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几种复合纳米材料构建新型d n a 电化学传感器 摘要 本论文主要用各种复合纳米材料薄膜修饰基体电极表面 利用它们特殊的化 学性质及生物相容性固定d n a 探针以制备新型的d n a 电化学生物传感器 用 于转基因植物产品外源基因序列的检测 论文主要由四部分组成 第一部分综述了转基因植物产品电化学传感器和复 合纳米材料及其在电化学生物传感中的应用 第二 三 四部分分别研究了几种 不同的碳纳米管复合纳米材料在d n a 探针固定过程中所起的作用 分别采用伏 安法和电化学阻抗技术对d n a 的固定和杂交进行表征 以电化学阻抗谱成功实 现了对转基因植物p 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 基因的检测 同时 对n o p a l i n es y n t h a s e n o s 基因的p o l y m e r a s e c h a i nr e a c t i o n p c r 扩增产物 的实际样品进行了检测 这些复合纳米材料有机地结合了不同纳米材料的优点 如碳纳米管大的比表面积 优良的导电能力 聚苯胺纳米纤维的化学反应活性和 纳米金属良好的生物相容性等 充分发挥协同效应 极大地提高了d n a 电化学 生物传感器的灵敏度 第五部分采用金铂纳米合金 酪胺聚合膜制备用于 p h o s p h o e n o l p y r u v a t ec a r b o x y l a s eg e n e p e p 基因检测的新型d n a 电化学生物 传感器 聚酪胺表面所富含的氨基可以作为金属合金沉积的优良平台 所形成的 合金具有良好的导电能力与生物相容性 最后对论文的主要内容作了总结 关键词d n a 电化学传感器 多壁碳纳米管 聚苯胺纳米纤维 a g t i 0 2 复合物 金铂纳米合金 电化学阻抗谱 n o v e ld n ae l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r sb a s e d o ns e v e r a ln a n o c o m p o s i t e s a b s t r a c t i nt h i s p a p e l s e v e r a ls e n s i t i v ee l e c t r o c h e m i c a ld n ab i o s e n s o r sw e r e s u c c e s s f u l l y r e a l i z e do n n a n o c o m p o s i t e s m o d i f i e de l e c t r o d e s t h er e s u l t e d e l e c t r o c h e mi c a ld n ab i o s e n s o r sw e r ep r e p a r e da n du s e dt od e t e c tt h ep r o d u c t so ft h e t r a n s g e n i cp l a n t t h ep a p e ri sm a d eu po ff i v ep a r t s f i r s t l y as u m m a r yr e f e r r i n gt ot h e d e v e l o p m e n to f t h et r a n s g e n i cp l a n ta n dt h ed e t e c t i o nm e t h o d so ft h ee l e c t r o c h e m i c a l d n ab i o s e n s o ra n dt h ea p p l i c a t i o ni nb i o s e n s i n go fn a n o c o m p o s i t e sa r er e v i e w e d t h es e c o n dp a r t t h et h i r dp a r ta n dt h ef o u r t hp a r ta r et h ei n v e s t i g a t i o no nt h er o l eo f s e v e r a lm u l t i w a ll e dc a r b o nn a n o t u b e sn a n o c o m p o s i t e sd u n n gt h ec o u p eo ft h e i mm o b ili z a t i o no ft h ed n ap r o b e t h ep r o p e r t i e so ft h e n a n o c o m p o s i t e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ei m m o b i l i z a t i o na n dh y b r i d i z a t i o no f d n aw e r es t u d i e db yc y c l i c v o l t a m m e t r y d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y a n de l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y t h e r e m a r k a b l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p e t v a l u ea tt h e d n a i m m o b i l i z e de l e c t r o d ea n dt h a ta tt h eh y b r i d i z e de l e c t r o d ec o u l db eu s e df o rt h e l a b e l f r e ee i sd e t e c t i o no ft h et a r g e td n a t h el o a d i n go ft h ed n ap r o b eo nt h e n a n o c o m p o s i t e sf i l m sa r eg r e a t l ye n h a n c e da n dt h es e n s i t i v i t yf o rt h et a r g e td n a d e t e c t i o ni sm a r k e d l y i m p r o v e db a s e do nt h es y n e r g i s t i ce f f e c to r i g i nf r o mt h e n a n o c o m p o s i t e s t h es e q u e n c e s p e c i f i cd n ao fp 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 ea n dt h ep o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n p c r a m p l i f i c a t i o no fn o p a l i n e s y n t h a s e n o s g e n ef r o mt r a n s g e n i c a l l ym o d i f i e db e a n sa r ed e t e r m i n e dw i t ht h i s l a b e l f r e ee 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 i np a r tf i v e a u p ta l l o y n a n o p a r t i c l e s p o i y t y r a m i n e m e m b r a n e so nt h e g l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e a u p t n p s p t y g c e a r e c o n s t r u c t e df o rt h ee l e c t r o c h e m i c a l s e n s i n go ft h e i m m o b i l i z a t i o na n dh y b r i d i z a t i o no fd n a t h ed n ab i o s e n s o rh a sb e e nu s e dt ot h e d e t e c t i o no fd n a s e q u e n c e s p e c i f i co fp h o s p h o e n o l p y r u v a t ec a r b o x y l a s eg e n e p e p t h ec o n d i t i o n sf o rt h ei m m o b i l i z a t i o na n dh y b r i d i z a t i o no ft h ed n ap r o b ea r e o p t i m i z e da n dt h eb i o s e n s o r sa l s oh a v eg o o ds e l e c t i v i t y s t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t y a ti a s t t h ec o n c l u s i o no f t h et h e s i si sl i s t e d k e yw o r d s d n ae l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s p o l y a n i l i n en a n o f i b e r s a g t i 0 2 c o m p o s i t e a u p t a l l o yn a n o p a r t i c l e s e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y l 青岛科技大学研究生学位论文 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中所罗列的内容以外 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 与我一同工作的同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 日期 年月 日 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人学有关保留 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 日期 日期 年月日 年月日 青岛科技大学研究生学位论文 第一章文献综述 1 1 转基因植物产品电化学传感器 近年来 转基因植物产品已经走进了人们的日常生活 无疑 转基因植物可 以极大地有利于人类 同时 转基因植物产品的安全性及其对生态环境的影响 也引起了广泛的关注 转基因植物产品的检测是进行安全性评估的重要手段之 一 也是各种有关转基因植物产品法律法规得以实施的重要监管手段 h t t p w w w i s a a a o r g r e s o u r c e s p u b l i c a t i o n s b r i e f s 3 7 e x e c u t i v e s u m m a r y d e f a u l t h t m 1 因此 开展转基因植物产品的先进的分析检测技术的研究具有十分重要的 意义 综合目前世界各国转基因产品的检测技术 主要采用p c r 聚合酶链式反 应p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n 及基因芯片等基因检测技术 这些方法虽然较普 遍 测定也较准确 但所用仪器昂贵 样品预处理过程较复杂 难于在一般实验 室推广应用 电化学d n a 生物传感器是以电极 包括金属电极 碳质电极等 为换能器 根据d n a 杂交反应前后电化学信号 电流 电位 电导或者电阻等 的变化来 构建的 电化学d n a 生物传感器因其仪器简单 分析速度快 灵敏度高等优点 而引起越来越多的重视 已成为目前研究最多的一类d n a 生物传感器i l j 本课 题组己开展的研究表明 电化学d n a 传感器检测转基因植物产品 尽管其研究 刚刚起步 但具有很多优越性 如准确 简捷 快速 仪器价格低廉等 同时 研究也表明 这些传感器灵敏度还不够高 不能完全满足检测转基冈植物产品中 极低含量转基因序列的需要 这是急待解决的一个问题 近年来 将纳米材料引入电化学基因传感器中 可极大提高灵敏度 重现性 和选择性等 其中以碳纳米管 c n t 纳米金 a u n o 的电化学应刚研究报道 居多1 刭 随着研究的深入 一些关键问题越来越明显 比如碳纳米管功能团单一 而贫乏 且溶解性较差 又如纳米颗粒易凝结而不易保存等等p j 为了解决这些 问题 复合纳米材料引起了人们极大的兴趣 1 2 复合纳米材料 1 2 1 复合纳米材料的定义 纳米复合材料是指不同性质材料复合制得的纳米材料 这种复合纳米材料除 了在基本性能上具有普通单一纳米材料所具有的表面效应 体积效应及量子尺寸 几种复合纳米材料构建新型d n a 电化学传感器 效应等特点外 还具有复合协同多功能效应 4 复合纳米材料综合了各组分的优 点 改善丫单一粒子的表面性质 如在力学1 5 6 1 磁学1 7 1 生物学1 8 1 0 1 等方面 纳 米复合材料不仅稳定性提高 而且还能与无机 有机物兼容 同时复合后的材料 其物理 化学性质出现丫新的变化 这使纳米复合材料具有许多优异的性能和广 泛的应用价值 1 2 2 复合纳米材料的分类 复合纳米材料包括各种无机纳米材料 金属 氧化物 硫化物 氮化物 碳化物和陶瓷材料等 和有机纳米材料 各类有机化合物和聚合物 相互复合而 形成的材料 其中大部分工作同绕着金属纳米材料和碳纳米管展开 本节概述复 合纳米材料的分类 关于金属 碳纳米管和聚合物复合纳米材料在电化学生物传 感中的应用将在1 2 3 进行详细阐述 1 2 2 1 金属复合纳米材料 1 金属纳米粒子 聚合物复合纳米材料 a t t a i l l j 等先通过恒电位的方法使苯胺在电极表面发生电聚合 然后采用多电 位阶跃的方法将铂 p t 纳米粒子沉积在聚苯胺 p o l y a n i l i n e p a n 膜上 制 得了p t p a n 复合纳米材料修饰电极 并对p t 粒子尺寸大小 分布以及聚苯胺膜 的厚度对于电催化电流的大小进行了研究 该复合纳米材料在氢离子交换设备中 具有广阔的应用前景 其它常见的有纳米金和4 乙烯基吡啶 1 2 纳米铜和聚苯乙烯i i 纳米银和 聚亚二氟乙烯1 1 4 l 等纳米材料复合 2 金属纳米粒子 纳米氧化物复合纳米材料 c a r r e t t i n l5 l 等将金沉积在纳米氧化铈 c e 0 2 上 得至l j a u c e 0 2 复合纳米材 料 纳米金对于c o 的氧化 烯烃的氢化等具有催化作用 而金于金属氧化物上 沉积得到的a u 金属氧化物复合材料能大大的提高金对c o 氧化的催化活性 其对 c o 氧化的催化活性比通过共沉淀的方法制备a u c e 0 2 复合材料高两个数量级 y a n g u 6 等将葡萄糖氧化酶同定在由p t 纳米粒子与二氧化硅 s i 0 2 纳米颗粒 组成的复合纳米材料上 制得葡萄糖生物传感器 该传感器在葡萄糖溶液中具有 高灵敏度和良好的稳定性 检测限为1 5p m o l l 线性范围为0 2 7 4 0 8m m o l l 并且在p h4 9 7 5 的范围内保持其灵敏度没有较大变化 其他如a u t i 0 2 1 1 7 1 p t y a l 2 0 3 f 1 8 z n o a u 1 9 1 复合纳米材料也引起了人们的 广泛兴趣 3 合金纳米材料 x i a o 2 0 1 等在多壁碳纳米管和离子液体复合膜上超声电沉积金 铂合金纳米粒 子 通过扫描电子显微镜 x 射线衍射法和x 射线分光光谱法表征发现 该合 金纳米粒子在复合膜表面分散的十分均匀且粒子尺寸大约为1 0a m 将其修饰到 2 青岛科技大学研究生学位论文 电极表面后 可以催化亚硝酸盐的氧化 检测限可达i 0n m o l l o k a z a k i 2 i j 等采用同步溅射法在离子液体上制得a u a g 合金纳米颗粒 制得 的合金纳米颗粒的组成和性质可以通过改变喷射对象中纯金属片的i 酊积比来轻 松的调控 这种物理化学性质可调的特点使得该方法可以满足特定的目的需要 1 2 2 2 碳纳米管复合纳米材料 碳纳米管的发现是世界科学史上的一个里程碑 在纳米材料巾 碳纳米管被 称为纳米之王或超级纳米材料 作为一种新型的纳米材料 碳纳米管自1 9 9 1 年被 日本电气公司的饭岛澄男博士1 2 2 发现以来 以其独特的物理 化学特性 重要的 基础研究意义及在分子器件和复合材料等领域潜在的应用价值 立即受到全球科 学家的关注 很快就变成研究最多的纳米材料 近年来碳纳米管因其具囱 电化学 窗口宽 电子转移速率快和生物相容性良好等优点而被越来越多的应用于传感器 领域 碳纳米管复合纳米材料和金属纳米材料一样 也可以同氧化物 聚合物等 等进行复合 在此不一一赘述 1 2 2 3 纳米氧化物 纳米氧化物复合纳米材料 如l i t 2 3 1 等将多孑l 的s i 0 2 凝胶与t i 0 2 纳米颗粒进行掺杂 得至 j s i 0 2 t i 0 2 纳米复 合物 该纳米复合物能有效捕获紫外线中的h g 元素 1 2 2 4 聚合物 无机复合纳米材料 聚合物 无机纳米复合材料纳米材料由于结构特殊 性能优异 在很多方面 具有重要的用途 表现出广阔的应用前景 z h a n g l 2 4 l 等首先采用化学气相沉积技术在钽箔上生成长度为3 5p m 的直j 迂碳 纳米管阵列 c n t a 然后以碳纳米管阵列为 模板 电沉积得到长7r i m 的聚笨 胺纳米管 以此两种技术制备了具有 管包管 纳米结构的p a n c n t a 复合膜 此复合膜具有分级的多孑l 结构 大的表面积和超高的导电性 此复合膜电极对于 能量储存表现出优良的性能 高稳定性 5 0 0 0 圈以后仅有5 5 的电容损失 1 2 2 5 核壳型复合纳米材料 近年来 核壳型复合纳米材料引起了人们广泛关注1 25 2 6 l 核壳复合粒子是由 至少2 种不同物质组成的复合粒子 而且通常是其中一种物质形成核 另一种物 质形成外壳层 将催化剂以有机 无机混杂复合的形式制成空心核壳粒子材料 不 但能大幅度提高催化剂的活性 而且能利用有机壳层的空间位阻 对映结构和静 电作用的影响实现选择性催化 有时还能将多种催化剂有机地集成在一个系统 中 1 2 2 6 其他复合纳米材料 除上述复合纳米材料外 黏土f 2 7 1 硫化物 等等都可以复合为纳米材料并 有广泛的应用 1 2 3 复合纳米材料在电化学生物传感中的应用 3 几种复合纳米材科构建新犁d n a 电化学传感器 复合纳米结构材料组成可以是无机或有机物 金属或半导体 通过各种物理 或化学手段可以赋予其多样的形状 粒子 棒状 线形 管状等 各种材料复 合可以带来单一纳米材料所不具备的表面功能 这些都对电化学生物传感产生深 远的影响 大大提高生物传感器响应 这些复合纳米材料在不同的传感体系中起 着不同的作用 总结起来主要以下几种功能 具有优良的生物相容性则可用 于生物分子的同定 对生物分子有特异响应就能充当提高生物分子与电极间 的电予转移的媒介体 用于催化生物电化学反应 自身具有氧化还原能力则可 以充当传导信号放大生物分子信号 从而解决由于氧化还原位点通常深藏于生物 分予内部很难得到直接电子转移信号的问题 当然复合纳米材料也不局限其中一 种功能 目前复合纳米材料都是整合多方面因素 在多功能 集成化电化学传感 获得了令人瞩日的进展 i 2 3 1 金属复合纳米材料 金属纳米粒子因其大的比表面积 良好的电化学性能和生物相容性 被广泛 用于构建修饰电极和直接电子转移界面 设计结构可控的金属复合纳米材料弓i 起 了人们的广泛兴趣1 四i 它在各种催化剂 光学 磁学和电化学设备以及各种生物 应用包括酶 蛋白质 d n a 及其他生物分子的环境友好系统中具有广阔的应用 前景1 3 0 1 1 生物小分子 人们早期关注一些传统的生物小分子 如葡萄糖 多巴胺 抗坏 f n 酸等等 最近金属复合纳米材料在电化学传感以上生物分子典型的工作有 y o g e s w a r a n i3 l j 等在滴涂了功能化的多壁碳纳米管 m w n t 和n a t i o n 的玻 碳电极 g c e 表面通过循环伏安法 c v 电沉积纳米金和纳米铂 制得 m w n t n a 氍o n p t a u 复合膜 这种复合膜对于复杂生物化合物的氧化及抗坏血 酸阴离子 肾上腺素 和尿酸盐阴离子的同时测定具有极好的催化活性 z h a 0 1 3 2 1 等在t i 基底上通过对t i 进行阳极氧化 使其原位生长得到垂直的 t i 0 2 纳米管阵列 t i 0 2n t s 将其用作模板 通过恒电位法沉积h a u c l 4 得 到a u n c s t i 0 2n t s 复合物 a u 在t i 0 2 纳米管阵列中沉积的位置不同 所形成 的金纳米晶体的形状也不同 将其用于细胞色素c 的检测 结果令人满意 c h e n t 3 3 j 等采用脉冲电压法在不同的结构碳基底上电沉积p t 纳米颗粒 研究 了不同基底及溶液粘度的不同对p t 纳米颗粒尺寸的影响 并将其用于0 2 和h 2 0 2 的还原 证明了p 和c n t 的结合大大提高了p t 的电催化活性 2 酶和氧化还原蛋白 在众多关于电化学生物传感器的报道中 大量工作是基于酶电极的 这是因 为作为生物催化剂的酶高效 专一 再加上温和的反应条件和化学放大作用等 可结合化学修饰电极表面结构和功能的特异性设计 使得酶基电化学生物传感器 4 青岛科技大学研究生学位论文 成为生物传感器研究的主流 这类传感器发展最早 研究内容十分丰富 取得了 大量研究成果 有很多成果己实现商品化 在众多的酶电极中 由于辣根过氧化 物酶 h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e h r p 电极在过氧化氢 酚类物质 芳香胺类物质的 分析检测及酶联免疫分析中具有广泛的应用价值 辣根过氧化物酶电极占有重要 的地位 过氧化物酶是一类以过氧化氢为电子受体的氧化还原酶 广泛存在于动 植物体内 其中h r p 由于其易于提取和纯化的优点而成为过氧化物酶的典型代 表 得到了广泛的研究 人们长期以来一直以它为主要对象来研究过氧化物酶的 结构 动力学和热力学性质 并且用以认识和理解过氧化物酶在生命体内的电子 转移机制和生理作用 h r p 是一种近球状的糖蛋白 分子量约为4 2 0 0 0 等电点 为8 9 分子直径约为3 5i l m 血红素是它的电活性中心 同时也是催化活性巾 心 可催化过氧化物及一系列与过氧化物相关的化学反应 氧化还原蛋白是重要的生物大分子 在生物体内占有十分重要的地位 它们 催化着人体内的大多数代谢反应 其质或量以及活性的变化等常常与人体的疾病 发生密切相关 利用氧化还原蛋白质的电催化性能 考察了对h 2 0 2 等小分子的 电催化行为 可为构建第三代生物传感器奠定坚实的基础 最近典犁的工作有 s h i l 3 4 j 等制备了聚硫堇 p t h h r p a u 纳米复合材料 制得h 2 0 2 生物传 感器 他们首先通过在多孔阳极化的氧化铝模板中进行循环伏安电沉积得到的 p t h 纳米线 然后与h r p a u 进行原位电化学共聚得到p t h h r p a u n o 纳 米复合材料 在p h6 9 8 的磷酸缓冲溶液中可以实现对h 2 0 2 的无干扰测定 响 应时间小于5s 这种h 2 0 2 生物传感器灵敏度较高 其检测限为o 3p m o l l 而 且具有良好的稳定性和可重现性 除了传统颗粒状的金 不同形貌的纳米金也引起了人们的关注 如金纳米线 a r a v a m u d h a n l 3 5 1 等通过恒电流法在孔径为2 0 0n m 的氧化销模板上电镀金 得到 金纳米线 在其表面修饰胆同醇氧化酶以及胆同醇酯酶 可以测定血液中的胆同 醇 浓度血液中胆固醇水平 1 6m m o l l 与电流响应存在线性关系 灵敏度 为0 8 5n a f t m o l l 并且在血液中存在高浓度干扰物质情况下 具有稳定的 可 选择性的电化学响应 l u l 3 6 l 等以聚碳酸酯为模板 通过计时电流法制得了平均直径为2 5 0l l m 长 为1 01 t m 的金纳米线 然后将其分散在壳聚糖 c h i t 溶液中并固定在玻碳电极表 面 在金纳米线上吸附葡萄糖氧化酶 可以用作葡萄糖传感器 用于过氧化氢的 电催化还原 具有灵敏度高 反应时间短 反应电位低的特点 效果令人满意 y a n g i l 等以聚碳酸酯为模板 亦采用计时电流法制得金纳米线用于固定血 红蛋白 h b h b 修饰的纳米线阵列对过氧化氢都具有较好的催化还原性 z h a n g l 3 8 i 等采用多孔阳极氧化铝膜为模板 以恒电位法沉积金纳米棒 然后 5 几种复合纳米材料构建新型d n a 电化学传感器 在制得的金纳米棒表面循环伏安电沉积聚苯胺 聚苯乙烯磺酸盐 p s s 得到 a u p a n 一 p s s 复合纳米阵列 并研究了循环伏安圈数对纳米阵列形貌的影响 将其用于n a d h 的电催化氧化 获得了较好的结果 检测限为0 3p m o l l 另外金的核壳纳米结构也得到了应用 如w a n g 等1 3 9 j 在l t o 电极表面自组装 s a m 核壳纳米结构的s i a u 复合膜 该修饰电极表面具有生物亲和性 可以 吸附血红蛋白 通过交流阻抗谱 e i s 和c v 技术进行电化学表征 结果表明 s i a u 核壳纳米结构对促血红蛋白与电极表面的电子传递有促进作用 血红蛋白 对过氧化氢有还原作用 可以用于h 2 0 2 的检测 线性范围为5p m o l l lm m o i l 检测限为3 4p m o l l 除了纳米金 另一种贯金属p t 也被成功应用于酶的电化学生物传感 m a l e 4 叫 等通过多电位阶跃法在预先滴涂了m w n t 的玻碳电极表面电沉积h 2 p t c1 6 得到 p t m w n t g c e 在该电极上通过恒电流法分别沉积葡萄糖酶 乳酸酶 谷氨酸 酶 氨基酸酶和黄嘌呤氧化酶可以制成分别用于相应分析物的生物传感器 具有 很高的应用价值 l i l 4 l 等首先以恒电位方法制备得到直径为6 0n m 的三维海绵状聚吡咯纳米 线 再以c v 法将纳米铂沉积到聚吡咯纳米线的三维孔隙内 此时纳米线的直径 增加到1 0 0 1 2 0n m 说明纳米铂成功附着在纳米线的三维结构内 以此复合物修 饰玻碳电极构建的葡萄糖传感器 具有良好的灵敏度 稳定性和重现性 检测限 为4 5 l o 7 m o l l s n 3 0 更有将纳米a u 纳米p t m w n t 整合在一起用于电化学传感的工作报道 c h u 4 2 1 等将恒电位法制得的葡萄糖氧化酶 a u o p t 卸o m w n t 电极用作葡萄糖生 物传感器 对p c 纳米颗粒沉积时问 p h 值 应用电压和电化学干扰对传感器的影 响进行了研究 该生物传感器对葡萄糖的测定具有良好的可重复性和稳定性 3 d n a 电化学d n a 传感器作为电化学生物传感器的一个重要分支 另外还有酶传 感器 免疫传感器 微生物传感器等等 起步较晚 根据d n a 是否固定 电化 学d n a 传感大致可以分为两类 一类是在电极表面固定单链d n a s s d n a 或 者双链d n a d s d n a 作为探针 实现对探针互补的目标d n a 的检测或者利 用d n a 的特性来实现对特定物质的检测和研究 如研究小分子与d n a 的相互 作用 金属离子的测定以及d n a 损伤 毒理学方面研究 4 3j 等 第二类则是侧重 于d n a 自身电化学 即制作高催化界面 实现对溶液中的d n a 直接电化学 包括d n a 组成成分或者由于d n a 烷基化后电化学信号的改变等掣矧 纳米金复合材料在电化学d n a 传感主要有作为固定载体与标记d n a 两方 面应用 4 引 d n a 固定化方法的选择是提高传感器稳定性和灵敏度的重要环节 前者近年主要工作有 6 青岛科技大学研宄生学位论文 t i a n i l 等采用层层组装 l b l 的方法使p a n 和巯基丁二酸修饰的金纳米 颗粒结合形成稳定的多层膜 该膜可以催化n a d h 的氧化 并且可以有效的检 测d n a 的杂交 r l l 0 1 4 7 1 等通过在氧化铌 n b 2 0 s 模版上溅射上一层薄的金膜 氧化制横版 特有的纳米孔结构提高了金的固载重 基于此膜构建的d n a 传感嚣 与直接溅 射得到的金膜修饰电极或单纯的n b z q 膜相比 a u n b 2 0 5 电化学相应明显增强 传感灵敏度分别提高2 4 倍与3 倍 车课思组在此方面也作了一些工作 分别采用采用电化学聚合 自组装 层 层组装和溶胶一凝胶法等技术构筑了具有特殊功能的纳米金复合界面 如纳米金 修饰聚2 6 毗啶二甲酸 印时龋 利删c k x y c a c k l p o c 仿生复合膜i 矧 纳 米金 聚苯胺纳米管复合膜嗍 中空纳米微球1 加叫纳米金f 划 纳米z r 0 嗍米金圳 等纳米金复合膜 高灵敏地对转基因植物某些外潭转基因进行了检测 p p 删1 州d n 口 q m d n a 匝 j 碡p o o a 幽1 1 层层组装颦二甲基二爆丙墓氯化镀 p d d a 与纳米盘标记的d n a 用于检测d n a 示意图 引自文献瞪珥 f i r i ls c h e m e o f m u l t i l a y 日f i l m s a s s e m b l e o o t h e g c e f f a c ea n d d p v d h o n 另外纳米金可与氰基发生非共价的静电吸附而牢固结合 与巯基之问形成很 强的a w s 共价键 这使得肢体金可与生物活性组分结合 形成的标记探针可用于 生物体系的检测中 如c h a 耐 l 将层层组装技术与饼q a 标记技术相结合 实现高 灵敏d n a 检涮 结果表明层层组装6 层后 其灵敏度达32 0 x l 旷 m o l l 该组装 示意图如图1 一l 所示 也有借助光电化学实现对纳米金标记d n a 的实现杂交识别田j 首先在s n 0 2 电极上分布上一层n 啦 1 1 啦不仅作为纳米金标记d n a 的固定基底 也是作为 鹫薰 几种复合蚋米材料 i f 建新型蹦 电化学恃感器 d n a 杂交识别信号转换元素 杂交后t i 啦电极的光电流明显降低 与没有进行纳 米金d n a 标记相比 其光电流灵敏度明显降低 该检测示意圈如图2 所示 o t i o a u h i p j r 1 一 j 田1 2 t 醯与标记d n a 的蚺米金组蕴借助光电化学用于检翱d n a 示盎田 引自文献 s 3 e l l 2 嘲m k n l i m 妇lo f m 0 瑚 口6 0 n o f a u d n a p r 曲e m o d i 南d t 的2 e h n 畦a n d t h e 出k 豳l o f m s g e t d n a o 鲥t l l c p h m o l a d a e e d 呻嘲幅o f e l e c n n h o l e 学删佣a m d 姆h n s f e r 口 m h c 吼a l l m b a n d h a u n p s a r e d r a w n b t h e 5 c k 1 2 3 0 硪纳米蕾复台纳来材料 近年来碳纳米管因其具有电化学窗口宽 表面化学丰富 电子转移速率快和 生物相容性等优点而披越来越多的应用于生物传感领域 但是因为碳纳米管自身 耪团聚等缺点 所以碳纳米管要经过必要的处理赋予其特定的功能 然后修饰到 电撅表面形成纳米复合界面应用于生物传盛方面 如纳米金一样 近年来主要集 中在以下几个方面 生物小分子 由金属纳米粒子和碳纳米臂组成的纳米复合物体系可以直接催化氧化葡萄 糖而被用于无酶葡萄糖传癌器 该方法来源于由金属或合金纳米粒子结合c n t 纳米复合物表现了对葡萄糖氯化的电催化活性 轴 在c n t 电极上电沉积阼p b 合金纳米粒子后覆盖一层n a r m n 薄膜 基于斗盹合金纳米粒子 c n t 纳米复合 物的葡萄糖传感器在中性和碱性介质中对葡萄糖氧化中均表现出报好的电催化 活性 改良的纳米复合物在 0 1 5 v 对葡萄糖氧化时有更低的检舞限和更高的选 择性 2 酶 w 如一 1 报道了一种在c n t 修饰的玻碳电极上层层组装聚阳离子和酶的复 合物膜的生物传高器 他们利用阳离子聚合物p d d a 与h r p 的静电吸附作用将 h r p 固定在电极上 然后探讨了c n t 在其中的作用 结果表明恪饰有c n t 的 青岛科技人学研究生学位论文 传感器更加灵敏 l i u l 5 6 也同样的报道了一种在c n t 修饰的玻碳电极上层层组装 聚阳离子和乙酰胆碱熙酶复合物膜的生物传感器 利用乙酰胆碱酯酶来检测有机 磷酸酯 3 d n a 碳纳米管复合纳米材料在d n a 电化学传感中主要分为两种 一是与纳米金 一样利用其良好的导电能力与其他材料复合 作为d n a 良好的固定基底 二则 是利用碳纳米管的优异的电催化能力 电催化d n a 碱基中的鸟嘌呤等等 d n a 固定 碳纳米管与氧化物进行复合的工作 如y a n 9 1 5 7 1 报道了一种基于z r 0 2 纳米粒 予和c n t 的新型d n a 生物传感器 该传感器借助道诺霉素为指示剂 用微分 脉冲伏安法 d p v 实现了检测d n a 的固定和杂交 z r 0 2 纳米粒子和c n t 对道诺 霉素的信号有协同催化作用 由于c n t 的大的比表面积和良好的电子传导性的 特性 该传感器与以前那些在碳电极表面直接修饰寡核苷酸的d n a 传感器相比 可以显著提高d n a 的吸附量和检测互补d n a 的灵敏度 本课题组将末端羧基化的c n t 氧化锌纳米粒子 z n o 以及天然阳离子聚 合物壳聚糖相结合1 5 8 i 制得高灵敏度的d n a 电化学生物传感器 以亚甲基蓝 m e t h y l e n eb l u e m b 为杂交指示剂 杂交反应导致m b 的d p v 峰电流大大 减小 以此作为检测信号可以高灵敏度地测定目标d n a 由于z n o 纳米粒子对 d n a 极好的吸附能力以及c n t 较大的比表面积和良好的电子传递性能 使该 d n a 生物传感器的灵敏度大大提高 应用该d n a 电化学生物传感器以d p v 对 转基冈植物草丁膦乙酰转移酶基因 p 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 片 段和转基凶大豆的胭脂碱合成酶基凶终止子 n o p a l i n es y n t h a s e n o s 基因 p c r 扩增产物进行了检测 结果令人满意 对p a t 基因片段检测的线性范围为 1 o 1 0 一om o l l 1 0 x 1 0 七m o l l 检澳4 限为2 8 1 0 2 m o l l 另外一种无机氧化物 二氧化锆 z r 0 2 具有热稳定性 化学惰性 无毒性 等优点 而且它与含氧基团有较好的亲和作用 使之成为一种理想的固定生物分 子的材料 本课题组首先将羧基化单壁碳纳米管 s w n t 和p d c 共聚到g c e 表面1 5 9 1 使之形成富含含氧基团的复合修饰薄膜 将z r 0 2 电沉积到此修饰电极 上 借助z r 0 2 与磷酸基等含氧基团之间具有较强的亲和力这一特性 将d n a 探 针固定在z r 0 2 s w n t s p d c g c e 电极上制得d n a 电化学传感器 碳纳米管大的 表面积 良好的导电性以及z r 0 2 良好的生物分子亲和性 大大提高了d n a 电化 学生物传感器的灵敏度 符合基因检测要求 用此d n a 电化学生物传感器以e i s 对p a t 基因片段进行了检测 发现该d n a 电化学生物传感器具有良好的稳定性 再生性和选择性 1 个碱基 2 个碱基错配的d n a 序列分别只有互补序列的5 9 和2 4 的响应 对互补序列的检测限可达1 3 8 x 1 0 1 2m o l l 9 几种复合纳米材料构建新型d n a 电化学传感器 碳纳米管与金属纳米粒子进行复合的工作 如m a 删研究了一种基于层层组 装a u 啪 和m w n t 的新霉 的d n a 牛物传感器 该传感器可以用于d n a 的同定 和杂交检测 用c v 和e i s 对逐步层层组装过程进行了表征 通过对指示剂阿霉 素的d p v 测量来检测d n a 杂交反应 并儿对d n a 杂交条件进行了优化 在浓 度0 5n m o l l o 0 1n m o l l 范围内 d p v 响应信号随着目标d n a 的浓度的变化 而线性变化 检测限为7 5p m o l l 另外 此d n a 生物传感器表现出良好的重 现f 牛和稳定性 c h a n g1 6 i j 制备了一种基于c n t 和钯纳米粒子的高灵敏度d n a 电化学生物传 感器 首先将多擘碳纳水管和钯纳米粒子分散于n a t i o n 中 然后修饰在玻碳电 极上 寡核苷酸上的氨基基团可以与m w n t s 卜的羧基基团共价键合连接 以 m b 为指示剂用d p v 检测d n a 的杂交反应 由于碳纳米管的高导电性和钯纳米 粒了对m b 的电化学反应的高催化性能 制备的d n a 电化学生物传感器的灵敏 度显著提高 对目标d n a 的检测限为1 2 1 0 叫3 m o l l 碳纳米管与聚合物进行复合的工作 女1 1 y a n g l 6 2 l 在玻碳电极上制备了c n t 复 合p d c 薄膜电极 由于p d c s w n t 复合膜的有效修饰 电极性能得到提高 并且 其表而富含羧基 进一步以静电吸附法使p d d a 修饰于p d c s w n t 膜上制得 p d d a p d c s w n t g c e 电极 借助p d d a 的静电吸附作用将d n a 探针固定到 p d d a p d c s w n t g c e 表面 该d n a 电化学生物传感器具有良好的稳定性和选 择性 j i a n 9 1 6 3 1 首先将羧基化的s w n t 滴涂于碳糊电极 c p e 的表面 制得碳纳米 管修饰碳糊电极 s w n t c p e 从而增大原基底电极的比表面积以及导电能力 然后采用c v 法在s w n t c p e 一卜修饰一层聚l 一赖氨酸 p l y s 膜 借助p l y s 带有 正电的氨基可以与d n a 带负电荷的磷酸骨架的静电作用这一特性 将d n a 探针 固定在p l y s s w n t c p e 电极上 从而制得探针电极 用此d n a 电化学生物传感 器以e i s 对p a t 基因片段进行检测 发现该d n a 电化学生物传感器具有良好的稳 定性 再生性 选择性 对互补序列的检测限可达3 1 l 0 0 3 m o l l 碳纳米管除了滴涂于碳糊电极表面之外也可以利用组合法制备碳纳米管糊 电极 该方式是碳纳米管修饰碳糊电极另一主要方式 在该电极上通过吡咯的电 聚合同步将d n a 同定于电极表面 借助溴化乙锭为指示剂可实现杂交检测m 检测限可达8 5 x1 0 m o l l 值得一提的是 除了在电极表面的固载以外 复合碳纳米管纳米材料亦可用 于d n a 的标记 l i l 6 5 j 利用c n t 负载大量的钌复合物与单链d n a 借助三明治杂交方式 与 自组装在金电极上的目标d n a 进行杂交 由于c n t 的存在 大大加强了钌复合 物的发光强度 进而提高了灵敏度 其检测限达到9 0 i o 1 5m o l l l o 青岛科技大学研究牛学位论文 g a o l 6 6 j 介绍了用银纳米粒子和多壁碳纳米管 a g c n t 标记的d n a 探针 并用于高灵敏度检测d n a 杂交的一种电化学方法 将c n t 用大量的银纳米粒子 修饰从而形成了a g c n t 运用单层s a m 法将a g c n t 对硫醇基单链d n a s s d n a 探针进行标记 运用s a m 技术将硫醇基目标d n a 固定于金电极上 然后与探针杂交 通过银纳米粒子的d p v 信号来检i 贝i j d n a 的杂交 该方法可以 区分完全互补的和三碱基错配的d n a 单链 而且在浓度3 1 1 0 4 1 o 1 0 叫 m o l l 范围内 d p v 峰电流随着目标d n a 的浓度的增加而线性增加 检测限为1 0 f m o l l 此方法可以成功的应用于囊肿性纤维化相关的d n a 片段的检测 d