博士论坛-付呈琳

报告人：付呈琳导师：陈旭副教授,基于无机层状纳米片的新型电化学生物传感器的研究,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室,2009年博士生学术论坛,研究内容,镍铝水滑石纳米片固定辣根过氧化物酶制备第三代电化学生物传感器,石墨纳米片固定葡萄糖氧化酶制备第三代葡萄糖电化学生物传感器,目前研究成果及发表的学术论文,研究背景及意义,研究背景及意义,生物分子在生物传感器的制备过程中容易失活生物分子在电极表面失活生物分子在电极表面因污染而钝化,生物分子的固定化成为生物传感器在制备过程中的关键技术,固定化材料,存在问题,规则的结构良好的化学、热稳定性层间尺寸比较灵活，可以根据客体分子改变层间尺寸较柔软的孔层板可保护生物分子,无机层状材料,层状材料分类阳离子型（蒙脱土、钛酸盐）阴离子型（水滑石）非离子型（石墨）,研究现状,J.AM.CHEM.SOC.2004,126,14346-14347,血红蛋白固定在钛酸盐层间,血红蛋白插层铌酸盐,辣根过氧化物酶固定在层状磷酸锆层间,Chem.Commun.2002,23822383,Biosensors.Bioelectronics22(2007)14541460,Adv.Mater.2006,18,939942,蛋白质和DNA固定在层状磷酸锆层间,但是现有的生物分子插层的无机材料比如磷酸锆、钛酸盐等都是层板带有负电荷，然而很多的生物分子在最适生理条件下都是带负电的，因此，生物分子插层无机层状材料应用受到了限制。,水滑石(LDHs)简介,M2+1-xM3+x(OH)2x+(An)x/nmH2O,水滑石层板有正电荷，具有可剥层、交换的特性，但是生物大分子直接插层水滑石比较困难。,短程膨胀,辣根过氧化物酶（HRP）,有助于生物分子的稳定性的提升，提高酶的固载量；制备生物传感器，将具有更高的稳定性、更宽的检测范围,镍铝水滑石纳米片固定辣根过氧化物酶制备第三代电化学生物传感器,纳米片表征,Ni-AlLDHNs的原子力表征,纳米片大小为20-40nm，单片厚度平均为0.8nm。,结构表征,HRP-Ni-AlLDHNS薄膜的XRD图HRP-Ni-AlLDHNS薄膜的高分辨透射图,表观形貌表征,多孔渗水的结构，有利于溶液中的底物很快的扩散到酶的表面。,HRP-Ni-AlLDHNS薄膜的场发射扫描电镜照片,酶活性表征,Ni-AlLDHNS薄膜(a),HRP溶液(b)和HRP-Ni-AlLDHNS薄膜(c)UV-vis图谱,固定在Ni-AlLDHNS层间的HRP具有良好的生物活性,修饰电极的电化学表征,Ni-AlLDHNS/GCE(a),HRP/Ni-AlLDHs/GCE(b)和HRP-Ni-AlLDHNS/GCE的循环伏安图(c)in0.05MPBS(pH7.0)扫速为0.1Vs-1.,HRP-NiAlLDHns/GC在不同扫速下的循环伏安曲线（由内向外依次为20、50、80、100、150、200、300、400、500mV/s）插图：扫速和电流的关系曲线,修饰电极的电化学表征,T*=6.7710-11mol/cm2Ks计算：当v=50-500mv/s,平均ks=3.36s-1。,修饰电极对H2O2的催化,检测范围：610-7to1.9210-4MR=0.9990（n=18）检测限：410-7M（S/N=3）灵敏度：242.1mA/Mcm2,HRP-Ni-AlLDHNS/GCE加入不同浓度过氧化氢的循环伏安图,修饰电极对三氯乙酸催化,检测范围：9.86-50210-6M，R=0.9986，灵敏度：13.9mA/Mcm2,HRP-NiAlLDHns/GCE对不同浓度三氯乙酸的催化循环伏安图,修饰电极的重现性和稳定性测试,小结,石墨应用在生物传感器中,石墨微米粒子具有良好的导电性，提高电子转移速率缺点：响应慢灵敏度低,影响电化学性能的主要因素：尺寸太大和具有活性的边缘位点有限,提高电化学的行为的关键：材料的纳米尺寸和材料的活性位点的数量。,碳纳米管应用在生物传感器中,2.制备碳纳米阵列,1.采用掺杂外来原子（B或N）修饰CNT,缺点：合成步骤复杂制备阵列的CVD法导致残留的金属,？缺陷位点多，制备方法简单，导电性好，价格低廉,石墨纳米片（GNP，Graphitenanoplatelets）,层板碳原子采取Sp2杂化与CNT管壁的排列相似,0.34nm,应用：超级电容器飞行器刹车系统导电纳米填料电子通信器件,石墨纳米片性质,通常制备的GNP有几到十几个纳米厚,优点：与CNT相比具有更多的活性位点,廉价，美国密歇根大学由天然石墨制备的GNP每磅仅需5美元,良好的导电性,石墨纳米片非常能够满足以上条件,？缺陷位点多，制备方法简单，导电性好，价格低廉,石墨纳米片固定葡萄糖氧化酶制备第三代葡萄糖电化学生物传感器,表观形貌表征,GNP的SEM图,GOD-Nafion-GNP复合薄膜的SEM图,GNP的平均大小尺寸2m，平均厚度15nm，复合后，GNP非常均匀的分散在Nafion中，并且由于很多片的边缘伸出到薄膜外，增加了薄膜的粗糙度，有利于催化灵敏度的提高和响应时间的加快。,石墨纳米片-Nafion-葡萄糖氧化酶复合薄膜修饰电极的电化学行为的研究,(a)GOD-Nafion/GCE(b)GOD-GNP/GCE(c)GOD-Nafion-GNP/GCE的循环伏安,GNP-Nafion-GOD/GCE不同扫描速度的循环伏安图,Ks=12.6s-1,石墨纳米片-Nafion-葡萄糖氧化酶复合薄膜修饰电极的电化学行为的研究,循环伏安法研究修饰电极对葡萄糖的催化行为,a.氮气饱和时修饰电极f.空气饱和时修饰电极e.有0.4mM，d.有0.8mMc.有2.4mM，b.有4.6mM葡萄糖时循环伏安图,可测范围：0.2-5mM催化的线性范围：0.2-1.4mMR=0.9990（n=6）灵敏度：3.4A/mM,修饰电极抗干扰性能研究,修饰电极对干扰物的计时安培曲线,利用石墨纳米片Nafion复合薄膜固定的GOD，实现了GOD和GCE快速的直接电子转移，电子转移速率高达12.6s-1；2.基于以上构筑的第三代电化学生物传感器可以对葡萄糖进行检测，具有较高的灵敏度和良好的抗干扰性能；3.石墨纳米片为制备廉价而性能优越的电化学生物传感器提供了新的选择。,目前研究成果及发表的学术论文,1XuChen,ChenglinFu,YiWang,WenshengYang,DavidG.Evans.DirectelectrochemistryandelectroatalysisbasedonfilmofhorseradishperoxidaseintercalatedintoNi-Allayereddoublehydroxidenanosheets.BiosensorsandBioelectronics.2008,24(3),356-361(IF5.0/一区)2ChenglinFu,WenshengYang,XuChen,DavidG.Evans.Directelectrochemistryofglucoseoxida