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有机无机杂化材料和纳米材料固定酶电化学生物传感器的研究

作　者: 谭生伟
导　师: 谭学才
学　校: 广西民族大学
专　业: 应用化学
关键词: 有机-无机杂化材料 多壁碳纳米管 纳米铜 氧化锌纳米粒子 生物传感器 葡萄糖氧化酶 血红蛋白 辣根过氧化酶
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


电化学生物传感器是当今分析化学和传感技术与测量科学的重要研究之一,主要用在环境监测、生物医学、食品分析等领域。传感材料和酶感膜的构建方法是研制性能优良的电化学生物传感器的关键。基于溶胶凝胶法有机-无机杂化材料由于具有不同于其他材料的优点,对于生物分子的固定方面,被作为一种非常理想的材料。本论文中有机-无机杂化材料被合成通过溶胶凝胶法,然后用于固定血红蛋白、辣根过氧化酶、葡萄糖氧化酶研制了新型生物传感器。研究其电化学性能,建立分析方法,探讨有关规律等。本论文由以下几部分构成:制备了一种基于溶胶-凝胶有机-无机杂化材料（PVA/TiO2）包埋多壁碳纳米管和血红蛋白过氧化氢生物传感器。通过电化学实验结果表明,这种包埋在杂化材料内的血红蛋白原生物催化活性得以保留;此外,多壁碳纳米管增强了过氧化氢的催化性能,促进了电子传输。研究了各种因素如电解质的浓度、pH、酶的浓度等对传感器响应电流的影响,传感器对过氧化氢响应线性范围5.0×10-7 mol/L～2.7×1.0-6 mol/L（相关系数0.997）,检测限1.0×10-7 mol/L （S/N=3）,测得血红蛋白（Hb）催化动力学参数米氏常数（Km）=0.997×10-6 mol/L。生物传感器具有良好重复性,选择性,灵敏度高和长期稳定性。制备了一种新型有机-无机杂化材料,这种杂化材料由二氧化钛溶胶和壳聚糖组成,此杂化材料克服了普通溶胶-凝胶易脆裂的特点,可以有效地保留被包埋的Hb生物催化活性;而且多壁碳纳米管和纳米铜的协同效应提高了对过氧化氢的催化性能和促进了电子的传递。研究了各种因素对传感器响应电流的影响。对过氧化氢响应线性范围1.0×10-7 mol/L～1.35×10-4 mol/L,相关系数0.997,检测限1.0×10-8 mol/L（S/N=3）,表观米氏常数Km=12.83×10-6 mol/L。制备了高度灵敏度的生物复合双酶生物葡萄糖传感器的通过包埋葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP）在聚（乙烯醇）/二氧化钛杂化材料里,将其固定在多壁碳纳米管和纳米铜修饰玻碳电极上。这种杂化材料可以保留被包埋的HRP生物活性。此外,多壁碳纳米管和铜纳米粒子协同效应的增强了对葡萄糖催化性能,促进葡萄糖的电子转移。生物复合膜电催化活性使传感器对葡萄糖检测响应线性范围6.2×10-8 mol/L1.0×10-6 mol/L（线性回归系数0.998）和检测限1.0×10-9 mol/L（S/N=3时）。表观米氏常数Km为3.7×10-8 mol/L,而且灵敏度高,选择性和重现性好及具有长期稳定性。基于水热微乳液法合成氧化锌纳米棒并且将血红蛋白分散在聚乙烯醇和氧化锌纳米棒杂化复合膜中制备了高效过氧化氢传感器。具有生物相容性的ZnO-PVA复合膜为血红蛋白提供了一个合适的微环境使其生物活性仍然保持(米氏常数0.0019×10-6 mol/L)。电化学性质,溶液的pH和血红蛋白的浓度也被研究,Hb-ZnO/PVA传感器对过氧化氢的检测表现出非常好的分析性能,线性范围1.0×10-8 mol/L3.2×10-6 mol/L,检测限0.009×10-6 mol/L（S/N=3）而且传感器的稳定性,重现性非常好。研制了用Nafion分散羧基化多壁碳纳米管的化学修饰电极（GCE/Nafion- MWCNTs）,研究了2, 4-二硝基-1-萘酚（2, 4-dinitro-1-naphthol）在修饰电极上的电化学行为和测定方法。实验结果表明,在0.025 mol/L Michaelis （pH 6.7）溶液中,修饰电极对2, 4-二硝基-1-萘酚具有明显的催化和增敏作用,还原峰电位由-0.710 V（裸电极）正移到-0.370 V（vs.AgCl/Ag）（修饰电极）,峰电位正移340 mV,灵敏度增加约3倍,且还原电流明显增大。对各种实验条件进行了优化,得到定量测定2, 4-二硝基-1-萘酚的线性范围为1.0×10-8 mol/L2.0×10-5 mol/L,ip/（μA）=2.248+0.87c (10-6 mol/L),相关系数R为0.998,检测限为1.0×10-9 mol/L。对2, 4-二硝基-1-萘酚进行了测定,回收率在97.1 %101.3 %之间。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-23
  1.1 生物传感器的概述  11-14
    1.1.1 生物传感器的定义  11
    1.1.2 生物传感器的分类  11
    1.1.3 酶生物传感器的三个阶段的作用机理  11-13
    1.1.4 酶的固定方法  13-14
  1.2 有机-无机杂化材料在生物传感器中的应用  14-17
    1.2.1 溶胶-凝胶技术  15-16
    1.2.2 基于溶胶-凝胶方法的有机-无机杂化材料  16-17
  1.3 纳米技术在生物传感器中的应用  17-19
    1.3.1 碳纳米管  17-18
    1.3.2 氧化锌纳米粒子  18-19
  1.4 几种基于有机-无机杂化材料固定化酶生物传感器研究进展  19-22
    1.4.1 葡萄糖氧化酶传感器  19-20
    1.4.2 过氧化氢传感器  20-21
    1.4.3 双酶生物传感器  21
    1.4.4 硝酸还原酶传感器  21
    1.4.5 多酚氧化酶传感器  21
    1.4.6 其他酶生物传感器  21-22
  1.5 本论文的研究内容和意义  22-23
第二章 基于碳纳米管及 PVA/TiO_2杂化材料固定血红蛋白的过氧化性传感器  23-33
  2.1 前言  23-24
  2.2 实验部分  24-25
    2.2.1 仪器和试剂  24
    2.2.2 溶胶凝胶法制备PVA/TiO_2杂化材料  24
    2.2.3 PVA/TiO_2-MWCNTs -Hb/GCE 构筑  24-25
  2.3 结果与讨论  25-31
    2.3.1 生物传感器的电化学特性  25-26
    2.3.2 实验条件的优化  26-28
    2.3.3 线性范围和电极检测限  28-29
    2.3.4 生物传感器的重复性和稳定性  29-30
    2.3.5 干扰的测定  30-31
    2.3.6 实际样品的分析  31
  2.4 结论  31-33
第三章 基于壳聚糖/TiO_2杂化材料及碳纳米管和纳米铜复合膜固定血红蛋白的过氧化氢传感器  33-40
  3.1 前言  33
  3.2 实验部分  33-34
    3.2.1 仪器和试剂  33-34
    3.2.2 杂化材料的制备  34
    3.2.3 CS/TiO_2 MWCNTs-Cu-Hb/GCE 的制备  34
  3.3 结果与讨论  34-39
    3.3.1 实验条件的优化  34-36
    3.3.2 生物传感器的电化学特性  36-37
    3.3.3 电极的线性范围和检出限  37-38
    3.3.4 传感器的重复性及稳定性  38
    3.3.5 干扰试验  38-39
    3.3.6 分析应用  39
  3.4 结论  39-40
第四章 基于 PVA/TiO_2杂化材料和及碳纳米管和纳米铜复合膜固定葡萄糖氧化酶和辣根过氧化酶的葡萄糖生物传感器  40-48
  4.1 前言  40
  4.2 实验部分  40-41
    4.2.1 仪器试剂  40-41
    4.2.2 杂化材料的制备  41
    4.2.3 HRP-GOD-PVA/TiO_2/MWCNTs-nanocopper/GCE 构筑  41
  4.3 结果与讨论  41-47
    4.3.1 优化生物传感器条件  41
    4.3.2 生物传感器的电化学特性  41-44
    4.3.3 生物传感器安培响应  44-46
    4.3.4 干扰测定  46
    4.3.5 重复性和稳定性  46
    4.3.6 分析应用  46-47
  4.4 结论  47-48
第五章 基于 PVA/ZnO 纳米棒固定血红蛋白的过氧化氢生物传感器  48-56
  5.1 引言  48
  5.2 实验部分  48-49
    5.2.1 仪器试剂  48-49
    5.2.2 氧化锌纳米棒的合成  49
    5.2.3 Hb-ZnO/PVA 传感器的制备  49
  5.3 结果与讨论  49-55
    5.3.1 氧化锌纳米棒的表征  49-50
    5.3.2 传感器的电化学行为  50-51
    5.3.3 Hb-ZnO/PVA 传感器对过氧化氢的电催化还原  51
    5.3.4 实验条件的优化  51-52
    5.3.5 Hb-ZnO/PVA 传感器的安培响应  52-54
    5.3.6 传感器的重现性、稳定性和抗干扰性  54
    5.3.7 回收率的测定  54-55
  5.4 结论  55-56
第六章 2,4-二硝基-1-萘酚在多壁碳纳米管/Nafion 修饰玻碳电极上的电化学行为及测定研究  56-66
  6.1 引言  56-57
  6.2 实验部分  57
    6.2.1 仪器与试剂  57
    6.2.2 Nafion-MWCNTs 修饰电极的制备  57
    6.2.3 实验方法  57
  6.3 结果与讨论  57-65
    6.3.1 修饰电极上的电化学行为  57-59
    6.3.2 实验条件的优化  59-63
    6.3.3 电化学交流阻抗谱表征修饰电极表面  63-64
    6.3.4 校准曲线  64-65
    6.3.5 电极重现性  65
    6.3.6 样品的测定  65
  6.4 结论  65-66
小结  66-67
参考文献  67-81
工作总结  81-83
致谢  83-84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 生物传感器、医学传感器
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