基于功能性纳米材料的电化学生物传感器研究

论文摘要

生物传感器作为一门涉及化学、生物学、物理学以及电子学等领域的交叉学科,在临床医学、工农业生产和环境保护等诸多领域有着广阔的应用前景。作为多学科交叉技术,生物传感技术必将成为21世纪知识经济发展中介于信息和生物技术之间的新增长点。在生物传感器的发展进程中,电化学生物传感器是其中十分重要的一类。而纳米技术的蓬勃发展为纳米材料在分析领域的发展和应用开辟了新的思路,各种具有特殊性质的纳米材料的应用推动了化学和生物传感器的迅速发展。纳米材料的独特性质与生物分子的识别作用相结合,大大提高了生物传感器的各方面性能。所以开辟纳米材料的新功能和拓展其在电化学生物传感领域的应用,都有可能对生物分析化学产生巨大的影响。本论文利用纳米材料的特性,将之与生物大分子的优势相结合,同时采用电化学分析方法与原理,制备用于研究水相和非水相检测的新型生物电化学传感器。主要内容分为以下五章：第一章,主要介绍了纳米材料在生物传感器中的应用进展,着重对纳米材料在电化学生物传感器研究中的应用进行了综述,并在此基础上提出了论文的研究目的及研究思路,即利用功能化纳米材料构建水相和非水相的电化学生物传感器。第二章,多层纳米沸石固定的细胞色素c在水相和有机相的电化学行为研究。我们将纳米沸石与聚合物电解质通过静电相互作用,利用层层组装技术（layer-by-layer, LbL）修饰到氧化锡铟（ITO）电极表面。这在电极表面构建了具有大比表面积、生物相容性良好的微环境,再将其用于吸附细胞色素c,考察该固定化生物酶的电化学行为。高负载量的电化学活性蛋白无论是在水溶液还是非水介质中,都实现了与电极之间良好的直接电子传递,异相电子转移常数的结果证明纳米沸石的负载促进了蛋白与电极之间的电子转移；而利用电化学表征手段,研究了细胞色素c氧化还原电位在不同溶剂之间的差异,通过氧化还原过程的热力学参数的测定,表明电位的差异性是由反应过程中的焓变和熵变导致的。结果显示固定化蛋白在水相与非水相之间电化学响应的差异性是可逆的,这主要归因于纳米沸石对生物酶的保护作用,由此进一步拓展了纳米材料在非水相生物电分析及生物传感器的应用。第三章,基于石墨烯修饰电极的NADH和乙醇的生物电化学传感研究。我们基于Staudenmaier方法,在联氨条件还原得到石墨烯及其氧化物。通过X射线衍射表征,证实了石墨烯及其氧化物呈现出单层分子结构。我们将石墨烯片层材料修饰到玻碳电极表面,通过与传统石墨修饰电极与裸玻碳电极相比较,石墨烯表现出更好的电子传递能力,并在NADH表现出良好的电化学催化能力,在此基础上,我们又将乙醇脱氧酶固定到电极表面,构建了乙醇生物传感器,该传感器对乙醇有良好而稳定的响应,在0.2 mM～21 mM浓度范围内呈线性响应关系,检测限达到0.025 mM,同时对实际样品中的乙醇含量做出了准确的检测。这些结果表明,石墨烯的高电化学活性和良好的生物相容性有望使其成为未来设计生物电化学传感器的理想材料。第四章,基于电化学信号介导的特异性识别凝血酶的电化学生物传感器的研究。利用核酸适配子将单臂碳纳米管进行功能化修饰,然后再将其作为电化学信号介导构建新型凝血酶电化学生物传感器。相对于共价修饰碳纳米管或核酸适配体标记的方法,该功能化策略可以很好的保留核酸适配体的活性和碳纳米管的电化学性能。在实验中,我们将制备好的aptamer-SWNT用于电化学信号介导,当目标蛋白存在时,核酸适配体从碳纳米管表面剥离,碳纳米管则被可控的组装到单层16-巯酸分子修饰的金电极表面。吸附的碳纳米管可以介导并放大电极与溶液中分子探针之间的电化学信号,这样就产生了较强的电化学信号。由于空白本底电化学信号非常弱,以及核酸适配体对底物的高度识别性,使得该方法可以实现非常灵敏的信号介导,并进行高选择性的蛋白检测。第五章,对全文进行了总结,指出了研究中存在的不足,并提出了后续工作的目标和研究思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 纳米材料概述
• 1.1 纳米材料的概念与分类
• 1.2 纳米材料的特性
• 1.3 纳米材料的制备与表征
• 1.4 纳米材料的应用及展望
• 2 生物传感器概述
• 2.1 生物传感器的基本概念
• 2.2 生物传感器的历史
• 2.3 生物传感器的分类
• 2.4 非水相生物传感器
• 2.5 生物传感器的应用
• 3 电化学生物传感器概述
• 3.1 电化学生物传感器的原理与分类
• 3.2 生物组分的固定化
• 3.3 电化学生物传感器的发展
• 4 纳米材料在电化学生物传感器中的应用
• 4.1 纳米材料在电化学生物传感器中应用概述
• 4.2 金属纳米材料在电化学生物传感器中的应用
• 4.3 氧化物纳米粒子在电化学生物传感器中的应用
• 4.4 碳基纳米材料在电化学生物传感器中的应用
• 4.5 量子点在电化学生物传感器中的应用
• 4.6 复合纳米粒子在电化学生物传感器中的应用
• 4.7 展望
• 5.本论文的研究思路、目的和意义
• 参考文献
• 第二章 多层纳米沸石固定的细胞色素c在水相和非水相的电化学行为研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 L型纳米沸石的合成与表征
• 2.3 ITO修饰电极的制备
• 2.4 细胞色素c的电化学行为检测
• 3 结果与讨论
• 3.1 纳米沸石的表征
• 3.2 细胞色素c在水相的电化学行为
• 3.3 细胞色素c在非水相的电化学行为
• 3.4 Cyt/LTL修饰电极的热力学研究
• 4 结论与展望
• 参考文献
• 第三章 基于石墨烯修饰电极的NADH与乙醇的生物电化学传感研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 石墨烯的合成与表征
• 2.3 玻碳电极的修饰与电化学检测
• 3 结果与讨论
• 3.1 石墨烯的表征
• 3.2 Graphene/GC电极的电化学行为表征
• 3.3 NADH在Graphene/GC电极的电化学催化
• 3.4 ADH/Graphene/GC电极的生物传感
• 3.5 Nafion/ADH/Graphene/GC对实际样品的检测
• 4 结论与展望
• 参考文献
• 第四章 基于电化学信号介导的特异性识别凝血酶的电化学生物传感器
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 aptamer-SWNT的制备
• 2.3 金电极与QCM振荡片的修饰
• 2.4 修饰电极的电化学及QCM检测
• 3 结果与讨论
• 3.1 基于aptamer-SWNT的生物传感原理
• 3.2 生物传感器的电化学及QCM表征
• 3.3 基于SWV的特异性和高灵敏的凝血酶检测
• 4 结论与展望
• 参考文献
• 第五章 论文总结及下一步工作建议
• 攻博期间的研究成果
• 致谢