固定化CdTe量子点和漆酶电化学生物传感器的构建及在邻苯二酚检测中的应用

论文摘要

量子点（Quantum dots, QDs）,也称为半导体纳米晶,通常由IIB-VIA或ⅢA-ⅤA族元素组成。QDs的纳米尺度导致其具有量子限域效应、独特的光学、电化学和电致化学发光特性,而利用QDs构建电化学生物传感器则是QDs最有前途的应用领域之一。QDs具有的大比表面积、高表面活性及小尺寸等特性使它对外界的光、电、温度等十分地敏感,并能促进生物大分子与电极之间的直接电子转移。外界环境的微小改变就会迅速引起其表面或界面粒子价态和电子转移行为的显著变化,基于生物大分子引起的QDs表面电化学行为变化而构建的电化学生物传感器,其特点是响应灵敏高、速度快且选择性优良。多酚类化合物是一种有机污染物,对环境的危害十分大,所以对于这些化合物的快速灵敏检测显得十分必要。本论文是在本实验室前期关于真菌漆酶（Laccase）和新型纳米材料QDs的相关研究基础上,进一步通过分离纯化制备漆酶,制备了巯基乙酸（MPA）修饰的CdTe量子点（CdTe-MPA QDs）,进而采用溶胶-凝胶法将CdTe-MPA QDs与漆酶分层（Layer by Layer）组装固定于电极上,制备了新型QDs修饰漆酶电化学生物传感器,主要对固定化条件,各种凝胶-溶胶液的选择、配制及电极修饰方法进行了探索,达到了本研究的预期研究目标,具有一定的理论研究和实际应用价值,其主要结果如下：1.水相制备的巯基乙酸（MPA）修饰的CdTe量子点（CdTe-MPA QDs）在314nm处具有一强的激子吸收峰,粒径约为2.9nm,在370nm光谱激发下,其最大发射峰在570nm,半峰宽约为70nm,量子产率为54%,所制备的CdTe-MPA QDs在溶液当中能保持很好的稳定性,该半导体纳米晶属于纤锌矿结构的CdTe（JCPDS 65-1082）。2.提取的粗毛栓菌（Tgalliac）漆酶酶活力为3700U/L,最适反应温度为50℃,因为电化学传感器通常在室温下工作,所以在该QDs修饰漆酶电化学生物传感器的构建过程中,可在略低于最适温度范围内（室温25℃）选择,在该条件下,漆酶酶活还能达到70%,并且酶不易失活。最适反应pH为4.5,当pH到了6.5以上后,漆酶酶活就会快速地降低。3.在金电极与漆酶修饰金电极的研究中,缓冲液对电化学传感器具有一定干扰,而含有机酸的缓冲液对电化学生物传感器具有较大的影响。直接修饰的漆酶导致大部分漆酶失活,易从电极上脱落,仅有微弱的还原电流。共混修饰可防止大多数漆酶失活,显著改善漆酶与金电极表面的接触,提高酶的活力,且该氧化还原过程属于可逆的过程。分层修饰更有助于漆酶的合理定位,能明显提高漆酶的催化活力,氧化还原电流增加了近1.5倍。其中CdTe-MPA QDs单独修饰的金电极对电化学生物传感器的背景电流的影响比较小,能提高电子的转移效率。CdTe-MPA QDs/漆酶/溶胶.凝胶金电极氧化还原反应为准可逆,具有较大的氧化还原电流,氧化还原电流已经明显的增加了近12倍,且有利于漆酶的合理定位,CdTe-MPA QDs的加入能提高漆酶的电子转移能力,且能改变漆酶的催化性质,其氧化还原电势范围从0.129V增加到了0.570V。4.在传感器的条件优化研究中,该传感器最佳pH值为6.0,该pH比自由酶（4.5）的要高,主要是通过溶胶.凝胶、CdTe-MPA QDs的固定改变了漆酶的微环境和内部的电荷分布状态,是各因素相互作用的结果。随着修饰层厚度的增加,其氧化还原电势基本没有变化,但其氧化电流明显增加了一倍,还原电流反而降低了接近一倍,这是由于增加了酶与电极之间的距离,阻塞了底物和产物的扩散通道,从而延长电子传递时间,单位时间内传递的电量减小,从而将导致传感器的响应时间延长,灵敏度下降。电化学阻抗实验证实,由于QDs的加入,该电化学生物传感器具有很小的阻抗,十分有利于电子的传递。该固定化电活性漆酶在电极表面的覆盖度厂为：3.26×10-11mol/cm2,漆酶的米氏常数Km为0.86mmol/L,较小的Km意味着通过溶胶.凝胶法固定的漆酶具有较高的亲和力。5.在该CdTe-MPA QDs/漆酶/溶胶-凝胶电化学生物传感器的实际检测研究中,制各的该传感器可对浓度范围在1.0×10-6—1.0×10-4mol/L的邻苯二酚进行检测,超过此范围后,酶催化底物逐渐达到其饱和状态。其回归方程为ǐ（μA）=0.0286+26.107C （mmol/L）,相关系数是0.9993,检出限（信噪比S/N=3）为7.5×10-7mol/L。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 量子点（Quantum dots,QDs）
• 1.2 量子点的量子效应
• 1.2.1 量子尺寸效应
• 1.2.2 体积效应/小尺寸效应
• 1.2.3 表面效应
• 1.2.4 库仑阻塞与量子隧穿效应
• 1.2.5 宏观量子隧道效应
• 1.2.6 介电限域效应
• 1.3 量子点的光学性质
• 1.4 量子点的电化学性质
• 1.5 量子点的电致化学发光（ECL）性质
• 1.6 量子点的制备方法
• 1.7 量子点的功能性修饰
• 1.8 量子点在电化学生物传感研究中的应用
• 1.8.1 量子点在电致化学发光（ECL）生物传感器中的应用
• 1.8.2 量子点在电化学免疫生物传感器中的应用
• 1.8.3 量子点在电化学DNA生物传感器中的应用
• 1.8.4 量子点在电化学蛋白质生物传感器中的应用
• 1.8.5 量子点在电化学农药生物传感器中的应用
• 1.8.6 量子点在电化学糖类生物传感器中的应用
• 1.9 本文研究的主要内容和意义
• 第二章 巯基乙酸修饰的CdTe量子点的制备及表征
• 2.1 材料
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 仪器
• 2.2 方法
• 2.2.1 巯基乙酸修饰的CdTe量子点的制备
• 2.2.2 表征方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 巯基乙酸修饰的CdTe量子点的紫外可见吸收和发射光谱
• 2.3.2 量子产率的计算
• 2.3.3 巯基乙酸修饰的CdTe量子点的傅立叶变换红外光谱
• 2.3.4 巯基乙酸修饰的CdTe量子点的透射电镜图谱
• 2.4 小结
• 第三章 粗毛栓菌（τ. galliac）漆酶的制备及主要酶学性质研究
• 3.1 材料
• 3.1.1 菌株
• 3.1.2 主要仪器及试剂
• 3.1.3 培养基
• 3.2 方法
• 3.2.1 菌株的活化与保存
• 3.2.2 粗酶液的制备
• 3.2.3 漆酶的分离和纯化
• 3.2.4 漆酶活性的测定
• 3.2.5 温度对酶活性的影响
• 3.2.6 pH对酶活性的影响
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 漆酶催化活力
• 3.3.2 最适反应温度
• 3.3.3 最适反应pH
• 3.4 小结
• 第四章 固定化CdTe量子点和漆酶电化学生物传感器的构建及应用
• 4.1 材料
• 4.1.1 试剂
• 4.1.2 仪器
• 4.2 方法
• 4.2.1 CdTe量子点修饰的金电极的制备
• 4.2.2 溶胶-凝胶法构建的量子点修饰漆酶电极的制备
• 4.2.3 电化学检测方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 裸金电极的电化学行为
• 4.3.2 修饰金电极的电化学行为
• 4.3.3 表面覆盖度的测定
• 4.3.4 动力学米氏常数的测定
• 4.3.5 重现性的测定
• 4.3.6 电极寿命的测定
• 4.3.7 CdTe量子点修饰漆酶电化学生物传感器对邻苯二酚的检测
• 4.4 小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文