功能化 ( 物理、化学或生物) 的多样性能够用于构建不同功能的纳米仿生界面1 1 2 _ 1 6 1 ，提高 生物传感器响应。这些纳米材料在不同的传感体系中起着不同的作用，综合起来 纳米仿生界面的构建及纳米电化学生物传感器拒，# 物分子榆洲中的应川研究 不外甲以f 几种功能：用于生物分子的固定、催化电化学反应、提商生物分子与电 极问的电了转移、标记生物分子和作为反应物质i 。 金属及金属合金纳米粒子 a 。 b0 o c ”专裔 r阎 h b r f b 7 2 l 一 d 5 势菊 r 辫鼙 rr 目l1 金纳米粒子在d n a 传感系统中不同的压用策略示意图 f i g i s c h e m a t i co f t h ed i f f e r e n ts l r a t e g i e su s e d f o r t h e i n t e g r a t i o no f g o l dn a n o p a r i i c l e s ( a u n p s ) i n t od n as e n s i n gs y s t e m s ( a ) 先用i i b r b r 2 混合溶液溶解a u n p s 然后测定m i ( 1 1 1 ) 离于( b ) 直接测定固定在基 因传感器表面的a u n p s ；( c ) 电导击测定，( d ) z l 过银或金增强信号进行测定，【e ) 以a u n p s 作为其他a i i n p s 的我体，似) a u n p s 作为其他电活胜标记物的我体 金纳米粒r ( a u n p s ) 是稳定的金属纳米利料，是矗量 有代丧惟的金属纳米 粒。金纳米粒了她有很人的表由积干成面白能，能够强烈吸附d n a 。同时， 存制簖过程r i 吸刚的柠檬陵刘金纳水牲子与d n a 链之州向结合起定的促i 址作 用。d n a 也- 以通过巯墒或扦其他作用( 如乍物豢链罐亲和系联结1 2o 金纳米 粒，发- 很强的卡l 作川。已报道的”j 】检测d n a 杂交的模式或者基于检测溶 解扁的会纳米粒了，或者直接检测连接在基因传感器表面的a u n p s d n a 共轭体 系。为r 提高检测的灵敏度，科研1 作省已采川了多种策略。纳起来大概钉以 f , r l 科, j j 浊| l ”( 见圈1 - 1 ) ( a ) 通过测定被强酸溶解的会纳米村r ，咆化学测定金 纳沫札r 的柑：记物：( b 1 济伏安法直接测定定在传统基传感器表的令纳 米粒子：( c ) 银增强电导测定技术；( d ) 利用银或金增强固定在传统基因传感器 表向的会纳米粒f ：( e ) 以金纳米种子为载体进行其他电活性粕、记；( f ) 基于- 青岛科技人学研究乍学位论文 物素一链霉亲和素相互作用、毓基一金联结或者静电作用形成各种各样的酶- a u n p s 共轭体系。 除金纳米粒子以外，金纳米管、金纳米线和会纳米棒也被用于研究生物界面 叼训。例如，可将5 被硫醇修饰的单链d n a ( s s - d n a ) 与会纳米线反应得到d n a 功能化的纳米线1 2 。将抗体或d n a 与会纳米棒联结的生物共轭金纳米棒也已在 生物分析体系中得到了广泛应用1 2 1 - 2 4 1 。 胶体银是另一类重要的金属纳米材料，具有较大的表面积、良好的生物相容 性和电活性。利用e 物分子功能化银纳米粒子将足一条构建生物电化学分析体系 的新途径。银纳米粒子与生物分子的结合可以山多种方式完成。r e n 等1 2 5 j 将葡萄 糖氧化酶与银纳米粒子简单混合，并通过戊二醛将这种混合物与聚乙烯缩j 一醛 ( p v b ) 交联，构建了用于测定葡萄糖的葡萄糖7 物传感器。w a n g 掣2 6 j 利用d n a 模板法，即利用银阳离子沿着d n a 双链静电富集并沿着d n a 骨架还原形成银纳 米簇，发展了一种测定d n a 杂交的电化学生物传感方法。静电作用能够将带负 电荷的胶体银纳米粒子与带相反电荷的生物分子自组装到电极表面形成生物界 面，用于生物电化学分析f 2 7 , 2 8 1 。银对毓基的高活性使它可以成功地与含巯基端的 生物分子结合，这种组装过程有许多重要的优点如简单、可控，并能提高纳米仿 生界面的机械性能以及化学和热稳定性，例如，将含有毓基的核苷酸自组装到胶 体银修饰的电极表面，随后以阻抗谱法对d n a 进行传感分析，发展了一种新颖 的制作d n a 生物传感器的方法1 2 9 1 。 除了常用的金和银纳米粒子，其他会属纳米粒子如铂等会属纳米粒子也已被 用于设计纳米生物界面1 3 0 l 。 金属合金相对于构成合金的单一金属而言具有许多独特的优良性能，如抗拉 伸强度、延展性、磁性、耐腐蚀性及催化性能等。近年来，通过在过电位下电化 学共沉积电解质溶液中的两种金属离子制备合金纳米粒子的方法得到了广泛的 研究【3 1 - 3 3 1 。其在生物传感器领域的应用也得到了越来越多的科研工作者的关注 【3 6 j 。如d o n g 等例研究了核壳a t 卜p t 合金纳米粒子的制备及其催化活性；z h o u 等 1 3 5 1