基于电活性纳米复合材料构建生物传感的研究

论文摘要

生物传感器是目前极为活跃的研究领域,而其中电化学传感器因具有好的选择性、高灵敏度、低成本、分析速度快、操作简单、易于微型化等优点,在环境监测、食品和医药工业、临床诊断等领域有着重要的应用价值。在电化学生物传感器的研制中,因纳米性材料拥有很多优点,比如它具有优越的导电能力、其良好的催化特性及其生物的相容性比较好,所以研究其在电化学传感器中的应用,对于提出新理论和新方法,构造新型、简单的电分析生命传感器具有非常重要的实际意义。同时构建纳米-生物传感界面,将纳米功能材料与生物功能分子的特殊性质及性能相结合,发挥材料间的协同效应,有助于加快生物传感器的发展。本文以纳米和纳米-生物传感界面的构建,以及在电化学传感器中的应用为主旨,期间具体开展的研究工作如下：1.本文通过戊二醛将壳聚糖（CHIT）和电子介体甲苯胺蓝（TB）进行交联,得到的CHIT-TB复合物修饰在金电极（Au）表面,靠静电作用吸附金纳米粒子（AuNPs）。再利用纳米金材料良好的生物兼容性、大的比表面积固定乙肝表面抗体（HBsAb）,从而可进一步对乙肝表面抗原进行检测。构建的CHIT-TB/Au NPs/HBsAb/BSA免疫传感器兼具以下优点：CHIT在此不仅可以提供一个良好的生物微环境,同时它通过戊二醛交联,将TB共价键合上去,解决了电子介体易泄漏问题,提高电极的稳定性。Au NPs具有良好的导电性和大的比表面积,对于构建的传感器能起到放大信号作用,能提高该传感器的灵敏度。实验过程中采用微分脉冲伏安法（DPV）,对HBsAg进行定量检测。检测的HBsAg的浓度范围在1-200 ng mL-1,检测限为0.28 ng mL-1。该方法检测范围宽、检测限低,从而为肝炎的早期诊断提供了一个方便,快捷,且低成本的方法。2.介绍一种灵敏检测癌症标记物α-甲胎蛋白（AFP）的新型电化学免疫传感器,这种传感器用石墨烯作为一个传感平台,金纳米粒子（Au NPs）用于固定a-甲胎蛋白抗体（anti-AFP）。首先,化学还原得到的甲苯胺蓝修饰的功能化石墨烯（CRG-TB）,由于在石墨烯片表面修饰上甲苯胺蓝表面带正电,使得片与片间存在库仑斥力,使得CRG-TB能很好的分散在水中。同时,作为生物传感器平台的石墨烯片,增大表面积来捕获更多的抗体,因此增大了检测信号。其次,由于金纳米粒子（Au NPs）良好的生物相容性,为抗体的固定提供一个良好的生物微环境,同时也促进氧化还原电子介体与电极表面的电子传递。所以制备的该免疫传感器显示了一个宽的线性范围和低的检出限（0.04 ng mL-1）。3.基于上个体系,将石墨烯作为一个传感平台,再用Fe304@Au磁性复合粒子为载体用于固定HRP标记的二抗α-甲胎蛋白抗体（Ab2）进行夹心免疫反应。基于信号双重放大的方法,大大提升了癌症生物标志物检测的灵敏性：首先,化学还原得到的甲苯胺蓝修饰的功能化石墨烯（CRG-TB）,由于在石墨烯表面修饰上甲苯胺蓝表面带正电,使得片与片间存在库仑斥力,使得CRG-TB能很好的分散在水中。同时,作为生物传感器平台的石墨烯片,增大表面积来捕获更多的抗体,因此增大了检测信号。其次,由于用Fe3O4@Au磁性复合粒子是微球型具有大的比表面积；表面附上的是金壳,良好的生物相容性,提高了抗体的固定,进而吸附上更多的酶。同时磁性材料易于分离富集：提高了检测的灵敏性。所以该方法制备的免疫传感器显示了一个宽的线性范围（1-25 pg mL-1）和低的检出限（0.31 pg mL-1）,好的重复性、稳定性及高选择性。且该传感器所测结果与传统的酶联免疫法测试值相近,为实际检测提高很好的应用前景。4.近年来,纳米材料因其具有的诸多优点：如其良好的电催化性能,大的比表面积,良好的导电性及促进电子转移等特性,因而被广泛应用于生物电化学领域。石墨烯作为一种新型的纳米材料,因其独特的电子结构和优异的光电性质在化学和材料科学领域受到广泛的关注,将其作为电极修饰材料对许多物质的电化学过程都表现出良好的催化性能。本文中我们将硫堇（Thi）通过键合作用固定在石墨烯（CRG）表面,利用Thi分子中氨基与金之间的Au-N键进一步固载金纳米颗粒（Au NPs）,制备了CRG-Thi/Au NPs复合材料修饰电极。在石墨烯存在下,Thi的电化学活性得到了很大提高,而Au NPs的引入显著促进了电子传递,增大电化学响应。所制备的传感器对过氧化氢有高灵敏的响应和低检测限（0.64μmol L-1）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生物传感器
• 1.1.1 生物传感器概况简介
• 1.1.2 生物传感器的原理
• 1.1.3 生物传感器的分类
• 1.2 免疫传感器简介
• 1.2.1 免疫传感器的定义
• 1.2.2 免疫传感器的工作原理
• 1.2.3 免疫传感器的分类
• 1.2.4 电化学免疫传感器
• 1.3 酶传感器
• 1.4 纳米材料在化学/生物分析及传感中的应用
• 1.4.1 金纳米粒子在生物医学工程中的应用
• 1.4.2 石墨烯在传感器中的应用
• 1.5 总结与前景展望
• 参考文献
• 第2章 甲苯胺蓝-壳聚糖纳米复合物的制备及其在生物传感器构建中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 CHIT-TB复合材料的红外光谱表征
• 2.3.2 不同修饰膜的表面形貌表征
• 2.3.3 电极修饰过程的电化学表征
• 2.3.4 实验条件的优化
• 2.3.5 免疫传感器的安培响应
• 2.3.6 免疫传感器的重现性,稳定性和特异性
• 2.3.7 样品测定
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第3章 甲苯胺蓝功能化石墨烯免疫传感器的构建及其甲胎蛋白检测应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 石墨烯/甲苯胺蓝复合材料的制备（CRG-TB）
• 3.2.4 制备免疫传感器
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 石墨烯及其复合材料的电镜表征
• 3.3.2 CRG-TB的光谱表征
• 3.3.3 修饰电极的循环伏安特性
• 3.3.4 修饰电极的电化学交流阻抗谱分析
• 3.3.5 缓冲液pH,孵化温度和时间的影响
• 3.3.6 免疫传感器的安培响应
• 3.3.7 免疫传感器的稳定性和重现性
• 3.3.8 选择性
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第4章 基于甲苯胺蓝/石墨烯纳米复合材料的甲胎蛋白夹心免疫传感器
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 化学试剂
• 4.2.2 CRG-TB的制备
• 2-Fe₃O₄@Au的制备'>4.2.3 HRP-Ab₂-Fe₃O₄@Au的制备
• 4.2.4 制备夹心型免疫传感器
• 4.2.5 实验仪器
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 磁性纳米粒子的表征
• 4.3.2 电极修饰过程各种膜的形貌表征（多层膜的形貌分析）
• 4.3.3 比较不同标记的二抗的电流响应
• 4.3.4 实验条件的优化
• 4.3.5 免疫传感器的电流响应特性
• 4.3.6 免疫传感器的再生
• 4.3.7 免疫传感器的选择性和稳定性
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第5章 基于石墨烯与硫堇协同作用的过氧化氢传感器研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 金纳米粒子的制备
• 5.2.3 石墨烯/硫堇复合材料的制备（CRG-Thi）
• 5.2.4 修饰电极的制备
• 5.2.5 过氧化氢生物传感器的测试方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CRG-Thi的紫外光谱表征
• 5.3.2 CRG-Thi与CRG-Thi/Au NPs的扫描电镜图
• 5.3.3 CRG-Thi/Au NPs复合材料的光电效应
• 5.3.4 CRG-Thi/Au NPs修饰电极的电化学行为
• 5.3.5 CRG-Thi/Au NPs对过氧化氢的电催化
• 5.3.6 重现性和稳定性
• 5.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果