（分析化学专业论文）基于铁磁性纳米材料的电化学生物传感器研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r s 丁h e s i s 摘要 纳米材料因其优良的物理、化学性质，在生物电纯学传感中得到了广泛应用。 作为一季中新型的纳米材料，磁性纳米材料除了具有普通纳米材料的优良性质外，还 具有独特的超顺磁特性和丰富的表面官能团，近年来逐渐在包括酶固定和电催化分 析在内的许多研究领域都得到了成功应用。 本文的主要目的在于研究铁磁性纳米粒子及磁性微球在多巴胺的电催化分析 及血红蛋白、辣根过氧化酶等氧化还原酶的固定与生物传感方面的应用。其主要内 容为： 一 l 。将碳包铁纳米粒子( c c 姗s ) 分散液和n a f i o n 漓加到玻碳电极( g c e ) 表露得到 n a f i o n c c n 岬s 修饰电极。在p h5 5 的磷酸盐缓冲溶液( p b s ) 中，多巴胺( d a ) 在该修 饰电极表现出可逆性较好的受扩散控制的电催化氧化行为。通过计时库仑法求得 d a 在修饰电极上的扩散系数为3 o x l e 斑2 s 。示差脉冲伏安法( d p 测得d a 的氧化 电流在2 0 6 0 岬o l l 范围内与其浓度成较好线性关系，相关系数为o 9 9 9 2 ，检测限 为o 8 3 岬o l l 。将该方法用于盐酸多巴胺注射液样品测定，测量值与药典法结采较 好吻合。由予在选定实验条件下抗坏童酸0 a ) 等不干扰其测定，且修饰电极其有较 好的稳定性和重现性，此方法可以较好的用于伏安检测d a 。 2 将铁纳米粒子m 口s ) 的n a f i o n 分散液滴加到洁净的碳糊电极( c p e ) 表面，得 到曩婚s - n 鑫曩修饰c p e ，并震循巧伏安法研究了d a 在该修饰电扳上的龟化学行 为。实验表明，在p h7 0 的b r 缓冲溶液中，与裸电极相比，d a 氧化峰负移，还 原峰正移，峰电流大大增加，表现出较好的电催化行为，且能排除a a 等常见干扰 物豹影响。实验考察了碳糊成分毙例、修饰翔用量、酸度、扫速等对i a 在修饰电 极上的电化学行为的影响。在最优条件下，利用d p v 法测得d a 的峰电流在 o 0 1 o 1 l n 硼o l l 范围内与其浓度呈较好线性关系，检测限为3 3 岬o l i 。此外，该 修饰电极也具有较好的稳定性、重现性和选择性。 3 用c c 腓s 和壳聚糖制备了壳聚糖磁性微球( m c m s ) ，并将其用于酶电极的制 备。在戊二醛交联剂的作用下，血红蛋白( h b ) 被成功固定在m c m s 修饰g c e 表面， 且固定的h b 在亚甲基蓝 缀 电子媒介体作用下对0 2 表现掰良好的电催化还原作 用。用稳态安培法考察了的浓度、p h 值、工作电位等因素对实验结果的影响。 在优化条件下，该h 2 0 2 传感器的响应时间小于l o s ，在o 0 6 9 o 2 9 f i 硼o l l 和 0 2 9 3 翻硪l o 忱两个浓度范围内，稳态安培电流与遵。2 浓度成较好线性关系，检测 硕士掌位论文 m a 8 t e 藏st h e s l 8 限为0 。0 2 l m m o 况。此外，该传感器器还具有良好的选择性、稳定性和重现性，可 成功应用于h 2 0 2 的定量分析。 4 。用粼p s 和葡聚糖割备了颗粒均匀、粒径较小的麓聚糖磁性微球似d m s ) ，并 将其应用于辣根过氧化酶( h r p ) 的固定，固定在m d m s 修饰g c e 表面的h r p 在电予 媒_ 介体对苯二酚( h q ) 的作用下，对 2 0 2 具有良好的电催化还原作用。实验考察了 h q 浓度、溶液p h 值和工作电位等因素的影响。在优化条件下，该0 2 传感器响应 时间小于1 0 s ，且在o 2 0 ”m o 儿0 6 8 m m o l l 浓度范围内稳态安培电流和h 2 0 2 浓度成 逛好线性关系，检测限为0 0 7 8 箨擞。娩。该安培响应表现出良好豹m i e h 鑫e l l 妒m e 狂钯n 行为，求得表观米氏常数k 汐为1 3 8 m m o l l 。此外，实验还考察了该传感器的选择 性、稳定性和重现性，取得了满意的结果。 关键词：生物传感器，磁性纳米材料，多巴胺，过氧化氢，血红蛋自，辣根过氧化 酶，电催化，修饰电极 硕士学镜论文 m a s t e r st h e s l s a bs t r a c t n a n o l _ n a t e f i a l sh a v eb e e na p p l i e de x t e n s i v e l yi ne l e c 重f o c h e l n i e a lb i o s e n s i n gb e c a u s eo f t h e re x c e l l e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s a so n ek i n do fn o v e ln a n o m a t e r i a i 。 m a g n e 量i cn a n o m a t e r 主a l sh a v eb e e nu s e ds u e c e s s f h l l yi nm a n yf e s e a f l c h 磊e l d si n c l u d i n g e m m ei m m o b i l i z a t i o na n de l e c 仃o c a t a l y t i c a la n a l y s i sb e c a u s et h e yn o to n l yh a v et h e c o m m o nn a n o c h a r a c t e r sb u ta l s oh a v es o m eo t h e re x c e l l e n tp r o p e r t i e si n c l u d i n 鼹 s u p e f p a r a m a g n e t i s m 基珏da b u n d a 嫩妃n c t i o 魏a lg r o u p so nt h es 瑚 k e t h ef u n d a m e n t a lp u 叩o s eo ft h i sp a p e ri st 0s t u d yt h ea p p l i c a t i o no ft h ei r o nm a g n e t i c n a n o p a r t i c l e sa n dm a g n e t i cm i c r o s p h e r c si nt h ee l e c 仃d c a 协l y t i c a la n a l y s i so fd o p a m i n e ， t h ei m m o b i l i z a t i o no f 跫d o x e m m e ss u c ha sh e m o g l o b i na n dh o f s e 豫d i s hp e r 。喔试a s e a n dt h e i rb i o s e n s i n 窝t h em a i nc o n t e n to fm i sp a p e ri sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 ad r o po fh o m o g e n e o u sc a r b o n c o a t e di r o nn a n o p a r t i c i e s ( c c i n p s ) d i s p c r s i o na n d n a 鑫o nw e r es u c c e s s i v e l yc a s to nt l l es u 蠡e eo fag l a s s yc 8 内o ne l e c t i 渤d e ( g c e ) t 0 f a b r i c a t ean a f i o n c c i n p sm o d i f i e d ( 翔0 e t h em o d i n e de l e c 竹o d ee x h i b i t e dg o o d e l e c t r ( 站a _ t 8 l y t i ca c t i v i 拇 o re l e e 蹴h e f n i e a lo x i d a t i o no fd o p 甜n i n ea ) a ) w h i c hw a s c o n 缸d l l e db yd i 鼬s i o ni 矗h ep h5 5p h o s p h a eb u 疏rs o l 乇l l i o n ( p b s ) ，粕蠢t h ed i 曲s i o n c o e 伍c i e n tw a sd e t e n n i n e da s3 0 lo “) c r su s i n gc h r o n o c o u l o m e t i y t h eo x i d a t i o n p e a l 【e u 删圭s t e 黼i n 耐b yd i 鼠姗t i a lp u l s ev o l t a 瑚m e 耄哆p p v ) 娃o w c dal h e a r d e p e n d e n c co nt h ed ac o n c e n 锨l t i o na n dal i n e a ra n a l y t i c a lc u r v ew a so b _ a i n e d 赫t h e r a n g ef r o m2 0t 06 0 岬o 。w t hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f0 9 9 9 2 t h ed e t c c t i o nl i m i t w 瑟e s t i m a t e d 耋ob eo 8 3 啪o l l 至弧i sm e 氆o dw 箱a l s oe x a m 趣e df o rt l l ed e 把c t i o no fd a m 锄i n j c c t i o ns a m p l ew h i c hw a sg o o dc o n s i s t e n tw 硫m ep h 盯m a c o p e i a lm e t h o d 1 n a d d i t i o n ，a s c o r b i ca c i d ( a a ) a n ds o m eo t h e rp o s s i b l ei n t e r f e 糟n t sd i d n ti n t e r f e r cw i mt 量1 e d c 绝舶i n a t i o no fd au n d e rt h e 潜s e n te x p e f i m e n 毛a lc o n d i t i o 瀣d u e 幻i t sg o o dl i l l e a r r e l a t i o n s h i p s t a b i l i 坶a n d 心p r o d u c i b i l i t y ，t i l ec c i n p s n a f i o nm o d i f i e do c ec 觚b e e f l - e c 珏v e l vu s e d 国rv o 王重a m m e 试ed 酏e c t i o no f l a 2 。l r o nn a n o 咖i c l e s ( 至n p s ) w e f es u c c e s s 良l l yd i s p e f s e d 主nn a 蠡o ns o l u t i o n 幻。阮i n 如ln p s j n a f i o nd i s p e r s i o n ，粕dad r o po fm i sh o m o 霉r e n e o u sd i s p e r s i o nw a sc a s to n t ot h e s u 出c co fae a r l ) o np a g l ce l e 谢醚e ( c p e ) t of a b d c a ：把朗n 岬s n a 粕nm o d i f i e dc p e 1 i i ee l e c t r d c h e m i c a lb e h a v i o ro fd ah 笛b e e ns t u d i e db yc y c l i cv o l t a 眭l m e t wa lt h i s m o d i f i e de l e c t r o d ei nap h7 ob - rb u 仃e rs o l u t i o n b yc o m p a r i n gw i 廿la 蛔埙ec p e ，m e a n o d i c 觚de 鼬o d i cp e 救p 粼i a l ss h i 触dn e g a t i v 每鞠dp o s 撼v e l y 托s p e e 墩r e l y ，躺da p a i ro fg o o dd e f m e dr e d o xp e a i ( sw e r eo b s e r v e dw 弛g r c a te i l l l a n o ft l l ep e a kc u m n t s t h ee f i e c t so fm ec o n s t i 眦o fc a 小o np a s t e ，绷。岫to fm ed i s p e r s i o n ，p h 黝ds c a nr a t c w e r es t u d i e dt oo b t 鑫i nm eo p t i m u me x p e r i m e n a lc o n d i 畦o n s 。t h ep e a ke l 疵n b d e t e r m i n e db yd p vs h o 、e da ne x c e l l e n tl i n e a rr e i a t i o n s h i pw i t ht h ed ac o n c e l l 仃a t i o ni n t h ef a n g e 螽o mo 0 lt o0 。ll 糯m o 阮w t h 壤e 纛e t e c t i o nl i 溅i to f3 3 薛礅o l 九1 na 羽i t i o 轻， 也i sm o d i f i e de l e c t r o d ea l s oh a sg o o ds t a b i l i 也心p r o d u c i b i l i 坶a n ds e l e c t i v i 妣 3 an o v e lm a g n e t 沁c h i t o s a nm i c r o s p h e r c ( m c m s ) w a sp r e p a f e du s i n gm a g n e t i c c c 戮p sa 鑫de h i 幻s 鑫n 。h e m o 建l o b i 娃德协w 菸s 骐e s s 加l 匆i 测麓o b i l i z e do n 也es u f 照e eo f m c m sm o d i f i e dg c ew i t ht h ec r o s s 1 i n “n go fg l u t a r a i d e h y d e ，蝴dt h ei m m o b i i i z e dh b d i s p l a y e da ne x c e l l e me l e c t f o 龆重a l y t i ep 鳓p e r t y 专。也ef c d 醵c t i o no fh 2 0 2i 矗t kp 羚s e n e o o ft h em e d i a t o fo fm e t h v l e n eb i u e ( m b ) t h ee 脓c t so f 也ee x p e r i m e n t a lv a r i a b l e ss u c ha s t h ec o n c e n t r a t i o no fm b ，s o l u t i o np ha n dm ew o r k i n g p o t e n t i a lw e r ei n v e s t i g a t e du s i n g s 钯a d y 一啦姆a m p e m e l 猡弧i sb i o s e n s o rh a d 鑫风t 羚s p d n s eo f 迅0 2l e s s 如勰l o sa n d e x c e l l e n tl i n e 盯r c l a t i o n s h i p sw e r eo b t a i n e di nt h ec o n c e n t m t i o nr a n g eo fo 0 6 9 坩2 9 m m o b 屯a n do 2 9 3 o m m o l 压，w i 氇像ed e 嘲i o 藏l i m i to fo 0 2lm 嫩o l 忍u 棚e f 斑eo 戳i 攒珏m c o n d i t i o n s m o r e o v e r ，t h i sb i o s e n s o rh a sg o o ds e l e c t i v i 劬s ! 吣i l n ya n dr e p r o d u c i b i l i 劬 w h i c hc a nb eu s e ds u c c e s s f u n yf o rh 2 0 2d e t c i n a t i o n 4 a 羹e w 薹( i n do f 礅a g n 戡i e 如x 嗽燃i e s 曲e 辩( mi ) m s ) w 弛张i f o 雕s h a 弦雒d 一丌o wd i a m e t c rd i s t r i b u t i o nw a sp r e p a r c du s i n gm a g n e t i ci n p s 觚dd e x t m n h o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e ( 硼r p ) w a ss 黼c e s s 缸l l yl m m 曲i l i z 耐o n 谯es w 蠡糙eo fm d m sm 翻i 磊甜( 沦& a n dt h ei m m o b i l 捌h r pd i s p i a y e da ne x l l e n te l e c 妇c a t a l y t i cp r o p e r 锣t 0t h c 糟d u c t i o no fh 2 0 2i l lt h ep r e s e n c eo fm em e d i a t o ro f h y d r o q u i n o n e ( h q ) 确ee f c t so f 蚀ee x p e f i l 嫩n 专a lv 数i 3 b l e ss u e h 鑫s bc o l 瓣e n 瓴畦i o no f q ，s o l u l i o np ha l l d 也ew o 姚g p o t e n t i a l 叭i n v e s t i g a t e d n i sb i o s e n s o rh a daf a s tr e s p o n s eo fh 2 0 2i e s s 姗lo s 锄d a 薹le x c e l l e 撒l i n e a ff e l a t i o n s h 洒w a so b 谂i n e d 汛锤ee o n 精搬t i o n 潮黛eo fo 2 0 瞰瀚彩l o 6 8 m m o 儿w 汕也ed e t e c t i o nl i m “o f0 0 7 8 u m o l l ( s n = 3 ) 蛐d e rt i 糙o p t i m u m c o n d i t i o n s t h ea m p e r o m e t r 沁r e s p o n s es h o w e dam i c h a e l i s m e l l t e nb e h a v i o ra tl a r g e f 氇0 2 珏c 鞠赋；雠s ，瓣d 攮ea 即a 瞳m i e h 秘l i s - m e 鑫搬l 曩s lj 管强燃e 幽糖a 耗d t 0b c1 3 8 眦n o 儿m o r e o v e f ，t l l es e l e c t m 愀s t a b i l 耐a n dr e p r o d u c i b i l 时o fm i s b i o s e n s o rw e r ee v a l u a l t c dw i t l ls a 矗s f a c t o r v1 c s u l t s k e y w o r d s ： b i o s e n s o r s ，m a g n e t i cn 釉o m 舭r i a l s ， d o p 枷i ，h y d r o g c np c r o x i d e ， h e m o g l o b 酝，h o 粼鞠d i s hp e 妁x i d a s e ，e l e 淑擞l y s i s ，l 鞋。蠢i 鑫e de l 蜘d 豁 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：扣全年r 月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中师范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将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。 作者虢叛阁不 日期：扣。孕毕r 月1 3 日 导师签名：弘涵阳 导师签名： 幺尬勰 日期：扣。叠年r 月i 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的规 定享受相关权益。圃童途塞握童卮溢卮! 旦坐生；孟生；旦三生筮查! 拓者船缸蚱 日期：扣9 年，月( a 日 导师签名：弘涩砸 日期：如以年r 月l 日 硕士学位论炙 m a 8 t l 激s1 w e s i s 本论文主要创新点 将磁性纳米材料应用于电化学生物传感器研究越来越受到久们的关注。德是， 这方丽的工作还刚刚起步，报道相对较少，且目前研究的磁性材料多是铁氧化物或 以铁氧化物为磁核的高分子微球，粒径普遍较大。本文首次将铁、碳包铁磁性纳米 粒子应用于多巴胺生物活性小分子的电催化分析，并以铁、碳包铁纳米粒子为磁核 制备成粒径小、生物兼容性好的磁性高分子微球，将其成功应用予氧化还原酶的固 定和h 2 0 2 传感器的制备。 1 将碳包铁纳米粒子分散在壳聚耱中，并结合n a f l o n 作用制备成对多巴胺具 有良好电催化性质的纳米复合膜修饰电极； 2 将铁纳米粒子分散于n a f i o n 溶液中后滴涂在碳糊电极表面制备成修饰电极， 多巴胺在该修饰电极上表现出较好的电催化行为： 3 制备了以纳米碳包铁为磁核的壳聚糖赢分子微球，并以此来固定血红蛋白， 在亚甲基蓝媒介体的作用下成功制备成了h 2 0 2 安培传感器； 4 制备了以纳米铁为磁核的葡聚糖高分子微球，并以此成功应用于辣根过氧化 酶的固定，在对苯二酚媒介体的作用下制备成了h 2 0 2 安培传感器。 v 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第一章绪论 化学修饰电极是当前电化学、电分析化学中十分活跃的研究领域。通过利用特 定功能材料和修饰方法，我们可以对电极界面进行有针对性的分子剪裁，赋予电极 全新的界面特性和预定的功能，从而在分析化学领域高选择性、高灵敏度的电化学 检测中得到广泛应用。此外，人们还将电极表面的化学修饰和酶底物等生物特异反 应相结合，通过化学修饰的方法成功将酶等生物物质固定于基体电极上制备成性能 优良的生物电化学传感器，从而为修饰电极的研究和应用开辟了一个全新的方向。 1 1 化学修饰电极 电极材料是电化学研究中极为重要的因素，一般常用金属、金属氧化物或碳质 电极作为工作电极。而电化学反应一般是在电极表面进行的，因此如何通过表面修 饰使电极赋予所期望的特定性能，从而改善现有基体电极的表面性质，成为电化学 工作者研究的新课题，也正是如此诞生了“化学修饰电极这一新的概念和研究方 向。 1 1 1 化学修饰电极及分类 所谓化学修饰电极，就是在导电性的电极表面上，把具有某种功能的化学基团 通过物理或化学的方法在电极表面进行修饰，从而在电极表面造成某种微结构，赋 予电极特定的功能。修饰电极的研究，将电化学与有机、生物、高分子化学等学科 结合在一起，实现了预期的电极功能设计，突破了以往电化学家的研究范畴，把人 们的注意力转移到了电极表面上来。自上世纪六、七十年代化学修饰电极在美国兴 起以来，其研究和应用越来越得到包括我国在内的很多国家相关科研工作者的广泛 关注，从而推动了其快速发展。上世纪9 0 年代，华东师范大学的金利通教授等【l 】和 中科院长春应化所的董绍俊教授等【2 l 先后出版了该领域的中文专著，详细介绍了化 学修饰电极的基本知识和研究进展，为化学修饰电极的研究作出了巨大贡献。 用于制备修饰电极的化学修饰剂种类繁多，性质各异，一般可以根据其修饰方 法将其分为以下几类： ( 1 ) 共价键合型：这是最早使用的化学修饰方法。首先，要通过电极表面的 预处理引入合适的键合基团，如o h 、c o o h 、二n h 2 等；第二步是进行表面有机合 成，通过键合反应把预定功能团键合于电极表面。这种方法手续繁琐，过程复杂耗 时，并且电极表面的覆盖率低，除了某些特殊需要外，目前应用较少。 ( 2 ) 吸附型：吸附法又可以分为化学吸附法、欠电位沉积法( u p d ) 、l b 膜法 和自组装( s a ) 膜法等。其中，化学吸附法简单直接，但吸附层难以重现，吸附的修 饰剂也不稳定；u p d 法能够制出很好的、有规则的定型微结构，但仅仅适用于有限 的几对主客体，具有一定的应用局限性；l b 膜法可以在分子水平上制备成单分子 层的修饰薄膜：s a 法可以基于分子的自组装作用在固体电极表面形成高度有序的 单分子层，且膜的稳定好，制备方法比l b 膜法简单，但是对基体电极要求高，所 用的试剂要自行设计和合成。 ( 3 ) 聚合物型：包括从聚合物出发，通过蘸涂、滴涂、旋涂法，或氧化还原 电化学沉积法制备，以及由低分子化合物( 单体) 通过化学聚合或电聚合等方法而 形成的修饰电极。由于聚合物膜具有良好的化学和物理稳定性，且种类繁多，制备 简单，一因而在化学修饰电极研究中应用广泛。 ( 4 ) 组合型：组合法是将化学修饰剂与电极材料按照一定比例混合后制备成 修饰电极的一种方法，最为典型的即为化学修饰碳糊电极。将化学修饰剂与碳粉混 合并用石蜡油作为粘合剂制备成的碳糊电极，由于具备制备工艺简单、造价低廉、 背景电流低、电位范围宽、响应时间短、易于更新和修饰等优点，因而得到了广泛 的应用。 1 1 2 化学修饰电极在分析化学中的应用 化学修饰电极在定量分析中是一种集分离、富集和测定于体的理想体系，在 提高分析方法的灵敏度和选择性方面具有独特的优越性，因而在分析化学领域得到 了广泛的应用。 ( 1 ) 制备电位型离子选择性电极：如在电极上修饰一层对组分具有选择性透 过作用的膜，可以制备成对某些离子具有特异响应的电位型传感器，并排除不必要 的干扰物的影响。袁若等先后制备了基于2 ，3 丁二酮双缩氨基硫脲中性载体的聚氯 乙烯( p v c ) 膜a 矿离子选择性电极【3 】和基于双氨基三唑硫醚中性载体的h 矿离子选 择性电极【4 j ，实现了对这两种金属阳离子的优良响应和成功测定。值得注意的是， 超分子因其特殊结构和性质近年来也为离子选择性电极的研制注入了新的活力。如 e m c h i d 等在聚吡咯等修饰的铂微电极上，利用p v c 和杯【4 】冠5 离子载体制备了 种k + 离子选择性电极，实现了在p h3 1 l 较宽的酸度范围内对k + 的选择性检测【5 1 ； k l l l c 等在杯【4 】芳烃衍生物基础上研制成功了p v c 膜c r 2 0 7 2 。阴离子选择性电极，成功 实现了在多种阴离子和金属阳离子存在情况下对c r 2 0 7 2 的选择性检测，在p h = i o 的 最优条件下检测限可达4 3xl0 。8 m o 儿【6 1 。 ( 2 ) 用于物质的富集及伏安分析：当某些被测物能够和修饰剂或电极表面修 2 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 饰的功能团发生配合、离子交换等反应而被富集时，修饰电极就能大大提高对待测 物质的分析灵敏度。如黄文胜等制备了双硫腙修饰玻碳电极，利用阳极溶出伏安法 成功测定痕量镉和铅，由于镉和铅离子通过与电极表面的双硫腙发生螯合作用而富 集在电极表面，使得该方法灵敏度大大提高【7 1 ；费锡明等利用n a f i o n 和阳离子之间 的静电吸附作用，制备了n a n o n 修饰玻碳电极成功实现了痕量铟的选择性测定【8 】； s h i m 等制备了e d t a 键合聚合物膜修饰电极，利用线性扫描和方波伏安法在不同酸 度下成功实现了对c u ( i i ) 、h g ( i i ) 、p b ( i i ) 、c o ( i i ) 、n i ( i i ) 、f e ( i i ) 、c d ( i i ) 、z n ( i i ) 等 痕量金属离子的选择性检测1 9 j 。 ( 3 ) 对电活性物质的电催化分析：当在电极表面修饰上一层能够促进待测物 质的电子传递速率的媒介体或其它修饰剂，就可以有效降低其过电位，提高电流响 应，降低检测限，并排除其它物质的干扰。如以电活性的生物染料、氨基酸和氧化 聚合物膜作为修饰剂可以有效的促进多巴胺( d o p 锄i n e ，d a ) 、抗坏血酸( a s c o r b i c a c i d ，a a ) 等生物电活性物质与电极间的电子传递，选择性的对其进行催化氧化和定 量检测【她1 3 】；用壳聚糖羧基化碳纳米管修饰玻碳电极可以实现对亚硝酸根的选择性 氧化，并排除其它离子的干扰，制备成检测n 0 2 。的电化学传感剁1 4 】；胡效亚等在多 壁碳纳米管修饰的玻碳电极表面聚合一层普鲁士蓝，实现了对h 2 0 2 的较好催化和定 量测定【1 5 】；吴华强等采用湿化学法在碳纳米管上负载n i 纳米粒子制备成了修饰玻碳 电极，实现了在碱性介质中对甲醇的电催化氧化i l 6 。 一 ( 4 ) 制备生物传感器：将生物体中能够选择性识别特定功能物质的酶、抗原 ( 体) 、组织等引入电极，通过这些物质与目标底物之间的特异作用，如酶与底物 的结合，抗体和抗原的结合等，可以制备成在食品工业、环境监测和生物医学等领 域具有巨大应用价值的酣1 7 。1 9 1 、免疫【2 0 ，2 1 1 、组织【2 2 矧传感器等。 ( 5 ) 与其它分析方法联用：如将化学修饰电极应用于流动注射( f 丛) 分析洲， 或用作高效液相色谱【2 5 1 、毛细管电泳分析【2 6 j 等分析方法的电化学检测器，以及通过 电致化学发光口7 l 等光电联用技术将其应用于光谱电化学方面的研究等，这些都大大 拓展了化学修饰电极的应用范围，促进了其它分析方法的发展。 1 2 多巴胺电化学传感器研究 1 2 1 多巴胺的性质及研究方法 d a 、去甲肾上腺素( n o r e p h l e p h r i n e ，小厄) 和肾上腺素( e p i n e p h r i n e ，e p ) 是存在于 哺乳动物和人体内的重要的儿茶酚胺类神经递质，它们的生物合成及代谢过程如图 1 1 所示【2 8 】。研究证明，d a 在血液、尿液等中的含量与中枢神经、肾、心血管等多 3 种生理功能和高血压、精神分裂症、帕金森氏症等疾病有着着重要的关系 2 舅捌，研 究其氧化还原过程并对其进行选择性测定对探讨生理机制和相关疾病的诊断和治 疗都具有重要意义，人们对儿茶酚胺类神经递质的研究始于上世纪4 0 年代，各种 方法，如荧光光度法、气相色谱法、高效液相色谱法、毛细管电泳、化学发光和电 化学方法等先后在其高灵敏度、选择性检测中得到成功应用，n i k o l a j s e n 和t s u n o d a 先后对其分析方法及研究进展进行了综述f 2 邑h j 。 w x r ix 产! x 产 l 讷_ 岫_ 劓 啪q - _ _ _ 呻胛 图1 1 儿茶酚胺类神经递质的生物合成及代谢过程引 f i g 1 1p 础w a y so f c a t e c h o i 锄i i l en a l r o 仃娜m i t t 哪b i o s y n t 蟒i s 觚d 觚b o l i 锄网 p d c ，d o p ad e c a r l o 巧l 够e ； d b h ，d o p 锄i i l e 岫y d r o 珂k e ；p n m t jp h e n y l 甜啪o l 锄i 1 1 e n - m e n l y l 衄塔f e m ；c o m t c a t e c h o l - o m 州h y 矗濑；m a 0 ，m o 锄i n eo x i d 酗e ；a d ， a l d e h y d ed e h y d r o g e 曲弱；l 氏a l 出h y d er e d u c t a s c ) 1 2 2 多巴胺电化学传感器研究进展 a a 是和d a 等一起大量共存在于人体内以维持健康的一种必需的维生素，具有 酸性和很强的还原性，在体内生物合成及物质代谢中发挥着重要的作用。由于d a 具有电活性，因此电化学方法成为d a 定量检测的一种重要方法，且该方法具有仪 器简单、灵敏度高等优点。但是其主要问题在于以下两个方面：一方面，由于d a 在固体电极上过电位高，氧化产物易吸附于电极表面，因而易导致电极的钝化和灵 敏度的降低；另方面，大量共存的高浓度a a 的氧化电位和d a 非常相近，对其含 量的测定造成严重干扰【3 2 出】。因此，利用各种性质优良的功能材料及相应的修饰方 4 长 查 ? ， 一 一辽 法，制备具有特定性能的修饰电极，从而来排除a a 的干扰，实现对d a 的选择性测 定具有十分重要的意义，也得到了广大研究工作者的极大关注。 ( 1 ) 生物染料等电子媒介体修饰电极 亚甲基蓝等生物染料由于具有很好的电活性，因而常常作为电子媒介体在修饰 电极的制备中起到电催化作用。如陈洪渊院士等制备了硫堇衍生化膜修饰电极，实 现了对d a 的电催化和安培测定f 3 5 】；h u 等在n a 行o n 的共同作用下，制备了纳米c u 2 0 吸附固定亚甲基蓝的修饰电极【3 6 1 ，c h 印等制备了c u 染料复合物修饰电极【3 7 1 ，较好 实现了对d a 的电催化测定。 ( 2 ) 聚合物膜修饰电极 电聚合法不仅能够提供稳定性好、重现性高的导电聚合物膜，而且可以通过形 成带电荷的修饰膜的静电作用排除干扰物的影响，因而也在d a 的电催化分析中得 到成功应用。如c h e n 等利用电聚合法制备了聚( 3 ，4 乙二氧基) 噻吩修饰电极删， z h 觚g 等制备了聚p 氨基苯磺酸修饰电极1 3 9 】，实现了对d a 和a a 的同时测定； b a e 等在电聚合一层导电聚合物膜的基础上，又修饰上一层阴粒子聚合物制各成修饰电 极，既可以较好的电催化氧化d a ，又可以排除a a 的干扰【4 。 ( 3 ) 自组装仿生电极 自组装技术可以实现精确的单分子或多分子层表面修饰，提供有利于电子传递 的良好仿生界面。通过s h 在金电极表面形成的稳定、紧凑、有序的自组装单分子 膜( s e l a u s s e m b l e dm o n o l a y e 硌，s a m s ) ，由于在电催化中体现出的选择性好、灵敏度 高、响应时间短和过电位低等优良性质，因而在d a 的电催化分析中也得到了较好 应用。如s h e r v e d a j l i 等通过半胱氨酸在金电极表面的自组装制备了单分子层修饰电 极，实现了d a 和a 八氧化电位的较好分离，并用示差脉冲伏安法( d p 实现了高浓 度a a 条件下d a 的选择性测定1 4 1 】；陆光汉等利用含s h 的三氮唑类衍生物制备了自 组装修饰金电极，实现了对d a 和u a 的同时测定【4 2 1 ；b i l e w i c z 等将含s h 的伍环糊精 通过自组装固定在金电极表面，利用d a 和环糊精之阃的超分子包结作用实现了对 d a 的选择性测定【4 3 】。 ( 4 ) 酶电极 将生物酶通过适当的方法固定于电极表面，利用酶对底物的选择性催化来实现 d a 的定量测定为电化学检测d a 开辟了一个新方向。如z h i 等将酪氨酸酶通过共价键 合法成功固定于掺杂硼的金刚石电极表面制备成酶电极，成功实现了对从共存条 件下d a 的选择性检测1 ；l e c c h 等将含锇聚合物和漆酶共同固定在玻碳电极表面， 利用漆酶的电催化底物循环反应实现了对d a 的选择性测定1 4 5 】。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 5 ) 纳米材料修饰电极 纳米材料由于其优良的物理、化学性质，可以在电催化分析中起到促进电子传 递和电化学信号放大的作用。各种纳米材料，尤其是各种碳纳米管及其纳米复合物 修饰电极【4 “9 】在d a 的电催化分析中得到了大量成功报道。 近年来，一些新型材料，如离子液体1 5 0 1 、功能化杯芳烃衍生物1 5 1 】等也先后在多 巴胺电化学传感器研究中得到了成功应用。 1 3 基于酶电极的生物传感器研究 1 3 1 常用氧化还原蛋白( 酶) 及其研究意义 生命过程，无论是能量转换还是神经传导，无论是光合作用还是呼吸过程，甚 至是生命的起源、大脑的思维、基因的传递，都离不开电子传递。研究生命过程， 很重要的一个方面就是研究生物体内的电子传递过程。血红蛋白( h b ) 、肌红蛋白 ( m b ) 、辣根过氧化酶( h i 冲) 等都是重要的含有血红素辅基的氧化还原蛋白( 酶) ，在 脊椎动物的血液中担负着储存和运输氧气、分解h 2 0 2 、传递电子等与氧和能量代谢 有关的重要任务。因为这些生物大分子和电极之间的电子传递过程更接近生物氧化 还原系统的原始模型，研究它们的电化学行为能够为在生物系统中研究蛋白质的氧 化还原行为建立一个满意的模型，以更好地阐明分子结构和生物作用之间的关系， 了解生命体内的物质代谢和能量转换。因此，用电化学手段研究这些氧化还原蛋白 ( 酶) 的电子传递过程，引起国内外化学家和生物化学家的广泛关注【5 2 5 4 1 ，其中以 血红蛋白和辣根过氧化酶的研究最为常见。 ( 1 ) 血红蛋白 血红蛋白( h e m o g l o b i n ，h b ) 是血红素蛋白中的一种，在脊椎动物的血液中担负着 储存和运输氧的重要任务。其相对分子质量约为6 7 0 0 0 ，等电点为7 4 ，直径为5 5 啪。 分子具有四级结构，是由两条q 和两条多肽链构成的四聚体寡聚蛋白，每个肽链 上各结合有一个血红素分子，而且相互接近，形成近似球形的血红蛋白分子。f e 2 + 位 于血红素卟啉环的中央，与卟啉环的4 个吡咯基、0 2 及多肽链上的组氨酸形成六配 位体【5 5 1 。每条多肽链的螺旋结构形成一个疏水性的空间，可以保护血红素分子不与 水接触，f e 2 + 不被氧化。每个血红蛋白可以结合4 个氧分子。h b 的分子结构如图1 2 所示。 6 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s l s 图l - 2 h b 的分子结构 f i g 1 2s t m c t u r eo f h b ( 2 ) 辣根过氧化酶 辣根过氧化酶( h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ，h r p ) 是一类以h 2 0 2 为电子受体的氧化还 原酶，广泛存在于动植物体内，分子量约为4 2 0 0 0 ，等电点为8 9 ，分子直径约为 3 5 1 1 m 。血红素是它的电活性中心，也是其催化活性中心15 6 1 。瑚r p 可以催化过氧化 物及一系列与过氧化物相关的化学反应，其分子结构如图1 3 所示。 图1 - 3h b 的分子结构 f 远1 3s n l l c t u r eo fm 湿 但是，值得注意的是，由于蛋白质分子结构庞大，电活性中心不易暴露，以及 在电极上的吸附变性而造成电极表面的钝化等原因，使得它们在一般固体电极上的 电子传递速率很慢，得不到有效的电流响应。因此，通过合适的修饰材料及方法来 研制性能优良、电化学响应信号良好的酶电极，建立电流型生物传感器是研究蛋白 质的氧化还原行为的重要目标【5 7 ，5 8 1 。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s 【s 1 3 2 生物电化学传感器工作原理 所谓