基于无机层状纳米材料的新型电化学生物传感器的研究

论文摘要

生物传感器在医学、环境监测、食品及军事等领域有着重要的应用价值,已引起世界各国的极大关注。层状纳米材料具有结构规整、化学组成可调变及可插层组装等特性,而且层状纳米材料剥层后的纳米片具有更开放的结构。本课题基于层状二氧化锰、磷酸锆及其纳米片材料制备新型电化学生物传感器,得到的生物传感器具有良好的稳定性、抗干扰性等,为新型电化学生物传感器的开发提供了新思路,具有广阔的应用前景。1.采用生物相容性材料—磷酸锆纳米片（ZrPNS）固定辣根过氧化酶（HRP）,X-射线衍射（XRD）结果表明ZrPNS在HRP-ZrPNS膜中保持无序结构。傅立叶变换红外光谱（FTIR）结果表明HRP在ZrPNS膜中保持了其基本结构。HRP-ZrPNS修饰玻碳电极（GCE）实现了HRP的直接电化学。以此为基础制备了第三代H2O2生物传感器,该传感器对H2O2具有较快的响应时间和较宽的线性响应范围。2.利用带相反电荷的肌红蛋白（Mb）和ZrPNS之间的静电吸引作用在固体基质表面交替吸附制备了{Mb/ZrPNS}n层层白组装电活性薄膜,用电化学交流阻抗谱（EIS）监测和证明了膜的线性生长。场发射扫描电镜（FESEM）结果表明ZrPNS在{Mb/ZrPNS}n层层自组装薄膜中趋向平行于固体基质表面而使组装薄膜非常平滑。该薄膜修饰GCE在空白底液中出现了一对峰形良好、几乎可逆的Mb亚铁血红素FeⅢ/FeⅡ的氧化还原峰,表明Mb在该膜内实现了与GCE表面的直接电子转移。与其它用非导电纳米粒子或聚离子与Mb层层自组装薄膜相比,{Mb/ZrPNS}n膜具有许多优异的性能,如Mb高的表面覆盖度（Γ*）,对H2O2良好的电催化活性等。3.以阳离子型生物相容性聚合物—阳离子纤维素（QY）为固定化载体固定葡萄糖氧化酶（GOD）,FTIR、紫外-可见光谱（UV-Vis）、圆二色光谱（CD）结果表明GOD在QY膜中保持了它的基本结构。用FESEM对聚合物膜以及酶膜的表面形貌进行了研究。以QY为固定化载体固定GOD制备的第一代葡萄糖生物传感器对葡萄糖响应迅速,并具有较高的灵敏度。以二茂铁为电子媒介体制备了第二代葡萄糖生物传感器,该媒介体型葡萄糖生物传感器表现出良好的抗干扰能力,对葡萄糖的线性响应范围也进一步扩展。QY价格低廉,而且固定化方法简便,因此这种基于QY的生物传感器有望获得实际应用。4.利用生物相容性聚合物QY—二氧化锰纳米片（MNS）纳米复合材料固定HRP,FTIR和CD结果表明HRP在QY-MNS膜中保持了其基本结构。HRP-QY-MNS修饰GCE在空白底液中于-0.272 V（vs.Ag/AgCl）处出现了一对几乎可逆的氧化还原峰,表明HRP在该膜内实现了和电极之间的直接电子转移。与固定HRP的其它材料相比,这种有机-无机纳米复合材料修饰酶电极展示出许多优良的性能:较高的表面覆盖度、较快的响应、对H2O2良好的电催化活性以及良好的长期稳定性等。5.用剥离/再组装方法把亚甲基蓝（MB）插入到层状二氧化锰（birnessite简写为Bir）层间制备了超分子插层结构的MB插层二氧化锰（MB-Bir）,用XRD、FTIR及电化学方法对这种材料进行了表征。以MB-Bir作为电子媒介体制备了新型无试剂型H2O2电化学生物传感器。循环伏安和安培测试结果表明把MB以这种方式固定后可以稳定有效地在HRP和电极之间传递电子。该生物传感器对H2O2具有良好的响应性能,此外该传感器也具有良好的稳定性和抗干扰性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物传感器概况
• 1.1.1 生物传感器的定义
• 1.1.2 生物传感器的分类
• 1.1.3 电化学生物传感器的发展历程
• 1.1.4 电化学生物传感器的制备
• 1.2 生物固定化材料简介
• 1.2.1 聚合物材料在生物传感器中的应用
• 1.2.2 纳米材料在生物传感器中的应用
• 1.3 电化学生物传感器应用现状与存在问题
• 1.4 本论文的研究内容、目的和意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 目的和意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）分析
• 2.3.2 傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 2.3.3 紫外—可见光谱（UV-Vis）分析
• 2.3.4 圆二色光谱（CD）分析
• 2.3.5 电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）分析
• 2.3.6 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 2.3.7 透射电镜（TEM）分析
• 2.3.8 原子力显微镜（AFM）分析
• 2.3.9 电化学测试
• 2O₂生物传感器'>第三章 基于ZrPNS的电化学生物传感器—ZrPNS固定HRP制备第三代H₂O₂生物传感器
• 3.1 引言
• 3.2 ZrPNS溶胶的制备
• 3.3 酶电极的制备
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 α-ZrP前体、ZrPNS、ZrPNS膜及HRP-ZrPNS膜的表征
• 3.4.2 FTIR谱分析
• 3.4.3 修饰酶电极的电化学表征
• 3.4.4 酶电极的生物电催化行为
• 3.4.5 计时安培法对电极灵敏度的评估
• 3.5 小结
• 第四章 基于ZrPNS的电化学生物传感器—Mb与ZrPNS制备层层自组装电活性膜
• 4.1 引言
• n复合超薄膜的制备'>4.2 {Mb/ZrPNS}_n复合超薄膜的制备
• 4.3 结果与讨论
• n超薄膜的表征'>4.4.1 {Mb/ZrPNS}_n超薄膜的表征
• 4.4.2 组装膜修饰电极的研究
• 4.4.4 酶电极的生物电催化行为
• 4.5 小结
• 2O₂生物传感器'>第五章 基于MNS的电化学生物传感器—基于MNS-QY纳米复合材料的第三代H₂O₂生物传感器
• 5.1 引言
• 5.2 QY修饰的葡萄糖生物传感器的研究
• 5.2.1 酶电极的制备
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.2.2.1 酶与聚合物的键合情况研究
• 5.2.2.2 第一代葡萄糖生物传感器的研究
• 5.2.2.3 第二代葡萄糖生物传感器的研究
• 5.2.2.4 重现性研究
• 5.2.2.5 稳定性研究
• 5.2.2.6 干扰的测定
• 2O₂生物传感器'>5.3 MNS-QY纳米复合材料制备第三代H₂O₂生物传感器
• 5.3.1 MNS溶胶的制备
• 5.3.2 酶电极的制备
• 5.3.3 结果与讨论
• 2前体、MNS和HRP-QY-MNS膜的表征'>5.3.3.1 MnO₂前体、MNS和HRP-QY-MNS膜的表征
• 5.3.3.2 FTIR光谱分析
• 5.3.3.3 CD谱分析
• 5.3.3.4 修饰酶电极的电化学表征
• 5.3.3.5 酶电极的生物电催化行为
• 5.3.3.6 计时安培法对电极灵敏度的评估
• 5.4 小结
• 2O₂生物传感器'>第六章 基于MNS的电化学生物传感器—基于超分子插层结构MB-Bir的H₂O₂生物传感器
• 6.1 引言
• 2的制备'>6.2 MB插层MnO₂的制备
• 6.3 修饰电极的制备
• 6.4 结果与讨论
• 2的表征'>6.4.1 MB插层MnO₂的表征
• 6.4.2 酶电极的生物电催化行为
• 6.4.3 pH值对生物传感器电流响应的影响
• 6.4.4 酶载量对生物传感器电流响应的影响
• 6.4.5 计时安培法对电极灵敏度的评估
• 6.4.6 电极稳定性的评估
• 6.4.7 干扰的测定
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 本论文的创新点
• 参考文献
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 作者及导师简介