無機納米材料、溶膠凝膠材料在電化學生物傳感器中的研究.pdf

1、生物傳感技術是一個由生物、化學、材料、醫(yī)學、物理等多種學科相互滲透形成的研究領域。生物傳感器具有選擇性高、分析速度快、操作簡易和儀器價格低廉等特點，在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)等方面得到了高度重視和廣泛應用。開發(fā)穩(wěn)定的、能夠保持生物活性的固載材料來實現氧化還原蛋白質的直接電化學是非常必要的。本論文以介孔材料、層狀材料以及離子液體基溶膠凝膠材料作為蛋白質載體構建了穩(wěn)定性良好的電極，并對其性質及其在第三代生物傳感器的應用方面做了研究。具體

2、內容如下： (1)以層狀鈦酸鹽剝離的二氧化鈦片為重構層狀材料的前體，基于帶負電荷的二氧化鈦納米片和電正電荷的HRP分子的靜電組裝，成功地構建了HRP-TNS酶電極。XRD結果表明HRP以單分子層的方式嵌入到二氧化鈦層狀結構中。嵌入到二氧化鈦層狀結構中的HRP不僅保持了自身的天然構像并且能夠和電極之間實現直接電子轉移。此外，HRP-TNS電極對H<,2>O<,2>表現出很好的催化性能，能夠檢測2.1×10<'-6>到1.85×10

3、<'-4>M濃度范圍內的H<,2>O<,2>。HRP-TNS電極具有很好的重復性和穩(wěn)定性。使用二氧化鈦片作為蛋白質的載體構建生物傳感器，為制備出新穎的生物傳感器提供了一種方法和途徑。 (2)基于前期使用二氧化鈦片制備固載HRP的層狀材料并成功構建了第三代生物傳感器的研究，使用Mb與二氧化鈦片進行組裝，形成Mb嵌入的層狀二氧化鈦的復合物(Mb-TNS composite)修飾電極。高分辨透射電鏡和X射線衍射實驗表明Mb是以單分子層

4、形式嵌入到二氧化鈦層狀結構中的。紫外可見光譜和紅外光譜實驗表明嵌入的Mb仍然保持了其天然構像。循環(huán)伏安技術研究了嵌入在二氧化鈦層狀結構中的Mb在電極表面上的直接電子轉移行為，并詳細地討論了固載的Mb與電極表面電子轉移的可能機理。相對于其他的Mb修飾電極，Mb-TNS電極對過氧化氫的催化具有寬的濃度檢測范圍(2×10<'-6>到1.6×10<'-4> M)，很低的檢測限(0.6μM)，很小的米氏常數(137μM)，這些都說明Mb-TNS電

5、極對過氧化氫具有優(yōu)良的電催化性能。層狀材料對于固載于其中的生物分子具有很好的保護作用，本論文使用電化學方法考察Mb-TNS電極的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性)。實驗結果表明，Mb-TNS電極在pH 2.2的高酸性條件下仍然能夠實現對H<,2>O<,2>的電催化：Mb-TNS電極在85℃的高溫下加熱20分鐘后仍然保持了其92％的原始活性。 (3)通過雙孔徑介孔硅(BMS)和殼聚糖雜化膜來固載Hb成功構建了Hb/BMS/CS電極。H

6、b/BMS/CS電極在除氧的pH 7.0的PBS緩沖溶液中于-0.32 V(vs.Ag/AgCl)處表現出可逆的氧化還原峰，對應于血紅蛋白中鐵原子與電極表面間的直接電子轉移過程。相對于不存在BMS的Hb/CS電極，Hb/BMS/CS電極對H<,2>O<,2>表現出更明顯的直接電化學信號，這表明BMS的存在能夠促進Hb的直接電子轉移行為。此外，相對于不存在BMS的Hb/CS電極，Hb/BMS/CS電極表現出更好的電化學催化性能，如寬檢測范

7、圍，低檢測限，高靈敏度。由此，表明這與BMS的雙孔徑結構有關，即BMS大于Hb尺寸的大孔結構為Hb提供了高固載量和適宜的微環(huán)境，有利于多層Hb參與直接電子轉移過程，同時，BMS小于Hb尺寸的小孔結構為H<,2>O<,2>提供了"傳輸通道"，有利于H<,2>O<,2>在膜內的擴散。 (4)基于離子液體的獨特性質和溶膠凝膠工藝的特點，將離子液體與溶膠凝膠通過簡單的物理混合，制備了物理包埋[BMIM][BF<,4>]離子液體的溶膠凝膠

8、修飾電極([BMIM][BF<,4>]/Oel/Au)；通過[PMIM][PF<,6>]離子液體硅烷化試劑，將[PMIMI[PF<,6>]離子液體共價修飾到凝膠骨架上，制備了共價[PMIM][PF<,6>]離子液體基溶膠凝膠修飾電極([PMIM][PF<,6>]-Oel/Hb/GC)。本論文分別對這兩種離子液體基溶膠凝膠修飾電極的電化學性質作了研究，發(fā)現相對于裸Au電極，Fe(CN)<,6><'3+>在[BMIM][BF<,4>]/Ge

9、l/Au電極上峰位負移，并且在多圈掃描條件下，電極上有普魯士藍生成；相對于裸GC電極，Fe(CN)<,6><'3->在[PMIM][PF<,6>]-Gel/GC電極上的氧化還原被明顯的抑制了。使用循環(huán)伏安技術以及光譜技術，對[BMIM][BF<,4>]/Gel/Au、[PMIM][PF<,6>]-Gel/Hb/GC電極表現出的電化學行為作了解釋。此外，本論文還嘗試了以共價[PMIM][PF<,6>]基溶膠凝膠(BMIM][PF<,6>]