纳米血糖传感器的研究

论文摘要

糖尿病是世界性的多发病和常见病,它严重地威胁着人类的健康,是仅次于心血管病和癌症的第三大危险疾病。因此,糖尿病的诊断和治疗是全世界生物医学工程界面临的重大课题。糖尿病的发病率呈逐年上升趋势,作为对治疗有明确指导意义的血糖值的检测,对于糖尿病患者的病情监控和治疗有重大意义。与医院大型生化分析仪相比,便携式血糖传感器系统具有减少病患痛苦、方便、快捷、采血量少、无需专业人员操作等优点。因此,一次性血糖试条的研制有可观的应用前景。传感器发展的方向是微型化、集成化,微型化迫切需要提高传感器的电流响应。目前,市场上已研发出的一次性血糖试条成本较高,用酶量大,且制作工艺复杂,基本上通过对基础印刷电极的材料优化来获得高灵敏度和稳定的响应性能。因此,寻找新材料、新方法制备电流响应值高且各项性能稳定的新型生物传感器非常必要。随着纳米技术的发展,纳米材料的各种显著特性已相继得到证实,本研究中,我们将不同纳米材料引入到血糖传感器的制作中来,为制作能够面向市场的纳米血糖传感器做了较多的尝试。首先,我们分别尝试了将功能化的水分散性碳黑和羧基化的多壁碳纳米管修饰葡萄糖传感器,将其作为载酶层,得到了较好的灵敏度增强效果。实验结果表明:与无修饰传感器相比,功能碳黑和多壁碳纳米管的引入,使葡萄糖传感器的灵敏度分别提高2倍和4倍,检测范围明显拓宽,对不同浓度的葡萄糖样本,其测量一致性为10-15%。测量一致性有待于进一步提高。随后,我们克服了上述纳米材料在应用过程中一致性差的局限,以均匀分散和量化的方式处理纳米二氧化硅,并首次将亲水纳米二氧化硅和高分子成膜材料掺杂制作了多孔疏松立体结构膜,该膜作为葡萄糖氧化酶的载体膜,能够提高酶载量,保持酶活性,并有利于被测试样的快速渗透。用其制作的高分子成膜材料-纳米二氧化硅增强型葡萄糖传感器,在发挥纳米材料的增敏机制和保持传感器的一致性方面取得了平衡,最终缩短了检测时间,减少了酶用量,提高了响应灵敏度,保证了一致性。经过临床实验表明,其灵敏度与无修饰传感器相比,提高了2.6倍,线性范围增加到1.1～33.3 mM,对不同浓度的葡萄糖样本,其测量—致性均在3.5%以内。经过临床血液实验和相关检测部门检测,已达到中华人民共和国国家标准《体外诊断检验系统:自测用血糖监测系统通用技术条件》（GB/T19634-2005）中对血糖试条的准确度和一致性的相关要求,具有较高的理论价值和应用价值。不仅如此,本研究通过对小样品通道流体动力学及扩散动力学的分析,推导了静止液体非稳态扩散过程平面电极扩散层最小厚度;在此基础上,以本研究的纳米血糖传感器为例,提出了一种安培微反应器高度与以扩散为主的电极动力学过程匹配的设计思路和方案,在高分子成膜材料-纳米二氧化硅增强型血糖试条上制作了微反应器,并通过实验验证了该方案的可行性。最后,我们根据纳米血糖传感器增敏前后的阻抗谱图,建立了相应的EIS等效电路和数学模型,并计算了相关动力学参数。结合反应稳定性与酶促反应动力学理论,深入分析了本研究中各种纳米血糖传感器的增敏机理。结果表明,高分子成膜材料-亲水纳米二氧化硅的多孔疏松膜对反应稳态的到达有积极作用,用其制作的纳米血糖传感器的I-t响应曲线很快到达扩散控制区,并建立反应平衡,其对缩短测量时间和提高传感器的一致性方面起到了积极的作用。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 插图清单
• 附表清单
• 1 绪论
• 1.1 糖尿病概述
• 1.1.1 糖尿病的定义及分类
• 1.1.2 糖尿病的临床诊断标准
• 1.1.3 糖尿病检测方法
• 1.2 酶生物传感器
• 1.2.1 生物传感器的分类
• 1.2.2 电流型葡萄糖生物传感器的发展
• 1.3 纳米材料
• 1.3.1 纳米材料概述
• 1.3.2 纳米材料的特性
• 1.4 酶的固定化技术
• 1.4.1 传统的酶固定化方法
• 1.4.2 酶的纳米级固定化新技术
• 1.5 化学修饰电极
• 1.5.1 化学修饰电极的产生与发展
• 1.5.2 化学修饰电极的常用方法
• 1.5.3 化学修饰电极在酶生物传感器中的意义
• 1.6 纳米材料在葡萄糖生物传感器中的运用
• 1.7 小结
• 2 本课题的研究内容及意义
• 2.1 国内外一次性血糖传感器的发展现状
• 2.2 血糖传感器存在的问题和瓶颈
• 2.3 血糖传感器检测标准
• 2.3.1 准确度要求
• 2.3.2 重复性（一致性）要求
• 2.4 本课题的研究内容和意义
• 2.5 选题的创新性
• 3 基础电极的制备和微反应腔设计
• 3.1 基础电极的制备
• 3.2 基于扩散动力学理论的微反应腔设计原理
• 3.2.1 葡萄糖传感器微反应器示意图
• 3.2.2 双电层结构的理论模型
• 3.2.3 微反应器内酶促反应过程及电极传质原理
• 3.3 微腔体动力学模型及分析设计
• 3.4 小结
• 4 基于功能碳黑和多壁碳纳米管的葡萄糖传感器制备和机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 碳黑和碳纳米管简介
• 4.2.1 碳黑
• 4.2.2 碳纳米管
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 实验试剂及仪器
• 4.3.2 无纳米材料修饰的葡萄糖传感器的制备
• 4.3.3 基于水分散性功能碳黑修饰的葡萄糖传感器的制备
• 4.3.4 基于碳纳米管的葡萄糖传感器的制备
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 测试方法
• 4.4.2 修饰前后的葡萄糖传感器的I-t响应曲线对比与讨论
• 4.4.3 传感器修饰前后的响应校正曲线
• 4.4.4 传感器的性能测试
• 4.5 功能碳黑及多壁碳纳米管对葡萄糖传感器的作用机理探讨
• 4.5.1 CB-g-PSS对葡萄糖传感器的增敏机理
• 4.5.2 羧基化的多壁碳纳米管对葡萄糖传感器的增敏机理
• 4.6 小结
• 5 高分子聚合物-亲水纳米二氧化硅共修饰的纳米血糖传感器的制备与机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂与仪器
• 5.2.2 水分散性纳米二氧化硅的制备与表征
• 5.2.3 高分子聚合物-亲水纳米二氧化硅共修饰葡萄糖传感器的制备
• 5.2.4 参数优化
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 测试方法
• 5.3.2 纳米二氧化硅修饰前后的I-t对比图
• 5.3.3 纳米二氧化硅修饰前后的响应校正曲线
• 5.4 传感器的性能测试及保存
• 5.5 机理分析
• 5.5.1 快速渗透机理
• 5.5.2 亲水、疏水基团固定酶机理
• 5.5.3 纳米颗粒催化作用
• 5.6 临床检测实验
• 5.7 小结
• 6 纳米材料对酶促反应动力学的影响分析
• 6.1 反应稳定性和反应平衡
• 6.1.1 米氏方程及稳态
• 6.1.2 基于“米氏方程”的酶电极增敏机理
• 6.1.3 扩散平衡
• 6.2 电化学阻抗谱
• 6.2.1 阻抗的复数平面分析法
• 6.2.2 实验中的阻抗谱图
• 6.2.3 EIS等效电路数学模型
• 6.3 电位阶跃下的电化学反应
• 6.4 小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简介