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朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究 中文摘要 1 无机纳米碳酸钙用于构建新型葡萄糖生物传感器 纳米c a c 0 3 具有强大的生物相容性，大的比表面积以及极易团聚等优点，对 于酶的固定将具有更广阔的应用前景。将这种新颖的载体材料引入到葡萄糖氧化 酶的固定中，可以大大改善葡萄糖生物传感器的分析性能。与由其它的无机载体 材料制备成的葡萄糖生物传感器相比，g o d 纳米c a c o ，传感器在热稳定性方面具 有明显的改进。为了使酶催化反应过程中生成的h 2 0 2 在修饰的电极上能发生氧化 反应，本文中将g o d 纳米c a c 0 3 传感器的电位控制在0 6 0v 。该生物传感器对 葡萄糖溶液表现出快速的生物电化学响应特性( 6s ) 、低的检测下限( o 1g m ) 、 宽广的线性检测范围( o 0 0 1 1 2r a m ) 、高的灵敏度( 5 8 1m ac m 之m - 1 ) 以及很高 的操作稳定性和较长的寿命。另外本工作对生物传感器的制备条件进行了优化， 研究了外加电位等外界因素对葡萄糖传感器响应电流的影响，并讨论了葡萄糖生 物传感器的抗干扰能力。 2 无机纳米碳酸钙用于构建高灵敏的酚类安培型生物传感器 研究了利用一种新颖的载体材料纳米c a c 0 3 来固定多酚氧化酶( p p o ) 的高 灵敏的新型酚类生物传感器。制备新型酚类传感器的操作简单：即采用戊二醛交 联技术，将p p o 纳米c a c 0 3 复合膜固定在玻碳电极表面上。作为载体材料的纳米 c a c 0 3 具有三维结构、多孔形态、亲水性以及生物相容性等优点，非常有利于酶的 固定，并且能够很好地保持固定酶的生物活性。本文系统地研究了该传感器构建 的最佳参数以及溶液p h 值、操作电位和系统温度等使用条件对酶传感器响应电流 的影响。该生物传感器表现出一些优异的分析性能：宽广的线性检测范围( 6 x 1 0 母 一2 1 0 5m ) 、快速的时间响应( 低于1 2s ) 、高的灵敏度( 4 7 4m a m o ) 、低的检 测下限( o 4 4n l v l ，信号噪声比为3 ) 和优异的长期稳定性( 5 6 天后传感器仍能保持 2 扬州大学硕士学位论文 原有响应的7 0 ) 。 3 基于类水滑石( l d h s ) 的黄嘌呤生物传感器 描述了一种用层状类水滑石( l a y e r e dd o u b l eh y d r o x i d e s ) 无机载体材料制备的 黄嘌呤安培传感器的方法。制备黄嘌呤生物传感器的操作简单：即采用戊二醛交 联技术，将x o d l d h s 复合膜固定在铂电极表面上。用f t - i r 对复合膜进行了表 征，结果显示x o d 在复合膜中保持了其原始结构的基本特性。酶电极对黄嘌呤溶 液浓度响应的线性范围是1 2 0 0g m ，灵敏度为o 1 8 a m l c m ，检测下限为1g m 。 传感器的表观m i c h a e l i s m e n t e n 常数( 硒一为1 1m m 。酶催化反应的活化能是8 4 k jm o l 一。此外，该生物传感器表现出了优异的长期稳定性和令人满意的重现性。 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究3 a b s t r a c t 1 d e v e l o p m e n to fa m p e r o m e t r i cb i o s e n s o rf o rg l u c o s eb a s e do na n o v e la t t r a c t i v e e n z y m e i m m o b i l i z a t i o nm a t r i x ：c a l c i u m c a r b o n a t en a n o p a r t i c l e s c a l c i u mc a r b o n a t en a n o p a r t i c l e s ( n a n o c a c 0 3 ) m a yb eap r o m i s i n gm a t e r i a lf o r e n z y m ei m m o b i l i z a t i o no w i n gt ot h e i rh i g hb i o c o m p a t i b i l i l y , l a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e a a n dt h e i ra g g r e g a t i o np r o p e r t i e s t h i sa t t r a c t i v em a t e r i a lw a se x p l o i t e df o r t h em i l d i m m o b i l i z a t i o no fg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) i no r d e rt od e v e l o pg l u c o s ea m p e r o m e t r i c b i o s e n s o r t h eg o d n a n o - c a c 0 3b a s e ds e n s o re x h i b i t e dam a r k e di m p r o v e m e n ti n t h e r m a ls t a b i l i t yc o m p a r e dt oo t h e rg l u c o s eb i o s e n s o r sb a s e do nm o s a i ch o s tm a t r i x e s a m p e r o m e t r i cd e t e c t i o no fg l u c o s ew a se v a l u a t e db yh o l d i n gt h em o d i f i e de l e c t r o d ea t 0 6 0v ( v s s e e li no r d e rt oo x i d i z et h eh y d r o g e np e r o x i d eg e n e r a t e db yt h ee n z y m a t i c r e a c t i o n t h eb i o s e n s o re x h i b i t e dar a p i dr e s p o n s e ( 6s ) ，al o wd e t e c t i o nl i m i t ( 0 1 “m ) ， aw i d el i n e a rr a n g eo f 0 0 0 1 1 2m m ，a h i g hs e n s i t i v i t y ( 5 8 im ac l n - 2 m 一1 ) ，a sw e l la sa g o o do p e r a t i o n a la n ds t o m g es t a b i l i t y i na d d i t i o n ，o p t i m i z a t i o no ft h eb i o s e n s o r c o n s t r u c t i o n ，t h ee f f e c t s o ft h ea p p l i e dp o t e n t i a la sw e l la sc o m m o ni n t e r f e r i n g c o m p o u n d s o nt h ea m p e r o m e t r i cr e s p o n s eo f t h es e n s o rw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d h e r e i n 2 ，c a l c i u mc a r b o n a t e n a n o p a r t i c l e s ：ah o s t m a t r i xf o rt h e c o n s t r u c t i o no fh i g h l ys e n s i t i v ea m p e r o m e t r i ep h e n o lb i o s e n s o r w er e p o r to nt h eu t i l i z a t i o nan o v e la t t r a c t i v en a n o s c a l e dc a l c i u mc a r b o n a t e ( n a n o c a c 0 3 ) - p o l y p h e n o lo x i d a s e ( p p o ) b i o c o m p o s i t et oc r e a t eah i 曲l yr e s p o n s i v e p h e n o lb i o s e n s o r t h ep h e n o ls e n s o rc a nb ee a s i l ya c h i e v e db yc a s t i n gt h eb i o c o m p o s i t e 4 扬州大学硕士学位论文 o nt h es u r f a c eo fg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( g e e ) v i at h e c r o s s - l i n k i n gs t e pb y g l u t a r a l d e h y d e t h es p e c i a l t h r e ed i m e n s i o n a l s t r u c t u r e ，p o r o u sm o r p h o l o g y , h y d r o p h i l i ca n db i o c o m p a t i b l ep r o p e r t i e so ft h en a n o - c a c o sm a t r i xr e s u l ti nh i g h e n z y m el o a d i n g ，a n dt h ee n z y m ee n t r a p p e di nt h i sm a t r i xr e t a i n si t sa c t i v i t yt oal a r g e e x t e n t t h ep r o p o s e dp p o n a n o c a c 0 3e x h i b i t e dd r a m a t i c a l l yd e v e l o p e da n a l y t i c a l p e r f o r m a n c es u c ha ss u c ha sal a r g ed e t e r m i n a t i o nr a n g e ( 6 1 0 一2 x1 0 。5m ) ，as h o r t r e s p o n s et i m e ( 1 e s st h a n1 2s ) ，h i g hs e n s i t i v i t y ( 4 7 4m am 1 ) ，s u b n a n o m o l a rd e t e c t i o n l i m i t ( 0 4 4n ma tas i g n a lt on o i s er a t i oo f3 ) a n de x c e l l e n tl o n g t e r ms t a b i l i t y ( 7 0 r e m a i n sa f t e r5 6d a y s ) i na d d i t i o n ，e f f e c t so fp hv a l u e ，a p p l i e dp o t e n t i a l ，t e m p e r a t u r e a n de l e c t r o d ec o n s t r u c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d 3 l a y e r e d d o u b l e h y d r o x i d e si n o r g a n i c m a t r i xm a t e r i a l s ： c h a r a c t e r i z a t i o na n da p p l i c a t i o nt ot h ed e s i g no fa m p e r o m e t r i c x a n t h i n eb i o s e n s o r at y p eo fa m p e r o m e t r i cx a n t h i n eb i o s e n s o rb a s e do nl a y e r e dd o u b l eh y d r o x i d e s i n o r g a n i cm a t r i xc a s t i n gt h eb i o c o m p o s i t eo nt h es u r f a c eo fb yg l u t a r a l d e h y d e t h e c o m p o s i t ef i l m sh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e db yf 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 ) t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tx a n t h i n eo x i d a s er e t a i n st h ee s s e n t i a lf e a t u r eo fi t sn a t i v es t r u c t u r e i nt h ec o m p o s i t ef i l m t h ee n z y m ee l e c t r o d ep r o v i d e dal i n e a rr e s p o n s et ox a n t h i n eo v e r ac o n c e n t r a t i o nr a n g eo f1 2 0 0p mw i t has e n s i t i v i t yo f0 18a m - 1 c m 之a n dad e t e c t i o n l i m i to f1 t t mb a s e do ns n = 3 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 ( f o r t h es e n s o rw a sf o u n dt ob e1 1m m t h ea c t i v a t i o ne n e r g yf o re n z y m a t i cr e a c t i o ni s c a l c u l a t e dt ob e8 4k jm o l - 1 f u r t h e r m o r e ，t h eb i o s e n s o re x h i b i t e de x c e l l e n tl o n g - t e r m s t a b i l i t ya n ds a t i s f a c t o r yr e p r o d u c i b i l i t y 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究 5 第一章绪言 生物传感器是近十多年发展起来的一门高新技术。生物传感器【1 】是在化学传感 器的基础上发展起来的，是现代生物技术与微电子学、化学等多学科交叉结合的 产物。作为一种新型的检测技术，它与常规的化学分析及生物化学分析方法相比， 具有方便、省时、选择性高、精度高、分析速度快、操作简易、仪器价格低廉、 便于利用计算机收集和数据处理，又不会或很少损伤样品和造成污染等优点，两 且可以进行在线甚至活体分析脚。 由于生物传感器可以取代常规的化学分析方法，因此，它的出现可以说是一 场技术革命。为此，世界上一些科技发达的国家都把生物传感器的研究作为生物 技术产业化的关键技术，投入了相当大的人力、物力进行研制开发。在未来2 1 世 纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新的增长 点，在国民经济中的医学、国防、农业、工业控制、食品和药物分析( 包括生物 药物研究开发) 、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景 3 】。 1 1 生物传感器 1 1 1 生物传感器的概念 生物传感器是由固定化生物物质( 酶、蛋白质、抗原、抗体、生物膜等) 做敏 感元件基元，通过各种物理、化学换能器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然 后将反应程度用离散或连续的数字电信号表达出来，从而得出被分析物的信息柳。 1 ，1 。2 生物传感器的原理和器件 生物传感器的基本结构如图1 1 所示。它由分子识别元件( 感受器) 和转换部分 ( 换能器) 构成。 扬州大学硕士学位论文 势千蜒捌 德号燮囊 期寓臂蠢纂蹙 f i g u r e1 1 c o m p o n e n t so f ag e n e r a lb i o s e n s o r 按黼豢 分子识别部分用来识别被测对象，它是可以引起某种物理变化或化学变化的 主要功能部件，传感器的选择性完全取决于分子识别元件功能的优劣。 分子识别部分与被识别物质相接触，可以发生化学变化、热变化、光变化以 及直接诱导电信号。当与检测对象相接触时，首先是埋入膜内的感受物质与被测 物质选择性地吸附，形成复合物。然后通过两种方法取出因复合物形成而产生的 电输出：一种是由于复合物的形成而产生膜电势的变化，直接得到电输出；另一种 是间接变换型，形成的复合物又产生化学反应或热变化或光变化，再通过化学电 极或热电器件或光出器件转换输出【5 j 。 1 1 3 生物传感器的分类 生物传感器根据分子识别元件可分为酶传感器、免疫传感器、酶免疫传感器、 细胞器传感器、微生物传感器、组织传感器等。 根据所用换能器可分为电极式生物传感器、场效应晶体管生物传感器、光学 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究 7 式生物传感器、热敏电阻式生物传感器等。 根据检测原理可分光学生物传感器、电化学生物传感器及压电生物传感器； 根据检测对象的多少可分为单功能型和多功能型类。 根据传感器输出信号的产生方式可分为生物亲合型生物传感器和代谢型或催 化型生物传感器。 未来的几十年中，大量的多肤、核酸、蛋白质等的合成将依靠生物传感器的 发展。微型化、智能化的生物传感器将在分子水平上研究电子转移、膜现象、新 陈代谢、氧化还原链等生物化学领域发挥重大作用。 1 1 4 生物传感器的发展与展望 生物传感科学是一门新兴的交叉学科，它是生物工程和各种技术学科的相互 渗透，涉及到生物化学、电化学、固体物理学、微电子学和纤维光学等。随着科 学技术的迅速发展，新原理、新技术的应用，生物传感器出现了蓬勃发展的局面。 从发展趋势看，生物传感器将向以下方向发展：实用化；微型化；多功能化。 此外，缩短响应时间、提高感受器的耐久性( 稳定性) 也是重要的研究课题。从长 远讲，开发智能化生物传感器也是研究方向之一。近2 0 年来，生物传感器的研制 发展迅猛，应用于工业、农业、环境监测和生物医学等领域的微生物、动植物细 胞、抗原抗体等各种生物传感器相继开发。可以预见，随着微电子学、分子遗传 学、新材料科学的飞速发展，生物传感器将更加多功能化、高灵敏化和微型化。 1 2 酶生物传感器 英国学者c l a r k 和l y o n s 在1 9 6 2 年将酶与i s e 结合，构成了利用酶分子识别功能 的酶电极旧，从而把酶催化反应的高度专一性和电极响应的高度灵敏性结合起来 7 1 。1 9 6 7 年，u p d i k e 和h i c k s 将葡萄糖氧化酶固定在c l a r k 氧化电极表面，组装成第 一个酶电极葡萄糖传感器揭开了有机物无试剂分析的序幕【8 】。生物酶的种类繁 多，把酶固定在电极上可以制成各种各样的酶生物传感器来检测底物，如：葡萄 8扬州大学硕士学位论文 糖【8 1 0 1 、半乳糖 1 1 _ 1 2 1 、尿酸 1 3 - 1 5 】、肌氨酸【州7 】、抗坏血酸 i s - 1 9 】、胆固醇 2 0 - 2 1 】等。目 前达到实用水平已有2 0 0 种以上【2 2 硼，广泛用于生物、医药、化工等领域。刁。 酶生物传感器是生物传感器领域中研究最多的一种类型，应用酶生物传感器 可以省去提纯酶的繁杂步骤【2 8 】。用固定化酶形成的酶生物传感器测定底物浓度具 有快速、方便、可在线检测，节约酶试剂等优点【3 0 , 3 “。同时，酶可在复杂体系中， 不受其它物质的干扰，准确的识别底物并与之发生专一生化反应【3 ”。 1 2 1 酶的固定化方法 大多数酶是水溶性的，在酶催化反应之后，要想在不使酶发生变性的情况下 回收酶是困难的。因此存在产品污染，难以重复使用，产品成本较高等问题。为 了克服这些缺点，出现了固定化酶，即把酶固定在特殊载体上。生物传感器中的 生物活性物质酶是传感器的核心部分，但它们一般都易溶于水，需要固定在各种 载体上，才可延长酶的活性。固定化技术在很大程度上决定着传感器的性能( 如： 选择性、灵敏度、稳定性、检测范围与使用寿命等) 。此外，固定酶对研究酶催 化反应和生产都带来很大的方便。为此，研究酶的固定是非常有意义的。 酶固定过程中酶的性能与固定酶的材料及方法密切相关，据报道的酶固定化 方法比较多 3 3 - 3 5 l ，其中主要有共价键合法、吸附法 3 6 】、包埋法 3 7 - 3 8 】、载体结合法 【3 9 4 们、交联法【4 1 】等，这些固化生物材料的方法也是很传统的。每种固定方法都有 各自的优点和使用的局限性，其中以载体交联的酶膜性能最稳定【4 2 】。交联法是将 具有两个功能团的试剂与酶的a 、e 一氨基、苯酚基、硫基等基团发生交联而制成 固定化酶的方法。目前交联剂中以戊二醛应用最广。酶传感器中，酶的活性是传 感器性能好坏的关键，而酶的固定化方法的选择对酶的活性影响相当大，选择好 的酶固定化方法是十分必要的【4 3 1 。本论文采用戊二醛交联法，因为戊二醛交联法 广泛用于酶膜制备，而且操作简单，结合牢固。 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究9 1 2 2 酶的固定化材料 常用固定化材料有无机、有机聚合物、凝胶以及生物材料等。吸附法多以无 机材料为载体，主要包括黏土。4 8 】、多孔玻璃m 9 1 、氧化铝【5 卅及活性炭5 1 】等。包埋 法多以天然或合成的聚合物凝胶为载体，如：藻酸盐【5 2 1 、树脂【5 3 1 、聚乙烯耐卅、 聚丙烯酰胺【5 习等。 1 3 纳米材料 现代科技日新月异，纳米材料已成为本世纪的革命性技术。纳米材料到底是 什么，它又能给生物传感器以什么样的发展动力呢? 其实纳米材料简单地说没有 什么特别和神秘的。它同普通材料的化学组成是一样的，而根本不同点是其晶体 中晶体区的特征尺寸达到纳米量级，即主要由非共格界面构成的材料，其结构与 普通多晶体( 晶粒大于1l l l i n ) 明显不同。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级( 1 0 。9 m ) 的超细材料，通常以单个原子、分子制成的微粉或微球1 5 6 1 。纳米材科分为纳米微 粒和纳米固体两类，纳米微粒属于原子簇与宏观物体之间的过度物质，它既不是 宏观系统也不是微观系统，因而具有一定的优异特点。纳米材料自身具备的许多 新奇物理和化学性质，使得它在当今与未来科学技术中将发挥重要作用，因而纳 米材料有2 1 世纪材料的美誉。 纳米材料由于尺寸小，比表面积极大而产生一系列效应，如体积效应、表面 效应、量子效应等，从而作为吸波材料、高性能磁记录材料、复合材料、超导材 料、发光材料等逐步应用于国民经济诸多领域。就纳米材料而言，由于它们具有 极高的原子扩散和自扩散能力，很容易在一种材料中嵌入另一种材料或将两种物 质喷于基片上而形成纳米膜；改变膜中组份的比例就可以改变膜中的颗粒大小与 形态，从而控制膜的性质。纳米材料的开发及应用前景十分诱人，使全世界为之震 动。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出奇异现象和新的进展。纳米材料 的发展，对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步都会产生巨大影 响。我国对纳米材料的研究和应用己有相当一段时间，但其面还不广，质不高。由 1 0扬州大学硕士学位论文 于纳米材料具有庞大的比表面积、表面能很高、显著的吸附性能等优异的性质，它 的应用是非常广泛的，尤其在传感器方面的应用。纳米材料还具有诸多的优异功 能，对外部环境如温度、湿度、光等十分敏感，而且响应速度快、灵敏度高、选择 性优等特点，是传感器应用的好材料，也是固定生物酶分子的理想材料。 1 4 无机纳米材料 无机纳米材料( 纳米c a c 0 3 、类水滑石) 可以用来修饰电极，它们的化学性质 比较稳定。这些无机纳米材料具有很强的吸附能力和生物相容性，非常有利于生 物酶或蛋白质的固定，并且能够很好地保持固定酶的生物活性和原有结构，已经 引起了广泛的研究兴趣。所以我们选用无机纳米材料作为生物传感器的固定载体。 在本论文中，分别详细研究了纳米c a c 0 3 和无机黏土水滑石( l d h s ) 这两种典 型无机纳米材料与酶构建生物传感器的性能。 1 4 1 纳米c a c 0 3 纳米c a c 0 3 因其应用普遍、价格低廉以及无毒无污染等特性，更具有广阔的应 用前景。纳米c a c o ，在工业上的广泛应用，表现出较好的补强性、优异的分散性及 特殊的透明性。但纳米c a c 0 3 还从来没有在生物传感器方面有过实验和应用 钔， 因为生物传感器主要在医学检验和药物分析中具有很重要的作用，若将纳米材料 引入到生物传感器中是实现新型生物传感器的要素之一，对于构筑活性良好的生 物分子膜的研究很有意义【5 酊。对于酶传感器而言，一种性能良好的酶膜及经过优 化的反应条件对传感器的寿命、灵敏度和精度的提高具有重要的实际应用价值【5 9 1 。 本论文首次采用一种新颖的方法来制备生物传感器，即将纳米c a c o ，引入到 酶电极中，研究纳米c a c 0 3 在生物传感器中的一些基础研究。在这方面，国内外 目前还没有发现相类似的研究资料可供参考，本论文的研究旨在为以后的深入研 究和应用提供基础依据。 纳米c a c 0 3 表现出远胜于普通碳酸钙的一些特性，比如大的比表面积、表面 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究 1 1 能高、多孔形态、亲水性以及生物相容性等，这些优点非常有利于酶或蛋白质的 固定，并且能够很好地保持固定酶的生物活性，已经引起了广泛的研究兴趣。这 种纳米载体材料提供的良好微环境能很好的保持酶活性，并且大大加速了酶活化 基和电极界面问的直接电子交换，酶的催化性能没有受到纳米载体材料的阻碍【3 1 】。 由纳米c a c 0 3 制备的载体交联膜很薄，酶活性高，酶不易损失，重现性好，揉作 稳定性好，响应快。将纳米c a c 0 3 应用于生物传感器中，不仅是寻找到了一种新 的研究生物传感器的方法，更主要是为了说明纳米c a c 0 3 不仅在工业上有广阔的 用途，而且在生物化学上也大有用武之地。 1 4 2 无机黏土水滑石( l d h s ) 水滑石( l d h s ) ，是一种无机粘土，其基本构造单元是八面体，八面体中心是 金属离子，六个顶角是氢氧根离子，相邻八面体之间靠共用边相互联结成二维延 续的配位八面体结构层，单元层以面- 面堆叠形成晶体颗粒构成层状结构，决定了 它多以片状形态存在。l d h s 带正电荷，晶体结构中多余的正电荷由层间阴离子平 衡以维持整个分子的电中性，层间通道中的阴离子是可交换的 6 0 l ( 图1 2 ) 。 f i g u r e1 ，2t h es t r u c t u r eo f h y d r o t a l e i t e l i k e 1 2扬州大学硕士学 上论文 目前合成类水滑石的尺寸一般都在几十到几百个纳米之间，是一类新型纳米 无机材料。水滑石( l d h s ) 为一类层状化合物，因其在化学和结构上表现出特殊的 性质，而成为一种在吸附，离子交换和催化方面有巨大潜力的新材料。因此，受 到人们的普遍重视，已成为国内外催化学科研究的热点之一【6 1 - 6 3 1 。水滑石的层板 间距可通过不同实验方法插入其他化学物质，因而水滑石的层间区域是一个良好 的化学反应场所，具有层间交换、层间吸附、层间催化、层间聚合、层间柱撑的 特性。所以我们引用l d h s 来作为生物传感器的多孔膜材料，在其层板间引入所 测物质的酶，通过响应电流的测定确定是否存在所测物质，这是l d h s 研究的一个 新方向。 水滑石也可有效地固定生物大分子，并提供一种廉价、快速、简单的酶电极 制备方法，是构制生物传感器的一种新型纳米无机材料。 1 5 酶电极的制备过程 由于无机纳米材料有着无机骨架，所以纳米粒子与电极的粘附能力较弱，失 水后易碎、易从电极上脱落。为克服以无机纳米材料为载体固定酶制备生物传感 器的不足，我们在传感器的制备过程中使用戊二醛交联法来固定生物酶，可防止 生物活性膜从电极上脱落下来，提高了生物传感器的稳定性。方法是采用戊二醛 交联技术将生物酶固定于无机载体中，这样制备的载体交联膜很薄，酶活性高， 酶不易损失，重现性好，操作稳定性好，响应快。 其制作过程如下( 图1 3 ) ：先把载体材料和酶的悬浮液滴涂在电极上，在室 温下干燥形成修饰电极，再用2 5 的戊二醛饱和蒸气与之交联1 5 分钟。最后把修 饰电极放在电解液中溶胀制备成生物传感器。 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究1 3 m a t r i x e n z y m e g a v a p o r 1 5 r a i n l + r i n s e du n d e rs t i r r i n g - e z 日洳 i n p b s f i g u r e1 3t h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i n gi n o r g a n i c e n z y m eb i o s e n s o r 1 6 本论文的内容 本论文以纳米c a c 0 3 和类水滑石( l d h s ) 作为固定酶的载体材料。用这两种固 定酶的载体材料分别固定了葡萄糖氧化酶、多酚氧化酶和黄嘌呤氧化酶，从而得 到了葡萄糖生物传感器、酚类生物传感器以及黄嘌呤生物传感器。膜的结构和性 质用x 射线衍射、红外光谱、交流阻抗、扫描电镜等进行表征。研究了酶传感器 制备的最适条件，测定了酶传感器的灵敏度、线性度、稳定性、使用寿命等分析 性能，以及外界因素( 溶液p h 、外加电位、温度等) 对传感器响应电流的影响。 参考文献 1 汪尔康，2 1 世纪的分析化学，北京，科学出版社，1 9 9 9 ，p 1 6 2a s h l e yk j h a z a r d ，m a t e r , 2 0 0 3 ，1 0 2 ：1 3 李颖娇，张荣全，叶非，生物传感器在农药残留分析中的应用，农药科学与管理， 2 0 0 3 ，2 4 ：1 1 ， 4k s i g m u n d s s o n ，g m a s s o n ，r r i c e ，e ta 1 ，b i o c h e m i s t r y , 2 0 0 2 ，4 1 ：8 2 6 3 5m c f r o s t ，m e m e y e r h o f f , c u r r o p i n c h e m b i o l ，2 0 0 2 ，6 ：6 3 3 6s j u p d a k e ，gp h i c k s ，n a t u r e ，1 9 7 6 7l c c l a r k ，c l y o n e s ，a n n n ya c a d s c i ，1 9 6 2 ，1 0 2 ：2 9 8a e et u r n e r , i k a r u b e ，g s w i l s o n ，o x f o r du n i v e r s i t ，p r e s s ，n e wy o r k ，1 9 8 7 1 4扬州大学硕士学位论文 9s l m u ，h g x u e ，s e n s o r sa n da c t u a t o r sb ：c h e m i c a l ，1 9 9 6 ，3 1 ：1 5 5 10h g x u e ，z q s h e n ，c m l i ，b i o s e n s o r sa n db i o e l e c t r o n i c s ，2 0 0 5 ，2 0 ：2 3 3 0 11d b e l a n g e r , j n a d r e a n ，g f o r t i e r ，j e l e c t r o a n a l c h e m ，1 9 8 9 ，2 7 4 ：1 4 3 1 2j q k a n ，h gx u e ，s l ，m u ，h c h e n ，s y n t h e t i cm e t a l s ，19 9 7 ，8 7 ：2 0 5 1 3s l m u ，j o u r n a lo f e l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , 1 9 9 4 ，3 7 0 ：1 3 5 1 4s l m u ，j q k a n ，j b z h o u ，j o u r n a lo fe l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , 19 9 2 ，3 3 4 ： 1 2 1 1 5s l m u ，e l e c t r o c h i m i c a a c t a ，1 9 9 4 ，3 9 ：9 1 6h gx u e ，s l m u ，j o u r n a lo f e l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , 1 9 9 5 ，3 9 7 ：2 4 1 2 4 7 1 7gd a v i s ，m o n i k a , j ，g r e e n ，h a l l e n ，o h i l l ，e n z y m ea n dm i c r o b i a lt e c h n o l o g y , 1 9 8 6 8 ：4 9 1 8m v a l e r i eo w e n ，b i o s e n s o r sa n db i o e l e c t r o n i c s ，1 9 9 6 ，1 1 ：v i 1 9p c p a n d e y ，b c u p a d h y a y ，a k ，u p a d h y a y a n a l y t i c a c h i m i c a a c t a ，2 0 0 4 ，5 2 3 2 1 9 2 0h l l e e ，s c c h e n ，t a l a n t a ，2 0 0 4 ，6 4 ：7 5 0 2 1j c v i d a l ，e g a r c i a r u i z ，j r c a s t i l l o ，j o u r n a lo f p h a r m a c e u t i c a la n db i o m e d i c a l a n a l y s i s ，2 0 0 0 ，2 4 ：5 1 2 2s v i c t o r i a ，d g i l d a , b u l k o ，t a t i a n a ，c a i t a r a ，s a n d r o ，n i c o l i n i ，c l a u d i o ，u s a n o v , a s e r g e i a r c h a k o v , a l e x a n d e lb i o s e n s o r s & b i o e l e c t r o n i c s ，2 0 0 4 ，1 9 ：9 7 1 2 3h c c h e n g ，m a b o ，a o k u b o ，a n a l y s t ，2 0 0 3 ，1 2 8 ：7 2 4 2 4k ，y o k o y a m a s k o i d e ，y k a y a n u m a ，a n a l b i o a n a l c h e m ，2 0 0 2 ，3 7 2 ：2 4 8 2 5r k a t a k y , e m o r g a n ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n ，2 0 0 3 ，18 ：1 4 0 7 2 6r k k o b o s ，t r a c ，1 9 8 7 ，6 ：1 2 7m m a s c i c i ，gp a l l e s c h i ，s e l e c t i v e e l e c t r o d e r e v , 1 9 8 9 ，1 9 1 ：11 2 8p w s t o c c k e lm y a c y n y c h ，s e l e c t i v e e l e c t r o d e r e v , 1 9 9 0 ，1 3 7 ：1 2 2 9f r i c c i ，a a m i n e ，g p a l l e s c h i ，e ta 1 ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n ，2 0 0 3 ，1 8 ：1 6 5 3 0j w a n g ，e l e c t r o a n a l y s i s j ，2 0 0 1 ，1 3 ( 1 2 ) ：9 8 3 9 8 8 朱明娟：基于无机纳米材料的生物传感器研究 1 5 31z h a n gy u ，c h e nn a n y o u ，c h e m j c h i n e s eu n i v e r s i t y j 】，2 0 0 0 ，21 ( 5 ) ：6 7 5 6 8 0 3 2 蒋传葵编著，工具酶的活力测定，上海：上海科学技术出版社，1 9 8 3 3 3s z h a n g ，gw r i g h t ，y y a n g ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n ，2 0 0 0 ，15 ：2 7 3 2 8 2 3 4j w a n g ，a n a l c h i n a a c t a ，1 9 9 9 ，3 9 9 ：2 1 2 7 3 5s m a c h a ，m f i t c h ，a m i k r o c h i m ，a c t a ，1 9 9 8 ，1 2 8 ：1 1 8 3 6b h j h o f s t e e b i o c h e m i c a la n db i o p h y s i c a lr e s e a r c hc o m m u n i c a t i o n s ，1 9 7 3 ，5 3 ： 1 1 3 7 3 7k w a n ，j m c h o v e l o n ，n j a f f r e z i c r e n a u l t ，a p s o l d a t k i n ，s e n s o r sa n da c t u a t o r s b ：c h e m i c a l ，1 9 9 9 ，5 8 ：3 9 9 3 8m d b u s t o ，b i o c h e m i c a le d u c a t i o n ，1 9 9 8 ，2 6 ：3 0 4 3 9j e k e n n e d y , j d h u m p h r e y s ，s a b a r k e r ，e n z y m e m i c r o t e c h n o l ，1 9 8 1 ，3 ：1 2 9 4 0p s j c h e e t h a m ，j a p p l b i o c h e m ，1 9 7 9 ，1 ：5 1 4 1c y d e n g ，m r l i ，q j x i e ，m l l i u ，y m t a n ，x h x u ，s z y a o ，a n a l y t i c a c h i m i c a a c t a ，2 0 0 6 ，5 5 7 ：8 5 ， 4 2 朱业湘，黄海潮，何亮等，化学修饰g o d 传感器传感器技术，1 9 9 7 ，1 6 ( 1 ) ： 2 5 2 9 4 3 朱玲，安哲，酶传感器中酶固定化方法条件的选择，哈尔滨医科大学学 报，2 0 0 2 ，3 6 ( 4 ) ：3 2 2 3 2 3 4 4c m o u s t y , s c o s n i e r , d s h a n ，s l m u , a n a l y t i c ac h i m i c a a c t a , 2 0 0 1