基于新型纳米材料修饰电极的电化学传感器研究

论文摘要

电化学传感器具有灵敏度高、选择性好、检测成本低、分析速度快、能在复杂环境中进行连续检测等优点,在生物工程、临床医学、环境保护、电子和食品工业具有广泛的应用价值。纳米材料具有许多优点,将纳米材料用于制备传感器,可以显著增强传感器的响应性能。磁性纳米颗粒四氧化三铁因为其独特的磁效应、电子传导性、生物相容性和催化作用,在仿生催化、材料制造、生物医学等领域受到广泛关注。生物酶具有很高的催化效率和对底物选择的高度选择性,但是酶易失活,提取困难,生产工艺不够成熟,因此开发一种具有生物仿生催化作用的材料具有重要意义。基于四氧化三铁纳米颗粒具有对过氧化氢良好的催化作用,本论文拟探索研发一系列新型纳米材料修饰的电化学传感器,并用以实现对过氧化氢的检测。近年来,电化学DAN传感器吸引了广大学者的关注,它拓展了电化学和分子生物学新的研究领域,对于临床医学和基因工程具有深远意义。本论文利用DNA特殊的生化性质制备新型电化学生物传感器,实现对多巴胺抗干扰检测,为探索生物体内电子传递和代谢提供一种新的研究手段。具体内容如下:（1）用共沉淀法合成磁性纳米颗粒四氧化三铁Fe3O4-NPs,并以其为传感器件,构建过氧化氢传感器。采用物理吸附法（成膜法）在玻碳电极表面修饰一层用PDDA（聚氯化二烯丙基二甲基铵）分散的Fe3O4-NPs（四氧化三铁纳米颗粒）敏感薄膜,成膜后再附着一层离子交换膜Nafion（全氟化磺酸酯）,用以防止敏感材料的泄露,增强电流响应。由于Fe3O4-NPs具有仿生催化作用,实验中所制备的电化学传感器对过氧化氢浓度在10μM～2 mM的范围内有良好的信号响应,线性相关系数0.9929。在对不同H2O2浓度分析得出的米氏方程中,线性相关系数0.9989,米氏常数为5.1 mmol/L,显示了所制备传感器对过氧化氢良好的催化性能。（2）构建碳纳米管/四氧化三铁磁性纳米颗粒层层自组装膜的电化学传感器,其中采用了化学吸附和静电吸附相结合的方法对电极进行修饰。实验中运用循环伏安法和计时电流法考察修饰电极电极的性能,如直接电化学行为、对底物的催化还原行为等,同时也探讨了碳纳米管在修饰电极中的作用。当过氧化氢浓度在5μM～2.5 mM范围时有很好的响应,而且由于化学吸附和静电吸附的作用力比普通物理吸附作用力强,因此,制备的电极具有更好的稳定性和重现性。（3）用电沉积的方法构建DNA修饰电极,该DNA修饰电极表面的负电性磷酸基团可通过静电作用吸附富集正电性的多巴胺分子,显著增强多巴胺分子的电化学氧化电流;同时该修饰电极可以有效地分离在裸电极上发生重叠的多巴胺和抗坏血酸的氧化峰,从而消除电化学氧化检测多巴胺时共存电活性组分抗坏血酸的干扰。用脉冲伏安法灵敏地、选择性地检测到了浓度低至0.05μM的多巴胺。考虑到电沉积DNA修饰电极制备的简单性和对多巴胺检测的有效性,该修饰电极可提供一个具有广泛应用前景的多巴胺分子检测平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料的概述
• 1.1.1 纳米材料的定义与分类
• 1.1.2 纳米材料的应用
• 3O₄-NPs 的概述'>1.1.3 磁性纳米颗粒四氧化三铁Fe₃O₄-NPs 的概述
• 1.2 电化学生物传感器
• 1.2.1 电化学生物传感的工作原理
• 1.2.2 电化学生物传感的类型
• 1.3 电化学DNA 传感器
• 1.3.1 电化学DNA 传感器工作原理
• 1.3.2 DNA 探针的固定方法
• 1.4 本论文的研究思路
• 第2章 四氧化三铁磁性纳米颗粒的合成及成膜法制备电化学传感器
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 3O₄-NPs 的合成'>2.2.2 四氧化三铁磁性纳米颗粒Fe₃O₄-NPs 的合成
• 2.2.3 分散液的制备
• 2.2.4 玻碳电极的清洗
• 2.2.5 修饰电极的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 不同修饰电极的循环伏安行为
• 2.3.2 四氧化三铁浓度对修饰电极的影响
• 2.3.3 不同浓度过氧化氢对修饰电极的影响
• 2.3.4 过氧化氢的检测
• 2.4 小结
• 第3章 基于碳纳米管/四氧化三铁磁性纳米颗粒层层自组装膜的电化学传感器
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3O₄-NPs 的合成'>3.2.2 四氧化三铁磁性纳米颗粒Fe₃O₄-NPs 的合成
• 3O₄-NPs 分散液的配制'>3.2.3 TMAOH-Fe₃O₄-NPs 分散液的配制
• 3.2.4 PDDA-MWCNTs 分散液的制备
• 3.2.5 电极的清洗处理
• 3.2.6 修饰电极的构建
• 3.3 结果与讨论
• 3O₄-NPs 对H₂O₂ 的催化效应影响'>3.3.1 磁性纳米颗粒Fe₃O₄-NPs 对H₂O₂的催化效应影响
• 3O₄-NPs 在PBS 中的直接电化学行为'>3.3.2 磁性纳米颗粒Fe₃O₄-NPs 在PBS 中的直接电化学行为
• 3.3.3 修饰电极在不同扫速下的循环伏安图
• 3.3.4 多壁碳纳米管MWCNTs 的作用
• 3.3.5 不同组装层数对修饰电极的影响
• 3.3.6 修饰电极在不同浓度过氧化氢溶液中循环伏安图
• 3.3.7 修饰电极在磷酸缓冲溶液中对过氧化氢的计时电流响应图
• 3.4 小结
• 第4章 多巴胺在电沉积DNA 修饰电极表面的电催化氧化检测
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 电极制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电沉积DNA 修饰电极的表征
• 4.3.2 电沉积DNA 修饰电极对多巴胺的电催化氧化
• 4.3.3 修饰电极的检测性能
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所完成的学术论文
• 致谢