基于纳米材料/聚合膜复合材料构建的无酶型传感器应用于多组分的研究

作     者：王存 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁若

授予年度：2013年

学科分类：07[理学] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 070302[理学-分析化学] 0802[工学-机械工程] 0703[理学-化学] 

主      题：聚合膜 纳米材料 生物小分子 同时检测 

摘      要：酶型生物传感器的研制和应用一直是研究的热点。酶型生物传感器具有灵敏度高、选择性和重现性好等优点。但同时酶型生物传感器也具有一些难以克服的缺点：第一,酶在电极表面的固载量有限,进而限制电极的响应性能;第二,酶的内部结构稳定性容易受环境温度和pH等因素的影响,因此外部的环境条件很容易使酶失活,使酶传感器的稳定性不尽理想。所以当下的任务除了改进酶型生物传感器的性能,构建无酶型的传感器也是解决上述问题的关键。生物活性小分子物质包括小分子蛋白、活性氨基酸、活性多肽、胺类物质和脂类介质等,是神经内分泌和免疫网络调节的物质基础,承担着维持机体稳态的重要使命。如抗坏血酸(AA)具有较强氧化性,它主要以维生素的形式存在于食物中而被人们熟知。抗坏血酸可以用于预防并治疗感冒,精神疾病,癌症,不孕不育和艾滋病等疾病。在生物学环境中,AA同色氨酸(Trp)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)及亚硝酸根离子(NO2-)等往往共存与生物样品中。这就使得分别或同时检测这几种物质成为研究的热点。由于这些物质都具有电活性,因此如何构建修饰电极达到分别或同时检测这些共存生物小分子显得极为重要。电化学沉积的方法制得的聚合物薄膜具有很多优点：第一,电聚合制得膜厚度均匀且可以控制;第二,聚合膜牢固的粘附到电极表面,提高了电极的稳定性;第三,聚合膜的褶皱增加了电极的比表面积,提高了电极的灵敏度。纳米材料具有大的比表面积和好的生物兼容性等优点已经被广泛的应用在传感器领域。本文基于以上考虑,采用聚合膜和纳米材料构建了几种对AA、DA、UA、Trp和NO2-具有灵敏选择性的无酶型传感器。主要工作如下： 1.卟啉铁碳纳米管杂合材料修饰的电极用于检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸和亚硝酸根离子的研究 本文通过自吸附作用将卟啉吸附到多壁碳纳米管的表面制成卟啉铁/壁碳纳米管(Fe(Ⅲ)P/MWCNTs)复合材料,并将该复合材料修饰到玻碳电极的表面制成Fe(Ⅲ)P/MWCNTs修饰的电极,成功的实现了对抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)和亚硝酸根离子(NO2-)的检测。通过紫外可见吸收光谱(UV-vis)和电子扫描显微镜(SEM)对Fe(Ⅲ)P/MWCNTs复合材料的形貌进行表征,同时检测结果表明该修饰电极有一对很好的FeⅢ/FeⅡ氧化还原峰电位。此外Fe(Ⅲ)P和MWCNTs的协同作用赋予了该电极大的比表面积,好的生物相容性和稳定性和高的选择性和灵敏度。该修饰电极在检测AA、DA和UA时,其线性范围分别为：14.00μmol·L-1到2.50mmol·L-1,0.70μmol·L-1到3.60mmol·L-1和5.80μmol·L-1到1.30mol·L-1。AA、DA和UA的检测限分别为3.00μmol·L-1,0.09μmol·L-1和0.30μmol·L-1。NO2-在该修饰电极上表现出两段线性范围：1.00μmol·L-1到0.60mmol·L-1和0.60mmol·L-1到1.60mmol·L-1,其检测限为0.50μmol·L-1。另外利用标准加入法,该修饰电极已经成功的应用于尿液和血清中AA、DA、UA和NO2-的加标回收实验,其结果令人满意。 2.纳米金/聚3-氨基-5-巯基-1,2,4-三唑复合膜修饰的玻碳电极用于检测抗坏血酸、多巴胺,尿酸和亚硝酸根离子 该工作首次将3-氨基-5-巯基-1,2,4-三唑(TA)电聚合到玻碳电极的表面形成聚3-氨基-5-巯基-12,4-三唑(p-TA)薄膜,然后再电沉积金簇(nano-Au)到聚合膜的表面制得nano-Au/p-TA修饰的电极。该修饰电极对抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)和亚硝酸根离子(NO2-)具有很好的电催化活性。p-TA的表面含有大量的NH2和SH基团,这些基团有利于将nano-Au沉积到p-TA的表面。nano-Au和p-TA的协同效应使得该修饰电极具有大的比表面积,好的生物相容性,电子传递速率和稳定性,高的选择性和灵敏度,并且电沉积过程是一个灵活可控的过程。在AA、DA、UA和NOz-这四种物质的混合溶液中,AA、DA、UA和NO2-的线性范围分别为2.1-50.1μmol·L-1,0.6-340.0μmol·L-1,1.6-110.0μmol·L-1和15.9-277.0μmol·L-1,其检出限分别为1.1×10-6mol·L-1,5.0×10-8mol·L-1,8.0×10-8mol·L-1and8.9×10-7mol·L-1。另外,本文还对该修饰电极进行了实样分析,即在尿液和血清样品中用标准加入法同时检测AA、DA、UA和N02-,其结果令人相当满意。 3.纳米金/氧化的聚合咪唑膜修饰的玻碳电极用于同时检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸和色氨酸 本文通过电沉积的方法将金纳米粒子(GNPs)电沉积到氧化过的聚咪唑(PImox)薄膜的表面制成GNPs/PImox修饰的电极。金属纳米粒子具有大的表面积,使电极的比表面积大大增加,从而表现出对AA、DA、UA和Trp较高的催化活性。同时GNPs和PImox薄膜的协同作用赋予GNPs/PImox修饰电极好的生物相容性,高的选择性和灵敏度,特别是对抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)和色氨酸(Trp)具有卓越的电催化活性。在AA、DA、UA和Trp的混合溶液中AA-DA、DA-UA和UA-Trp之间的峰间隔达186、165和285mV。同时AA、DA和UA在210.0-1010.0μmol·L-1、5.0-268.0μmol·L-1和6.0-486.0μmol·L-1浓度范围内呈现出良好的线性范围,其检出限分别为(S/N=3)2.0μmol·L-1,0.08μmol·L-1和0.5μmol·L-1。Trp在该修饰电极上表现出两段很好的线性：3.0-34.0μmol·L-1和84.0-464.0μmol·L-1。其检出限为(S/N=3)of0.7μmol·L-1。另外,利用标准加入法,该修饰电极己经用于实际样品中AA、DA、UA和Trp的检测,其结果令人满意。