纳米材料的制备及其在电化学生物传感器中的应用图文Word格式文档下载.docx

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将聚碳酸酯模板固定在电极上，用恒电位沉积法制备钌紫纳米线阵列。

钌紫纳米线阵列修饰的玻碳电极在．０．１Ｖ下对过氧化氢有较灵敏的响应。

将葡萄糖氧化酶交联到纳米线阵列上，得到的葡萄糖传感器有较高的灵敏度，较宽的线性范围，并可实现对葡萄糖的无干扰检测（第２章）。

（２）近年来，石墨烯被当做是碳族元素的后起之秀，受到广泛关注。

石墨烯特殊的二维结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消失的电导率等一系列性质。

在本文中，利用化学方法合成石墨烯。

利用电子扫描电镜、Ｘ．ｒａｙ衍射仪、紫外以及红外光谱仪表征石墨烯。

利用层层组装技术，将石墨烯和辣根过氧化酶结合，固定到玻碳电极表面，再覆盖一层壳聚糖，制成过氧化氢生物传感器。

此生物传感器的检测下限是０．１ｇＭ，线性范围是１．０

ｇＭ＂－－２．６ｍＭ

（第３章）。

（３）利用层柱状化合物０【．磷酸锆作电化学研究的基体，是因其具有良好的亲水性，且它的层状结构可以插入小到质子、大到蛋白质的分子。

加之该无机化合物具有良好的热稳定性和化学惰性，有较大的比表面积和表面电荷密度等优点，适合蛋白质的固定。

本文在室温、中性条件下，将葡萄糖氧化酶插入到层柱状化合物ａ．磷酸锆中，再用壳聚糖分散、固定到电极表面，制成葡萄糖传感器。

该传感器对葡萄糖的响应快速灵敏，线性范围为０．０１ｍＭ－－－２０．０ｍＭ，相关系数为０．９９６，斜率为４．７４¨

ＡｍＭ～，检测下限为０．０ｌｍＭ（第４章）。

关键词：

电化学传感器；

纳米线阵列；

酶；

石墨烯；

磷酸锆；

葡萄糖；

过氧化氢ＩＩ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｖａｌｕａｂｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｂｉｏｌｏｇｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓｃｉｅｎｃｅ，ｆｏｏｄｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄｍｅｄｉｃｉｎｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ，

ｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｒａｐｉｄｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｌＯＷｃｏｓｔ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｅａｓｙ

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（１）Ｔｈｅｌａｒｇｅｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆｔｈｅｓｅｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｅｎｚｖｍｅｌｏａｄｉｎｇａｎｄｐｒｏｖｉｄｅ

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ｂｅｓｉｄｅｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ（ｉｎｃｈａｐｔｅｒ２）．

（２）Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｇｒａｐｈｅｎｅｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ

ａｓａｖｅｒｙｐｒｏｍｉｓｉｎｇｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｌａｌｔｈａｔａｔｔｒａｃｓｅｎｏｒｍｏｕｓｉｎｔｅｒｅｓｔ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅ

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硕’｛：

学位论文

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Ｇｌｕｃｏｓｅ；

ＨｙｄｒｏｇｅｎｐｅｒｏｘｉｄｅＩＶ

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硕上学位论文

１．１生物传感器简介

第１章绪论

传感器是信息科学的组成部分，是获取自然信息的一个重要工具，是真实反映客观事物的关键环节，其性能直接影响人们的判断结果【Ｉ】。

各种各样的物理和化学传感器已广泛应用于各种自动控制和检测过程，如检测温度、ｐＨ值、溶解氧、二氧化碳、压力、流量和粘度等１２】。

生命科学在２０世纪取得了巨大的进展和成就，２１世纪是生命科学的世纪，也是信息科学的世纪。

生命科学以生物的生命过程为研究对象，是生物、化学、医学和电子信息技术等多学科相互渗透综合成长起来的交叉学科。

生物传感器正是应生命科学和信息科学的需要而发展起来的，目前生物传感器已经从化学传感器中分离出来，作为传感器的一个独立分支。

生物传感器由于具有较高的选择性和灵敏度，得到了广泛的关注，已发展成为现代生物技术的重要研究领域之一。

特别是近２０年来，生物传感器作为直接或间接检测生物分子、生理或生化过程相关系数的分析器件，与传统的化学传感器和离线分析相比，具有操作简便、响应速度快、样品需要量少、可微型化、价格低廉、可以实现连续在位检测，同时还利于计算机数据收集和处理等特点，在分子生物学、医学检验、食品工业、环境检测以及国防军事方面有着广泛的应用［３－７Ｊ。

１．１．１生物传感器的工作原理

生物传感器（Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）是用生物活性材料与物理化学换能器相结合的一种生物物质敏感器件。

以生物活性物质作为主要功能性元件（生物敏感基元），能够感受到特定的靶分子而产生特定的生物化学信号感知，并按照一定规律将这种感知转换成可识别信号（相应的物理化学信号）的器件或装置【８，９】。

它一般由分子识别部分（感受器）和信号转换部分组成。

其中分子识别部分用来识别测定对象，是产生物理或化学变化的重要部位，是具有分子识别能力，并且直接和待测物质接触的生物活性物质，能够接收或产生生物传感信号。

大多数生物活性材料如酶、抗体、组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、核酸、有机物分子等都可用于构建分子识别组件。

而信号转换部分则能把在分子识别部分产生的物理、化学变化转换成可识别的信号，主要有电化学、光学检测元件，热敏电阻，场效应晶体管，压电石英晶体及表面等离子共振器件等。

生物传感器的选择性取决于它的生物敏感元件，而其它性能则和它的整体组成有关。

它决定着传感器的好坏和灵敏度的高低。

在生物体中，有许多具有分子识别功能的物质，能识别一些特定的物质，并

纳米材料的制各及其在｝乜化学生物传感器中的戍用

与之相结合形成复合物。

当待测物质与分子识别元件特异性结合后，通过转换器将所产生的反应结果（形成复合物或产生光、电、热、声等）转变为与待测物浓度有关的电信号或光信号输出，通过电子系统处理和显示，从而达到分析检测的目的。

１．１．２生物传感器的分类

生物传感器的研究始于２０世纪６０年代初，随着传感技术、半导体技术、微机械加工技术、生物工程技术和生物电子学的发展，各种类型的生物传感器相继问世。

生物传感器的分类方法多种多样，一般按照以下两方面进行分类：

按生物敏感材料分类法和按转换器件分类法。

按生物敏感材料分类，生物传感器可分为：

酶传感器、免疫传感器、适体传感器、ＤＮＡ传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器、分子印迹传感器等；

按转换器件分类，生物传感器则可分为：

电化学生物传感器、热生物传感器、光化学生物传感器、半导体生物传感器、声生物传感器等【１０，１１】。

其中，电化学生物传感器占有重要的位置。

特别是近年来，电化学生物传感器的研究工作取得了巨大的进步，其性能和种类也得到了很大的发展。

１．２电化学生物传感器

电化学生物传感器是最早问世的生物传感器。

２０世纪６０年代，Ｃｌａｒｋ和ＬｙｏｎｓｌｌｚＪ首次提出使用含酶的膜把尿和葡萄糖转化为产物，使用ｐＨ电极或者氧电极来检测的设想；

在１９６７年，Ｕｐｄｉｋｅ和Ｈｉｃｋｓ［１３】把含有葡萄糖氧化酶的聚丙烯酰胺凝胶膜固定到氧电极上制备了第一支葡萄糖传感器，开创了电化学生物传感器的历史。

以生物活性物质为敏感基元，以电化学电极为信号转换器，以电位、电流或者电容为特征检测信号的生物传感器称为电化学生物传感器（ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｂｉｏＳｅａｓｏｒ）

【１４１。

电化学检测技术灵敏、快速、成本低廉，而且检测装置轻便、低能耗且易于微型化和集成化。

因此，电化学生物传感器具有灵敏度高，易微型化，能在复杂体系样品中进行检测等优势。

且电化学生物传感器在商业化应用领域也处于重要地位，已广泛应用于医疗保健、食品工业、农业和环境等领域【ｌ副。

需要指出的是，由于电化学检测技术涉及到复杂的界面问题，因而电化学生物传感器目前尚不如基于光学检测技术的生物传感器发展成熟。

然而可以看到，以分子自组装技术（Ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｏｎｏｌａｙｅｒ）为代表的界面分子设计【ｌ６，１７Ｊ和以扫描探针显微镜（ＳＰＭ）为代表的界面纳米分析技术【１８】的成熟和发展为电化学生物传感器提供了前所未有的发展机遇。

与此相应，近几年电化学生物传感器的最新成果不断出现在顶级学术刊物上。

根据历届世界生物传感器学术大会发表的论文统计，可以看到关于电化学生物传感器的论文仍然占有很大的比例。

硕Ｉｊ学位论文

１．２．１电化学生物传感器的原理

电化学生物传感器一般采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号转换器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号如电流、电位或者电容等，从而实现对分析目标进行定量或定性分析的目的。

它的核心部件是检测器，主要由两部分组成：

一是生物敏感元件，由对被测定的物质（底物）具有高选择性分子识别功能的材料膜构成；

二是转换器，它能把膜上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质信息转换成电信号，电信号经过电子信息技术的处理在仪器上显示并记录下来，还可以进一步进行数据处理和分析。

电化学生物传感器的基本结构如图１．１所示：

生物敏感元件

峨电脑

图１．１电化学生物传感器的基本结构图

１．２．２电化学生物传感器的分类

生物传感器是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多学科相互渗透而产生的一种分析检测装置【ｌ９１。

它是以生物化学和传感技术为基础，用酶、抗体、细胞等生物活性物质作为生物敏感元件，配上信号转换器和电子测量仪所构成的分析工具。

样品通过扩散作用进入生物敏感元件，经分子识别，然后与生物敏感元件发生特异性结合，其生物化学反应所产生的生物学信息通过信号转换器转化为光信号或电信号，再通过仪表放大和输出，即达到检测的目的１２０１。

进入８０年代，生物传感器随着生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等科学技术的发展而发展起来，成为分析化学学科研究中最为活跃的领域之一。

而电化学传感器因其检测快速、方便、价格低廉等特点，也得到了迅速的发展。

电化学生物传感器按不同的生物敏感元件分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学ＤＮＡ传感器ｆ２¨

。

其中尤以固定化酶为基础的电化学生物传感器发展最为迅速‘２２埘】。

１．３电化学酶传感器

酶是一类具有生物催化活性的蛋白质，对相应底物具有高效的催化转化能力。

酶不仅具有催化反应、加快反应速度的作用，而且还具有高度的专一性（特异性选择）。

正是由于这些特点和能力，使得它被非常广泛的应用于各类化学分析上。

电化学酶传感器又称酶电极，是最早研发的一种电化学生物传感器。

早在１９６２年，Ｃｌａｒｋ与Ｌｙｏｎｓ［１２】等人就设想了把酶和电极结合起来检测酶的底物，提出了葡萄糖传感器的原理。

他们预示用一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量。

到１９６７年，世界上第一支酶电极由Ｕｐｄｉｋｅ与Ｈｉｃｋｓ（１３】研制出来用于血清中葡萄糖含量的测定。

从此，酶传感器引起广大科学工作者的重视，并进行了广泛研究，得到了迅速发展。

目前，葡萄糖传感器作为一种快速、简便、准确测定葡萄糖的工具，已得到ｌ临床的广泛应用。

１．３．１电化学酶传感器的分类

按测量信号的不同，电化学酶传感器可分为电流型酶传感器、电位型酶传感器和电导型酶传感器。

电流型酶传感器是利用固定在电极表面上的酶对酶相应的底物进行催化氧化或还原，以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流的大小直接与底物的浓度有关【２５，２６］。

电位型传感器是基于离子选择性电极原理而发展起来的，固定到电极表面的酶对底物进行催化，产生离子型物质，能引起指示电极电位的改变（即酶电极与参比电极间输出的电位信号），电位变化与被测物质之间服从能斯特方程关系【２７１。

电导型传感器是利用在酶促反应中，体系反应前后电荷的改变引起的电导的改变。

利用电导的改变值与底物浓度（或酶活性）的关系，即可测定待测底物（或酶）的含量。

电流型传感器与电位型传感器相比较具有更简单、直观的效果。

电流型酶传感器是生物传感器领域中研究较多，且灵敏度较高的一种类型的电化学生物传感器ｌｚ扣３ｚｊ。

１．３．２电化学酶传感器的原理

电化学酶传感器的基本结构单元由生物敏感分子（固定化酶膜）和信号转换器（基础电极）组成【３３１。

固定化酶膜可以选择性识别被检测物质，发生酶促反应，产生化学信号，基础电极将化学信号转变为电信号，从而达到检测的目的。

基础电极可采用碳质电极（玻碳电极、碳糊电极等）、金属电极（金电极、铂电极等）及相应的修饰电极【３４，３５１。

当酶电极浸入到被测溶液中，待测底物进入酶层的内部

硕Ｌ．学位论文

参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可被电极测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流模式进行测定［３６，３７］。

一个优良电化学酶传感器的主要性能体现在灵敏度、选择性、重现性和稳定性上。

在酶固定化技术上，不仅要满足可以保持酶的良好生物活性，进而获得较高的灵敏度；

而且固定化层要有良好的稳定性及耐用性并且要保证较快的响应速度；

还要保持酶的高度选择性，尽量减少其他活性物质的干扰【３８。

４０】。

１－３．３酶的固定化方法

在电化学生物传感器的构建过程中，采用一种合适的固定化方法将生物分子固定到电极表面，形成稳定的、高活性的生物敏感分子膜，对于生物传感器的性能具有非常重要的影响。

目前，常用的酶的固定化方法主要有以下几种：

吸附法、包埋法、组合法、交联法、共价键合法等【４１．４３１。

（１）吸附法：

主要是利用氢键、范德华力、离子键以及静电作用力等将生物分子与载体结合，从而将生物分子固定在传感器界面。

这种方法由于不需要使用其他化学试剂，也不需要采取活化、洗涤等步骤，因而能最大限度地保持酶的生物活性。

吸附法主要包括物理吸附法【４４１、静电吸附法１４５】等。

物理吸附法即将含有酶的溶液滴在电极表面，溶剂自然挥发、晾干。

此法简单，操作条件温和，但由于生物分子与固体表面结合力弱，易泄露或解脱，稳定性较差【４６。

（２）包埋法：

是将生物分子包裹在高分子三维空间网状结构中，形成稳定的生物组分敏感膜。

由于该方法一般不采用化学修饰，固定化条件比较温和，因而对生物组分的活性影响比较小。

而且膜的孔径和几何形状可以任意控制，可实现高浓度生物组分的固定。

目前，常用的包埋方法有聚合物包埋法【４卜４９１、电聚合物包埋法【５０－５３１、溶胶一凝胶包埋法