基于介孔碳材料的電化學生物傳感器研究.pdf

1、生物傳感器作為一門涉及化學、生物學、物理學以及電子學等領域的交叉學科,在臨床醫(yī)學、工農業(yè)生產和環(huán)境保護等諸多領域有著廣闊的應用前景。生物傳感技術也必將是21世紀知識經濟發(fā)展中介于信息和生物技術之間的新增長點。在生物傳感器的發(fā)展進程中,電化學生物傳感器是十分重要的一類。它是由生物材料作為敏感元件,電極作為轉換元件,以電勢、電流或電導等作為特征檢測信號的傳感器。其研制過程中的一個關鍵因素是生物分子的固定化。如何在電極表面有效地固定生物分子,

2、無論是對于研究蛋白質等生物分子的性質,還是研制新型電化學生物傳感器都至關重要。理想的生物分子的固定方法要求既能促進有效的電子轉移,又能保持被固定生物分子的活性。
　　 碳基納米材料以其良好的導電性和化學穩(wěn)定性吸引了越來越多的關注并得到了廣泛的研究。然而在典型的氧化還原蛋白質/電極的生物電化學研究中,氧化還原點位同電極表面之間需要通過介體來促進電子轉移。當沒有介體存在時,僅有少數氧化還原蛋白質在碳納米管修飾的電極上表現(xiàn)出直接電子轉

3、移。因此研究氧化還原蛋白質的直接電子轉移對于蛋白質氧化還原性質和生物傳感器的基礎研究都有重要意義。
　　 眾所周知主要有兩個因素影響固定化蛋白質的氧化還原行為和生物活性。一是載體對蛋白質的負載能力:一是載體材料的生物相容性和電催化性能。納米材料如納米粒子、碳納米管、納米孔金屬氧化物等,正由于能夠有效固定生物組分,在生物傳感器中具有極大的應用潛力,日益引起人們的關注。近年來隨著介孔材料的興起和發(fā)展,人們合成出介孔碳材料(CMMs)

4、,這種新型的碳納米材料在催化劑載體、吸附劑及電子器件等方面被廣泛應用。CMMs是由具有高度有序排列以及大孔隙率的碳納米棒所組成,不僅像碳納米管一樣具有良好的電學性質和化學穩(wěn)定性,也表現(xiàn)出很多獨特性質,例如高度有序的孔結構、易于調控的介觀結構、狹小的孔徑分布、更大的比表面積(高達2000 m2 g-1)和比孔容(可達1.5 cm3 g-1)等。而且還可以通過調控介孔碳材料的孔道尺寸、介觀拓撲結構和表面荷電情況來設計適應不同生物分子固定化需

5、求的載體。這都使介孔碳材料在蛋白質固定和生物傳感器研究等方面擁有極大的優(yōu)勢和應用前景。此外,CMMs可以很容易的通過硬模板法制備,成本低廉,同時在二氧化硅“模板”被完全刻蝕的情況下無任何雜質污染。然而到目前為止,CMMs很多其他的潛在優(yōu)勢,如生物相容性和電催化性質尤其是在固載蛋白質和制備生物傳感器方面的應用報道較少。
　　 通過將新型納米材料修飾到電極表面,可以有效地固定生物分子,并促進其氧化還原中心與電極之間的直接電子轉移,從

6、而研制新一代的生物傳感器及其他生物器件。因此,本課題具有較為重大的理論研究和實際應用意義。
　　 本論文共分為六個部分:
　　 第一章,首先對納米材料和生物傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行了簡述。接著在此基礎上提出本論文的研究設想,即采用功能納米材料修飾的電極來固定蛋白質分子,通過電化學方法來研究蛋白質的電子轉移、電催化和生物傳感應用。著重介紹了基于介孔碳及其納米摻雜復合物的蛋白質固定化技術。最后,提出了本論文的實驗思路和

7、研究意義。
　　 第二章,研究了基于鉑納米粒子摻雜介孔碳的蛋白質電化學和生物傳感應用。鉑納米粒子(Platinum nanoparticles,PtNPs)具有良好的導電性和催化性質,可以有效的提高所制備的納米復合物的導電性和電催化活性。與未摻雜的二維介孔碳(2D-CMM)相比,分散了鉑納米粒子的介孔碳修飾電極由于兩種材料促進電子傳遞和提高電催化性能方面的協(xié)同效應,能促進其固定化酶的氧化還原可逆性。在此以葡萄糖氧化酶為模型,制備

8、了鉑納米粒子摻雜的介孔碳納米復合物薄膜(Pt-CMM),用來研究固定化酶的準可逆的電子傳遞,其表觀的異相電子傳遞速率(ket0)為6.5s-1,高于純介孔碳固定化酶的3.9s-1。同時,進一步考察了該傳感器的生物催化活性,當鉑/介孔碳質量百分比為5％時,傳感器具有較好的穩(wěn)定性,對葡萄糖響應迅速靈敏,且具有更低的檢測下限。由于貴金屬納米顆粒摻雜所帶來的成本的升高和稀缺資源的消耗,我們接下來將著重從介孔碳的結構調控等方面進行深入的研究。

9、r>　　 第三章,首先考察了基于二維和三維有序介孔碳的蛋白質電化學和生物傳感器研究。介孔碳復合物基質既能較好的固定酶分子,又能為固定化的酶分子提供生物相容的微環(huán)境以保持其生物活性。同時,由于其固有的高導電性,介孔碳材料有助于促進固定化酶分子與基底電極之間的電子傳遞。由此設計并制備了二維和三維高度有序的介孔碳用于固定葡萄糖氧化酶分子以研究其準可逆的電子傳遞,實驗測得其異相電子傳遞速率值分別為3.9和4.2s-1。此外還進一步研究了傳感器

10、的生物催化活性。與二維有序的介孔碳材料相比,三維有序的介孔碳材料對蛋白質表現(xiàn)出更高的負載能力,其固定化的酶分子保持了更高的生物活性,制備的葡萄糖生物傳感器具有靈敏度高、線性范圍寬和檢測限低等特點。
　　 第四章,研究了基于雙連續(xù)螺旋介孔碳的蛋白質電化學和生物傳感器研究。由于二維有序的介孔碳存在某一個空間維度的無序性,導致了其導電的各向異性比三維有序介孔碳大。故上一章中三維介孔碳比二維介孔碳的表觀導電性高,然而這種提高程度還不是非

11、常理想。這是由于合成三維介孔碳的某些氧化硅模板如MCM-48、FDU-5等缺少相互連接的微孔,當模板被刻蝕除去以后會發(fā)生碳骨架結構的部分錯位,導致空間對稱性的下降同時其導電各向異性程度增強,從而使上述碳基材料對蛋白質與電極之間電子轉移的促進作用在一定程度上受到限制。而雙連續(xù)螺旋介孔碳(Bicontinuous gyroidal mesoporous carbon,BGMC)則是一種具有更高有序度更高空間對稱性——立方Ia(3)d結構的三

12、維介孔碳,從而具有相對各向同性的石墨化結構和電導能力,因此可以更為有效的促進異相電子轉移。為此設計構建了BGMC納米復合物薄膜固定蛋白質(以葡萄糖氧化酶和肌紅蛋白為模型),研究了蛋白質準可逆的電子傳遞并揭示了其較高的生物催化活性。還進一步設計制備了一系列不同孔徑(2-7nm)的以蔗糖或酚醛樹脂(Phenol formaldehyde,PF)作為碳源的BGMC,研究其孔徑和碳源對氧化還原蛋白質固定和異相電子傳遞的影響。實驗結果表明BGMC

13、的不同孔徑和碳源對蛋白質固定及其電化學性質具有較大影響。這也意味著可以通過調控介孔碳的孔徑、拓撲結構等來制備適宜于不同尺度生物分子的固定基質,以促進異相電子轉移并提高固定化酶的生物電催化性能。這些性質使BGMC在研究蛋白質直接電化學方面極具價值,同時拓寬了碳基生物傳感器的發(fā)展途徑。
　　 第五章,研究了基于雙連續(xù)螺旋介孔碳的NADH的電化學氧化。到目前為止,關于利用三維介孔碳材料進行NADH直接電化學氧化的研究尚無報道。于是本章

14、利用BGMC修飾的玻碳電極來研究NADH的電化學氧化。BGMC所具有的大比表面積和高電子傳遞能力以及豐富的邊片狀缺陷位和表面的含氧官能團,對NADH的氧化表現(xiàn)出了較高的電催化性能,將NADH的氧化過電位降低了649mV(與未修飾的裸玻碳電極相比)。BGMC修飾電極實現(xiàn)了NADH在低電位條件下(+0.046Vvs.SCE,pH7.2)穩(wěn)定靈敏的響應。檢測下限為1.0×10-6M,響應范圍較寬(3.0×10-6-1.4×10-3M)。這為基