纳米材料固定化酶体系的构筑及其在电化学传感器中的应用

论文摘要

本文通过两种途径以克服酶的纯化、分离过程复杂，成本昂贵，长期稳定性差，与底物以及产物不易分离，无法重复利用等缺陷。一是通过酶固定化方法，改善酶的稳定性及重复利用性。为此，本文选用纳米氧化锌（ZnO）和化学还原氧化石墨烯（CRGO）为酶固定化载体材料，构建了两种新型的纳米材料固定化酶体系。研究了所构筑的固定化酶体系中纳米材料与酶的作用机理以及材料对固定化酶催化性质和物理化学性质的影响。同时，利用纳米材料固定化酶制备出了电化学生物传感器。另一途径是设计并制备生物酶模拟物。该论文的具体研究内容及主要结果如下：（1）不同形貌的ZnO纳米材料用于酶的固定化体系的构筑。通过调节水热法制备过程中溶剂甲醇与水的比例，可控合成出了不同形貌的ZnO纳米颗粒，包括纳米球、纳米片、纳米多枝杈等。利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和正硅烷（TEOS）对ZnO纳米材料表面进行了氨基功能化修饰。以戊二醛为交联剂，成功地将辣根过氧化物酶（HRP）通过化学键合的方法固在于氨基化的纳米ZnO材料表面。同时，研究了ZnO纳米粒子形貌对HRP固载的影响，发现三种不同形貌纳米ZnO材料达到最大酶固载量时所用戊二醛的量不同；HRP固载量以及固定化酶动力学参数也因载体材料形貌的不同而有差别；纳米材料的形貌对酶的固载量以及固定化酶的动力学参数都有着重要的影响。（2）氧化石墨烯/化学还原氧化石墨烯固载酶体系构筑。系统研究了HRP以及草酸氧化酶（OxOx）与氧化石墨烯（GO）及化学还原氧化石墨烯（CRGO）的相互作用，发现通过物理吸附，HRP和草酸氧化酶（OxOx）可成功固载于GO或CRGO表面，HRP和OxOx的固载量随着GO的还原程度的增加而增大。同时发现CRGO的酶固载量与溶液pH值无关，但受溶液中盐离子浓度的影响较大，盐离子浓度越大，酶的固载量越大，表明疏水作用是酶与CRGO结合的主要作用力。与GO固定化酶相比，CRGO固定化酶具有较好好的催化活性和重复利用性。特别是OxOx，固定化后的酶活升高至游离酶的1.4倍。（3）基于CRGO固定化酶的电化学传感器。由于CRGO具有良好的电学性质和大的比表面积，CRGO固定化酶可作为电化学电极修饰材料以制备相应的电化学传感器。本文利用CRGO固定化OxOx酶修饰玻碳电极后，发现在电化学循环伏安曲线上可以明显观测到OxOx催化草酸分解的特征峰，且随着草酸浓度的增加，特征峰电流不断增大。当采用OxOx固载量为5mg/mg，CRGO的覆盖量为0.6μg制备所谓酶电极时，对0.01-1.0mM区间范围内的草酸分解都具有很好的线性响应，较高的灵敏性和低的检测下限。（4）基于石墨烯量子点的生物酶模拟物。由于其完整的二维平面骨架结构和较多的羧基，石墨烯量子点（GQDs）具有良好的模拟过氧化物酶的催化活性。利用GQDs边缘富含的羧基，本文将GQDs通过化学键键合的方法结合于Au电极表面。GQDs修饰后的Au电极保留了GQDs对H2O2的催化活性。以GQDs/Au电极为基础构建的H2O2电化学传感器具有较宽的检测线性范围，低的检测下限，良好的稳定性和重复利用性，已被用于检测活细胞释放的H2O2浓度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 固定化酶概述
• 1.1.1 固定化酶概念
• 1.1.2 酶固定化的方法
• 1.1.2.1 吸附法
• 1.1.2.2 共价结合法
• 1.1.2.3 包埋法
• 1.1.2.4 交联法
• 1.1.3 固定化酶载体材料的研究
• 1.1.3.1 固定化酶对载体材料的性能要求
• 1.1.3.2 纳米材料作为固定化酶载体的研究现状
• 1.1.4 固定化酶的性质
• 1.1.5 固定化酶的应用
• 1.1.6 固载酶的优缺点
• 1.2 模拟酶
• 1.2.1 聚合物模拟酶
• 1.2.2 卟啉类模拟酶
• 1.2.3 纳米材料模拟酶
• 1.3 电化学酶传感器
• 1.3.1 电化学酶传感器概述
• 1.3.2 酶电极的发展
• 1.3.3 酶电极制备方法
• 1.3.4 酶电极制备的难点
• 1.4 本论文的研究目的和研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 纳米氧化锌可控合成及其固定化酶体系构筑
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 ZnO 纳米材料的合成
• 2.2.2 ZnO 纳米材料的表面改性
• 2.2.3 材料表征
• 2.2.4 HRP 固定化
• 2.2.5 HRP 活性、浓度测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 水热法制备 ZnO 纳米材料
• 2.3.2 ZnO 纳米材料的表面修饰
• 2.3.3 纳米材料形貌对固定化酶的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 化学还原氧化石墨烯固定化酶体系的构筑
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 溶液配制
• 3.2.2 GO 和 CRGO 的制备和表征
• 3.2.3 酶的固定化
• 3.2.3.1 HRP 的固定化
• 3.2.3.2 OxOx 的固定化
• 3.2.4 酶固载量的测定
• 3.2.5 酶活的测定
• 3.2.6 固定化酶的重复利用性
• 3.2.7 固定化酶的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 CRGO 的制备和表征
• 3.3.2 酶的固定化及其机理研究
• 3.3.3 固定化酶的结构与性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于化学还原氧化石墨烯固定化草酸氧化酶的生物传感器制备
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 玻碳电极的预处理
• 4.2.2 CRGO 对玻碳电极的修饰
• 4.2.3 酶电极制备
• 4.2.4 电极形貌表征以及电化学测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电极修饰材料的选择
• 4.3.2 电极表面的 CRGO-12 的覆载量对电化学特性的影响
• 4.3.3 OxOx 生物传感器的电化学性能
• 4.3.3.1 GCE/CRGO-12/OxOx 电极的制备与电化学性能
• 4.3.3.2 GCE/OxOx-（CRGO-12） 电极的制备与电化学性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 石墨烯量子点的过氧化物催化性能及其在电化学传感器中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 石墨烯量子点的制备和表征
• 5.2.2 溶液配制
• 5.2.3 过氧化物催化反应
• 5.2.4 GQDs 修饰 Au 电极的制备和表征
• 2O₂的电化学检测'>5.2.5 H₂O₂的电化学检测
• 2O₂的检测'>5.2.6 活细胞中释放的 H₂O₂的检测
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 GQDs 的过氧化物催化性能
• 2O₂的检测'>5.3.2 GQDs/Au 电极的制备及其对 H₂O₂的检测
• 2O₂的检测'>5.3.3 活细胞中释放的 H₂O₂的检测
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与创新点
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新点
• 参考文献
• 附录一 实验主要原料和试剂
• 附录二 实验所用的仪器设备
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请专利