电化学生物传感器的制备和应用研究

论文摘要

生物传感器属于新兴学科生物电子学的研究范畴,是一个涉及生物、化学、材料、物理、医学,以及纳米技术、微电子技术、信息技术等多学科技术在内的交叉领域。无论是对生物电子体系的机理研究,还是实际应用开发,生物传感器都激发了各国研究者广泛而持久的兴趣。作为生物传感器的一个重要分支,电化学生物传感器具有一些显著的优势,如直接获取生物分子本身或反应体系的电子行为、易与电子技术结合开发小型分析检测系统等,因而表现出更加可预见的应用前景。生物传感器的应用领域主要包括医疗检测、环境监测、食品安全和国防应用。本论文以建立完整的电化学生物传感器的研究体系为目标,这一体系包括电极制作、电极修饰及生物分子的固定、电化学分析测试方法的建立以及小型化检测仪器的开发,内容涉及电化学生物传感器的实现机理和应用开发两方面的研究,具体阐述如下:一、生物传感器电极的制备。通过手动丝网印刷工艺制作薄片型碳电极,作为本研究工作中大部分生物传感器的基础电极。研究了丝网印刷碳电极的表面性质和活化处理方法。该电极可批量制作,成本低,显然比传统使用的金属电极或玻碳电极更具有应用价值。另外,加工制作了碳糊电极并对其电化学行为进行了考察。二、生物分子固定方法和电子传递介质研究。建立了溶胶-凝胶法、壳聚糖-戊二醛交联法等多种在电极表面固定酶的方法;考察了普鲁士蓝、二茂铁及其衍生物、亚甲基蓝作为电子传递介质材料的相关性质以及在构建生物传感器电极中的作用;考察了纳米银颗粒对传感器信号的增强作用。三、制备了基于普鲁士蓝修饰丝网印刷电极的过氧化氢传感器。被称为“人工过氧化物酶”的普鲁士蓝对过氧化氢有很好的催化活性。通过电化学方法,将普鲁士蓝沉积到丝网印刷电极表面形成修饰电极,该电极可用来检测过氧化氢,实验确定了最佳的检测条件,测定了相关的性能参数。该传感器电极制作简单,成本低,稳定性好,为过氧化氢的检测提供了一种快速、准确而又便宜的检测方法。四、制备了三种葡萄糖氧化酶生物传感器。在普鲁士蓝修饰电极的基础上,通过溶胶-凝胶法或壳聚糖-戊二醛交联法固定葡萄糖氧化酶,制得可以在-0.05V低电位下工作的生物传感器,有效防止了电活性杂质的干扰。尝试用纳米银胶提高传感器的性能。对基于丝网印刷电极葡萄糖氧化酶生物传感器制作工艺和重复性进行了研究,这对批量制作实用性传感器电极具有重要意义。五、制备了基于丝网印刷电极的乙酰胆碱酯酶生物传感器,实现了对硫代乙酰胆碱的检测。该生物传感器可发展成为快速检测有机磷农药残留的仪器。六、首次研究了葡萄糖氧化酶和次黄嘌呤氧化酶在丝网印刷电极表面的直接电化学行为,探讨了不同固定方法对实现酶与电极间直接电子转移的影响。对氧化还原酶在电极表面的直接电子转移的研究,开发不加电子传递介质的所谓“第三代生物传感器”,具有重要意义。在实现葡萄糖氧化酶与丝网印刷电极进行直接电子转移的基础上,制备了两种无电活性介质的新型葡萄糖生物传感器。七、制备了两种用于DNA杂交信号检测的DNA生物传感器,分别基于氧化锆掺杂的碳糊电极和氧化锆修饰的丝网印刷电极。两种传感器电极均利用了氧化锆与磷酸基团间的亲和作用来实现对探针DNA的固定,该方法简单有效。由于在使用DNA生物传感器的检测过程中DNA杂交反应的不可逆性,一支DNA的电极通常只能使用一次。碳糊电极的易再生性、丝网印刷电极的低成本,都可以很好地解决这一问题。八、提出了基于MSP430单片机的小型电化学生物传感器检测装置的设计方案。与台式电化学工作站相比,该恒电位仪体积小,成本低。可实现循环伏安法、电流-时间法和微分脉冲伏安法三种电化学检测方法,具有丝网印刷薄片型电极接口,能够满足本课题研究中制备的各种酶生物传感器电极和DNA生物传感器电极的检测要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 生物传感器的定义和分类
• 1.2 电化学酶生物传感器
• 1.2.1 电化学酶生物传感器的发展历程
• 1.2.2 电化学酶生物传感器的工作原理
• 1.2.3 电化学酶生物传感器的制备方法
• 1.3 电化学DNA 生物传感器
• 1.3.1 电化学DNA 生物传感器的发展历程
• 1.3.2 电化学DNA 生物传感器的工作原理
• 1.3.3 电化学DNA 生物传感器的制备
• 1.4 丝网印刷技术及其在生物传感器领域的应用
• 1.4.1 丝网印刷电极的基本结构
• 1.4.2 检测装置
• 1.5 生物传感器在食品安全检测领域的应用
• 1.5.1 食品成分检测
• 1.5.2 食品新鲜度检测
• 1.5.3 农药残留检测
• 1.5.4 食源性致病菌检测
• 1.6 生物传感器的发展趋势和存在的问题
• 1.7 本论文的研究工作
• 第2章 生物传感器基础电极的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂和仪器
• 2.3 碳糊电极
• 2.3.1 材料和制备过程
• 2.3.2 碳糊电极的电化学行为
• 2.4 丝网印刷电极
• 2.4.1 材料设备和制备过程
• 2.4.2 电极的预处理和一致性
• 2.4.3 印刷过程中的问题及解决方法
• 2.5 金电极、铂电极和玻碳电极
• 2.6 本章结论
• 第3章 生物分子的固定和电子传递介质的修饰
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂和仪器
• 3.3 生物分子的固定方法
• 3.3.1 戊二醛-牛血清白蛋白交联法固定酶
• 3.3.2 戊二醛-壳聚糖交联法固定酶
• 3.3.3 溶胶-凝胶法固定酶
• 3.4 电子传递介质及修饰方法
• 3.4.1 过氧化氢作为电子传递介质
• 3.4.2 普鲁士蓝
• 3.4.3 二茂铁及其衍生物
• 3.4.4 亚甲基蓝
• 3.4.5 纳米银溶胶
• 3.5 本章结论
• 第4章 用于过氧化氢检测的生物传感器的研制
• 4.1 引言
• 4.2 实验试剂和仪器
• 4.3 普鲁士蓝修饰丝网印刷电极
• 4.3.1 实验过程
• 4.3.2 结果和讨论
• 4.4 本章结论
• 第5章 用于葡萄糖检测的酶生物传感器的研制
• 5.1 引言
• 5.2 实验试剂和仪器
• 5.3 基于普鲁士蓝修饰铂电极的葡萄糖生物传感器
• 5.3.1 方法和原理
• 5.3.2 实验过程
• 5.3.3 结果和讨论
• 5.3.4 小结
• 5.4 基于普鲁士蓝修饰丝网印刷电极的葡萄生物传感器
• 5.4.1 方法和原理
• 5.4.2 实验过程
• 5.4.3 结果和讨论
• 5.4.4 小结
• 5.5 一种高灵敏度葡萄糖生物传感器的简单制法
• 5.5.1 方法和原理
• 5.5.2 实验过程
• 5.5.3 结果和讨论
• 5.5.4 小结
• 5.6 本章结论
• 第6章 乙酰胆碱酯酶生物传感器的研制
• 6.1 引言
• 6.2 实验试剂和仪器
• 6.3 有机磷农药检测机理
• 6.4 基于丝网印刷电极乙酰胆碱酯酶生物传感器的制备
• 6.4.1 实验过程
• 6.4.2 结果和讨论
• 6.5 本章结论
• 第7章 酶直接电化学研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验试剂和仪器
• 7.3 二氧化硅溶胶-凝胶/聚乙烯醇固定葡萄糖氧化酶的直接电化学
• 7.3.1 实验过程
• 7.3.2 结果和讨论
• 7.3.3 小结
• 7.4 介孔材料KIT-6 固定葡萄糖氧化酶的直接电化学
• 7.4.1 实验过程
• 7.4.2 结果和讨论
• 7.4.3 小结
• 7.5 黄嘌呤氧化酶在丝网印刷电极上的直接电子转移研究
• 7.5.1 实验过程
• 7.5.2 结果和讨论
• 7.5.3 小结
• 7.6 本章结论
• 第8章 用于 DNA 杂交信号检测的生物传感器的研制
• 8.1 引言
• 8.2 实验试剂和仪器
• 8.3 基于氧化锆修饰碳糊电极的DNA 生物传感器
• 8.3.1 方法和原理
• 8.3.2 实验过程
• 8.3.3 结果和讨论
• 8.3.4 小结
• 8.4 基于氧化锆修饰丝网印刷电极的DNA 生物传感器
• 8.4.1 方法和原理
• 8.4.2 实验过程
• 8.4.3 结果和讨论
• 8.4.4 小结
• 8.5 本章结论
• 第9章 小型生物传感器检测装置的设计方案
• 9.1 引言
• 9.2 硬件单元设计
• 9.2.1 中央处理器模块
• 9.2.2 恒电位仪模块
• 9.2.3 电源模块
• 9.2.4 液晶驱动模块
• 9.2.5 键盘接口
• 9.3 软件单元设计
• 9.3.1 软件功能要求
• 9.3.2 单片机执行程序
• 9.3.3 PC 应用程序
• 9.4 本章结论
• 第10章 结论
• 本文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 科研工作主要成果