新型葡萄糖生物传感器的构筑、机理及应用研究

论文摘要

葡萄糖是动植物体内碳水化合物的主要组成部分,葡萄糖的定量测定在临床化学、生物化学和食品分析中都占有很重要的地位,葡萄糖的分析与检测方法一直是研究的热点之一。随着人们生活水平的提高和老年人口的增加,糖尿病发病率呈上升趋势,已成为仅次于心血管病和癌症的第三大危险疾病,其诊断和治疗已成为了医学界面临的重大课题。因此,快速、准确、方便地检测血糖含量,从而有效地对糖尿病进行监测和治疗变得越来越重要。之前,人们已经为葡萄糖的检测做出了很多重要的研究。在已有检测方法中,生物传感器由于具有灵敏度高、重现性好、操作简便等优点,在各种检测方法中扮演着重要的角色。它的工作原理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化酶（GOx）催化氧化葡萄糖时产生的过氧化氢电流的检测。因此,葡萄糖氧化酶的固定化是传感器制备过程中最关键的步骤之一纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于1-100纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,并由此产生出许多特殊性质。由于纳米材料特有的光、电、磁、催化等性能,引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注。因此,纳米材料在太阳能电池、催化、电子信息技术及传感器材料等方面有着深入的研究和广阔的应用前景,其中传感器是纳米材料可能利用的最有前途的领域之一。纳米材料奇异的特性,使得生物传感器的灵敏度、检测限和响应范围等性能指标得到了很大的提升。纳米材料为生物传感器的发展带来了新的契机,创造了更为广阔的空间。本论文通过链接反应（Click Reaction）、聚酰胺胺（PAMAM）和聚多巴胺膜对葡萄糖氧化酶进行固定化,并利用水热法合成了树叶状CuO纳米材料、ZnO/Au复合纳米材料和纳米WO3,并将其应用于葡萄糖生物传感器的研究与应用。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射光谱、电子衍射光谱和紫外可见分光光度法对合成的纳米材料形貌和组成进行表征,利用循环伏安法、交流阻抗、安培检测法等对葡萄糖的含量进行了检测和分析。在本论文中,葡萄糖生物传感器的稳定性,酶的活性都得到了很大提高,对葡萄糖的检测也实现了高灵敏度和低检测限。基于酶与电极间直接电子传递的电流型生物传感器能够简单直接地获取信号,本论文对GOx与纳米材料间的直接电子传递行为进行了考察,探讨了纳米材料对GOx直接电子传递行为的影响,并对葡萄糖氧化酶/纳米WO3修饰的玻碳电极（GCE/WO3/GOx/Nafion）检测葡萄糖的机理进行了讨论。在此研究的基础上研制和开发了无创血糖仪。本论文共分为八章：第一章绪论本章内容主要包括葡萄糖检测技术的现状、葡萄糖生物传感器的发展、酶固定化技术的研究、纳米材料的制备及其在葡萄糖生物传感器的应用与发展。文中简单介绍了葡萄糖检测方法的研究与进展；葡萄糖生物传感器的分类和发展；酶固定化技术的最新研究成果,重点描述酶固定化可以解决的一些问题；纳米材料的分类、性能和制备,着重阐述了纳米材料的水热合成及其应用。第二章基于链接反应固定的葡萄糖氧化酶及其应用于葡萄糖生物传感器的研究本章利用链接反应（Click Reaction）将功能化的葡萄糖氧化酶（GOx）固定于金纳米粒子（AuNPs）表面,并将其应用于葡萄糖的检测研究。Cu（Ⅰ）催化叠氮化合物与末端炔基形成碳亚二胺,该反应条件温和、选择性强。实验表明,AuNPs具有良好的生物兼容性,能够有效地促进电子传递,修饰了AuNPs的酶传感器,响应速度快（<0.5 s）,线性范围宽（5μM-1.82mM, R2= 0.9990）,最低检测限低（0.5μM,S/N=3）,稳定性好；链接反应固定的GOx有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数（KMapp）为4.0 mM。第三章超声条件下合成的PAMAM-Au复合纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究本章在超声辐射条件下合成了第四代的聚酰胺胺（G 4, PAMAM）/金纳米粒子（AuNPs）复合纳米材料,并将其应用于葡萄糖生物传感器的修饰。实验结果表明,PAMAM/AuNPs修饰的葡萄糖传感器对葡萄糖的检测具有良好的电流响应,灵敏度高（2.9mA/mM/cm2）,响应时间短（小于5s）,线性范围为0.1-15.8μM（R2=0.9988）,最低检测限为0.05μM（S/N=3）,与链接反应固定的葡萄糖生物传感器相比具有更高的灵敏度及更低的检测限。固定在传感器上的葡萄糖氧化酶（GOx）具有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数（KMapp）为2.7 mM。该传感器的高灵敏度,良好的重现性及稳定性使得该方法有着很好的应用前景。第四章仿生聚多巴胺-金纳米粒子复合膜修饰的葡萄糖生物传感器的研究本章利用仿生聚多巴胺膜并结合金纳米粒子构建了一种反应条件温和、储存时间长、稳定性好的葡萄糖生物传感器。由于仿生聚多巴胺膜对基底电极的惊人结合力及其良好的生物亲和性与电活性,并结合金纳米粒子的“电子通道”作用,不仅实现了葡萄糖氧化酶分子在电极表面的大量而高活性的固定化,而且能促进电子在酶活性中心和电极表面间的快速传递。结果表明,该传感器对葡萄糖的检测灵敏度高、线性范围宽、检测限低（0.1μM）；固定在传感器上的葡萄糖氧化酶具有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数（KMapp）为1.5 mM。第五章树叶状CuO纳米材料修饰电极对葡萄糖的快速安培检测本章制备了一种基于树叶状CuO修饰的电化学生物传感器用以快速检测葡萄糖。这种由水热法单步合成的树叶状CuO纳米颗粒,用X射线衍射（XRD）,扫描电子显微镜镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行表征以研究其形貌和尺寸。在最优化实验条件下,树叶状CuO修饰的葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测具有宽的线性范围（1.0-170μM）、短的检测时间（5s）、良好的稳定性（3个月后仍保持90%的活性）、低的检测限（0.91μM）和高的灵敏度（246μA/mM/cm2）。该方法的特点是传感器制备方法简单,在葡萄糖的临床检测方面有着广阔的应用前景。第六章ZnO/Au复合材料的合成、性能表征及其应用于葡萄糖的检测研究本章采用水热合成的方法制备了氧化锌纳米棒,结合金纳米粒子合成了氧化锌／金（ZnO/Au）复合材料,并将其应用于葡萄糖的检测研究。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外可见吸收光谱（UV-vis）和X射线衍射（XRD）对合成的ZnO/Au复合材料的形貌和组成进行表征。研究结果表明,ZnO/Au修饰的葡萄糖生物传感器（GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion）对葡萄糖的检测显示出良好的电化学性能,具有线性范围宽（0.1-33.0μ.M,R2=0.9924）,响应时间短（小于5 s）和最低检测限低（10 nM）。该方法的特点是灵敏度高和检测限低。第七章GCE/WO3/GOx/Nafion电极对葡萄糖的电催化反应本章采用水热合成的方法制备了WO3纳米材料,通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外可见吸收光谱（UV-vis）和X射线衍射（XRD）对合成的纳米W03的形貌和组成进行表征。并将其应用于GOx固定和对葡萄糖的电化学检测。研究结果表明,吸附在WO3表面的GOx能进行可逆的直接电化学反应,其速率常数是3.6 s-1,表明W03是GOx电化学反应的促进剂。吸附在WO3表面的GOx能保持对葡萄糖氧化的生物电催化活性。而且电极对葡萄糖的检测显示出良好的电化学性能,具有灵敏度高,稳定性好,抗干扰能力强等优点。第八章无创血糖仪的研制与开发本章根据电化学原理及葡萄糖的性质,结合复合纳米材料的特殊性能,研制开发了基于电化学传感器的无创血糖分析仪。该仪器小型化设计、携带方便、可以做到无创检测血糖。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第一节 葡萄糖检测方法的研究与进展
• 1.1 色谱法
• 1.2 光谱法
• 1.3 生物传感器法
• 第二节 葡萄糖生物传感器研究进展
• 2.1 经典葡萄糖酶电极
• 2.2 介体葡萄糖酶电极
• 2.3 直接葡萄糖酶电极
• 2.4 其他葡萄糖传感器
• 第三节 酶固定化技术的研究与发展
• 3.1 提高酶稳定性
• 3.2 提高酶的活性
• 3.3 改善酶的立体选择性
• 第四节 纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究与进展
• 4.1 纳米材料概述
• 4.2 纳米材料的合成及制备
• 4.3 纳米材料的水热合成及其应用
• 4.4 水热合成的衍生方法
• 4.5 纳米材料应用于葡萄糖生物传感器的研究与进展
• 第五节 本论文的工作及意义
• 参考文献
• 第二章 基于链接反应固定的葡萄糖氧化酶及其应用于葡萄糖生物传感器的研究
• 1. 前言
• 2. 实验部分
• 3. 结果与讨论
• 3.1 金纳米粒子的表征
• 3.2 生物传感器的电化学表征
• 3.3 酶活的检测
• 3.4 工作条件的优化
• 3.5 葡萄糖的电化学检测
• 3.6 实际样品的测量
• 3.7 选择性和重现性
• 4. 结论
• 参考文献
• 第三章 超声条件下合成的PAMAM-Au复合纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究
• 1. 前言
• 2. 实验部分
• 3.结果与讨论
• 3.1 PAMAM-Au的表征
• 3.2 Nafion/GOD/PAMAM-Au/MWCNTs/GCE传感器应用于葡萄糖的检测研究
• 3.3 实际样品的测量
• 3.4 选择性和稳定性
• 4. 结论
• 参考文献
• 第四章 仿生聚多巴胺-金纳米粒子复合膜修饰的葡萄糖生物传感器的研究
• 1. 前言
• 2. 实验部分
• 3. 结果与讨论
• 3.1 金纳米粒子和聚多巴胺/纳米金的表征
• 3.2 实验条件的优化
• 3.3 葡萄糖的电化学检测
• 3.4 不同酶传感器的传感器性能的比较
• 3.5 实际样品的测量
• 3.6 选择性和重现性
• 4. 结论
• 参考文献
• 第五章 树叶状CuO纳米材料修饰电极对葡萄糖的快速安培检测
• 1. 前言
• 2. 实验部分
• 3. 结果与讨论
• 3.1 树叶状CuO纳米材料的表征
• 3.2 实验条件的优化
• 3.3 GCE/CuO/GOx/Nafion生物传感器的安培响应
• 3.4 稳定性和重现性
• 3.5 实际样品的检测
• 4. 结论
• 参考文献
• 第六章 ZnO/Au复合材料的合成、性能表征及其应用于葡萄糖的检测研究
• 1. 前言
• 2. 实验部分
• 3. 结果与讨论
• 3.1 ZnO/Au的形貌和结构表征
• 3.2 ZnO/Au修饰电极的电化学表征
• 3.3 GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion电极应用于葡萄糖的检测研究
• 3.4 实际样品的测量
• 3.5 抗干扰试验
• 3.6 稳定性
• 4. 结论
• 参考文献
• 3修饰电极上的直接电化学及其应用'>第七章 葡萄糖氧化酶在纳米WO₃修饰电极上的直接电化学及其应用
• 1. 前言
• 2. 实验部分
• 3. 结果与讨论
• 3的形貌和结构表征'>3.1 WO₃的形貌和结构表征
• 3.2 电化学表征
• 3.3 GOx的直接电化学反应
• 3/GOx/Nafion电极对葡萄糖的电催化氧化'>3.4 GCE/WO₃/GOx/Nafion电极对葡萄糖的电催化氧化
• 4. 结论
• 参考文献
• 第八章 无创血糖仪的研制与构想
• 1. 前言
• 2. 无创血糖仪的研制
• 2.1 葡萄糖生物传感器的研究
• 2.2 实验原理及方法
• 2.3 无创血糖检测流程
• 2.4 无创血糖仪的主要特点
• 3. 结论
• 参考文献
• 附录 博士就读阶段科研成果
• 致谢