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基于多孔金结构的三相界面酶电极的制备及高效电化学酶传感性能

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高等学校化学学报 2021年第10期42卷 3167-3174页

作者：张嘉懿丁臻尧王丹丹陈礼平封心建苏州大学材料与化学化工学部苏州大学化学科学国际合作创新中心苏州215123

界面微环境是影响酶催化反应及酶传感性能的关键因素.本研究基于三维微纳米结构多孔金基底,通过调控电极表面的亲水和疏水浸润性,制备了具有固-液-气三相界面微环境的氧化酶电极,并研究了界面微环境对酶催化反应动力学的影响规律.基于... 详细信息

界面微环境是影响酶催化反应及酶传感性能的关键因素.本研究基于三维微纳米结构多孔金基底,通过调控电极表面的亲水和疏水浸润性,制备了具有固-液-气三相界面微环境的氧化酶电极,并研究了界面微环境对酶催化反应动力学的影响规律.基于所制备的三相界面多孔金结构酶电极,反应物氧气能够从气相直接快速地传输到酶催化反应界面,极大地提升了界面氧气浓度及其稳定性,从而大幅度提高了氧化酶活性及酶电极响应的稳定性.以葡萄糖为模型待测物,基于该三相界面酶电极的电化学酶生物传感器拥有宽的线性范围、高的灵敏度、低的检出限以及良好的稳定性.这类独特的三相反应界面设计为高效酶生物传感器的建构以及生物分子的精准检测提供了新思路.

关键词：微结构润湿性三相界面酶催化反应酶生物传感器

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超宽范围的电化学酶生物传感器与检测技术

电子器件 2023年第6期46卷 1685-1690页

作者：王兴国王晓荣张拯民庞军储震宇南京工业大学电气工程与控制科学学院江苏南京211816 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室江苏南京211816

目前,发酵工业因缺少高效在线检测手段,生产过程中不能及时跟踪底物或产物浓度变化,导致发酵效率低,污染排放严重。电化学酶生物传感器能够实现对生化反应中特定组分浓度的快速精确检测,已广泛应用于医疗行业。然而,该传感器检测范围过... 详细信息

目前,发酵工业因缺少高效在线检测手段,生产过程中不能及时跟踪底物或产物浓度变化,导致发酵效率低,污染排放严重。电化学酶生物传感器能够实现对生化反应中特定组分浓度的快速精确检测,已广泛应用于医疗行业。然而,该传感器检测范围过窄,在真实发酵体系中,需预先对样品进行稀释处理,仅能实现离线检测。为此,提出一种超宽范围的新型电化学酶生物传感器及检测方法。传感器采用三电极丝网印刷结构,工作电极为自制的规则普鲁士蓝纳米颗粒传感膜及生物酶,检测采用流动注射分析技术。测试表明,该传感器及检测系统对葡萄糖浓度的检测范围为0.5 g/L~120 g/L,测量误差在2%以内,测量周期<60 s,完全满足发酵工业在线检测要求。

关键词：酵工程超宽范围酶生物传感器葡萄糖检测

微纳空间原位合成纳米型电化学发光体构建酶生物传感器的研究

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微纳空间原位合成纳米型电化学发光体构建酶生物传感器的研究

作者：潘美辰西南大学

学位级别：硕士

电化学发光(ECL)兼具了电化学分析的可控性和发光分析技术的灵敏性,具有灵敏度高、操作简单、可控性强、分析快速等优点。ECL生物传感器是通过生物敏感界面将生物识别信息转化成ECL信号,将ECL技术的高灵敏度与生物识别的高特异性相结合... 详细信息

电化学发光(ECL)兼具了电化学分析的可控性和发光分析技术的灵敏性,具有灵敏度高、操作简单、可控性强、分析快速等优点。ECL生物传感器是通过生物敏感界面将生物识别信息转化成ECL信号,将ECL技术的高灵敏度与生物识别的高特异性相结合,在生物活性小分子、蛋白酶、肿瘤标志物以及细胞等多种类型的靶标检测中发挥着越来越重要的作用。蛋白酶含量与生物活性的异常会反映于病理过程,在肿瘤的发现、诊疗与预后判断等方面起到关键作用,故对酶的灵敏检测有利于临床疾病诊断与药物评估。构建对血液、细胞中酶活性高效、灵敏检测的ECL酶生物传感器主要考虑到两个方面:(1)选择生物相容性好、ECL性能好的新型ECL纳米材料,以增加传感器的生物应用范围与响应灵敏度;(2)将高效的酶催化反应与核酸扩增技术结合,通过信号开关设计,以降低传感器的背景信号与检测限。鉴于此,本论文一方面从ECL反应界面微环境的设计入手,利用多孔材料提供的微纳空间,制备生物相容性好、ECL性能好的纳米型电化学发光体。另一方面发展酶催化反应激活的高效DNA步行器(walker)信号扩增策略,构建高性能ECL生物传感平台来实现对酶活性的灵敏检测。本论文的具体研究工作主要分为以下几部分:1.聚半胱氨酸多孔膜内原位生成铜纳米簇结合DNA walker构建ECL生物传感器用于碱性磷酸酯酶活性检测金簇、银簇等贵金属纳米簇作为新型的纳米型ECL发光体,凭借其化学稳定性好、量子产率高、生物相容性好等优点,在构建传感器的研究中取得了突出的进展。与金簇、银簇相比,铜簇(Cu NCs)更具有高丰度,低成本的优势、因而更具有商业应用潜力。然而,铜簇表面的铜原子化学活性强,易于被氧化或自发聚集,导致其明显的非辐射驰豫,故其ECL的强度和稳定性难以达到生物分析的要求。本工作以聚L-半胱氨酸(poly-L-Cys)膜为模板,通过原位电化学还原Cu,在poly-L-Cys多孔膜内原位生成Cu NCs,显著提升其电化学发光效率和稳定性。poly-L-Cys多孔结构调节Cu NCs在其微纳孔洞中生成,这不仅有效地限制配体的分子内振动和旋转,基于孔道限域效应也加快电极表面附近的电子转移,同时poly-L-Cys还作为共反应促进剂,加速共反应剂SO的还原,大大提高Cu NCs的ECL效率。另一方面,设计由目标物碱性磷酸酯酶(ALP)触发的点击化学,以激活DNA walker扩增策略构建信号开关,开发了ALP生物传感器,其线性范围为10 U·L～10 U·L,检测限低至9.5×10 U·L。该生物传感器结合高特异性的酶催化反应和DNA walker扩增策略具有显著提高的灵敏度和识别效率,在非核酸靶点检测和疾病诊断方面具有广阔的前景。2.中空二氧化钛-红荧烯复合纳米发光体结合双足DNA walker构建ECL传感器用于甲基化转移酶活性的检测具有大π共轭芳香族结构的多环芳烃(PAHs),如红荧烯(Rub)等,凭借易于合成、结构可控、物理化学稳定性好等优点,作为ECL材料获得研究者们的关注。尽管,利用再沉淀法合成的Rub纳米晶,显著改善了其水溶性差、自由基离子稳定性弱等缺点,然而由于纳米晶呈现紧密堆积状态,存在明显的内滤效应,导致ECL效率受限。中空二氧化钛(Ti O)具有优异的光电特性和与Rub的有效结合能力,而且其中空结构能够为Rub提供一个限域的微环境,提高Rub的表面电荷,以增强其ECL性能,为Rub作为ECL发光体的广泛应用提供了可能。因此,本工作以外层包裹红荧烯的中空Ti O复合物为纳米型电化学发光体,内源性溶解氧为共反应剂,钯纳米颗粒为共反应促进剂,构建三元ECL体系。基于此,设计由目标物Dam甲基转移酶(Dam MTase)转化而成的双足DNA walker,在顶部修饰有猝灭探针的DNA线框轨道上自主、定向地高效行走,实现对Dam MTase的灵敏检测。本工作设计的由DNA立方体连接形成的线框轨道,可以优化步行链与轨道的接触区域,加强步行链和指定轨道之间的动态相互作用,以减少步行链脱轨的可能性,提高行走的效率。该传感器对Dam MTase的检测具有较低的检测限(2.30×10 U·m L)和较宽的线性范围(10～10 U·m L),为灵敏、无创的药物疗效评价提供了一个新的范例。

关键词：电化学发光多孔材料 DNA步行器纳米型发光体酶生物传感器

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基于乙酰胆碱酯酶生物传感平台的西维因检测

电化学 2018年第4期24卷 303-308页

作者：张铭函姜俊巧葛君杰邢巍暨南大学化学与材料学院广东广州511400 中国科学院长春应用化学研究所吉林省先进化学电源实验室吉林长春130022 长春工程学院理学院吉林长春130012

为给农药西维因检测提供一种新方法,根据西维因抑制乙酰胆碱酯酶活性的原理,以黑珍珠2000(BP2000)为乙酰胆碱酯酶的固定化材料,采用滴凃电极法构建了基于乙酰胆碱酯酶的西维因生物传感平台.结果表明,固定在BP2000上的乙酰胆碱酯酶保持... 详细信息

为给农药西维因检测提供一种新方法,根据西维因抑制乙酰胆碱酯酶活性的原理,以黑珍珠2000(BP2000)为乙酰胆碱酯酶的固定化材料,采用滴凃电极法构建了基于乙酰胆碱酯酶的西维因生物传感平台.结果表明,固定在BP2000上的乙酰胆碱酯酶保持了对氯化乙酰胆碱的催化活性,并且由于BP2000材料的引入,提升了电极有效的电化学活性表面积,而且电极上物质的电化学氧化拥有较低氧化电位(0.630 V)并伴随质子传输.由BP2000搭建成功的乙酰胆碱酯酶生物传感平台对西维因检测的线性响应范围为2.0 ng·m L-1~12.5 ng·m L-1,检测限为3.15 ng·m L-1.本研究对酶生物传感平台和酶生物燃料电池体系中酶电极的构建提供了一种简单方法及高效载体.

关键词：乙酰胆碱酯酶西维因酶生物传感器电化学黑珍珠2000

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酶生物传感器在农残检测中的应用

化工时刊 2017年第4期31卷 44-48,53页

作者：王虹王军江苏警官学院公安科技系江苏南京210031

酶生物传感器因其快速便捷、高灵敏度、微型化等优势在农药检测领域有着重要应用。本文介绍了食品中农残检测使用的各种类酶生物传感器分类、酶的固定技术,比较了电化学型酶生物传感器、光学型及压电型酶生物传感器的应用领域、检测限... 详细信息

酶生物传感器因其快速便捷、高灵敏度、微型化等优势在农药检测领域有着重要应用。本文介绍了食品中农残检测使用的各种类酶生物传感器分类、酶的固定技术,比较了电化学型酶生物传感器、光学型及压电型酶生物传感器的应用领域、检测限和优缺点。

关键词：酶生物传感器农药残留检测

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三维导电聚合物生物传感器的研究进展

棉纺织技术 2021年第3期49卷 72-76页

作者：夏咏汤清伦韦炜湖北省纺织新材料及其应用重点实验室湖北武汉430200 武汉纺织大学湖北武汉430200

探讨三维导电聚合物生物传感器的研究进展。简单介绍了导电聚合物生物传感的原理以及三维结构导电聚合物的定义。重点总结了不同材料及空间结构的三维结构导电聚合物在酶生物传感器、DNA生物传感器、葡萄糖生物传感器、微生物传感器等... 详细信息

探讨三维导电聚合物生物传感器的研究进展。简单介绍了导电聚合物生物传感的原理以及三维结构导电聚合物的定义。重点总结了不同材料及空间结构的三维结构导电聚合物在酶生物传感器、DNA生物传感器、葡萄糖生物传感器、微生物传感器等方面的应用情况。认为:三维导电聚合物由于其良好的导电性能和特殊三维的空间结构,用于修饰生物传感器的电极材料可以在很大程度上提高了生物传感器的灵敏性、检测限度等,可被广泛应用于生物传感器领域。

关键词：三维结构三维导电聚合物生物传感器生物检测酶生物传感器 DNA生物传感器葡萄糖生物传感器微生物传感器

基于STM32和酶生物传感器的数据采集系统设计

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电子器件 2019年第6期42卷 1507-1510,1537页

作者：王永响王晓荣储震宇莫小凡南京工业大学电气工程与控制科学学院南京211816 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室南京211816

为实现发酵工业过程监控以优化过程控制,基于酶生物传感器设计了多通道数据采集系统。系统使用STM32F407微处理器作为主控芯片,完成了电源、电机控制、信号调理、数据存储、RS485通信等模块的电路设计,给出了基于STM32CubeMX工具的软件... 详细信息

为实现发酵工业过程监控以优化过程控制,基于酶生物传感器设计了多通道数据采集系统。系统使用STM32F407微处理器作为主控芯片,完成了电源、电机控制、信号调理、数据存储、RS485通信等模块的电路设计,给出了基于STM32CubeMX工具的软件实现方案和基于STemWin工具的人机交互界面实现方案。通过滴定实验和样品实测,系统线性工作范围可达现有主流仪器的3倍~30倍,相对误差低于行业要求的2%,系统响应时间可降为5 s^6 s,能较好满足发酵行业过程监控及控制需求。

关键词：数据采集多通道软硬件设计工业发酵酶生物传感器 STM32CubeMX STemWin

羟基磷灰石纳米线/还原氧化石墨烯/纳米金复合材料基生物传感器的制备及应用研究

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羟基磷灰石纳米线/还原氧化石墨烯/纳米金复合材料基生物传感器的...

作者：周文翠浙江理工大学

学位级别：硕士

羟基磷灰石凭借其具有良好的生物活性和生物相容性逐渐在骨组织工程领域占有一席之地。另外,羟基磷灰石的形貌、尺寸和成分组成在生物化学反应中也有着重要的作用,所以该材料在生物传感器中的应用也是一个倍受关注的课题。本课题在不添... 详细信息

羟基磷灰石凭借其具有良好的生物活性和生物相容性逐渐在骨组织工程领域占有一席之地。另外,羟基磷灰石的形貌、尺寸和成分组成在生物化学反应中也有着重要的作用,所以该材料在生物传感器中的应用也是一个倍受关注的课题。本课题在不添加任何有机相且不借助任何表面活性剂或模板的前提下,通过水热反应直接制备出了羟基磷灰石微球和羟基磷灰石纳米线,同时探究了反应条件对羟基磷灰石生长形貌的影响。石墨烯是只有一个碳原子层厚度的准二维材料,具有化学稳定性好、比表面积大、电化学性能优异的特点,是制作生物传感器理想的热门材料,广泛应用于电化学领域。纳米金(AuNPs)又称胶体金,除具有比表面积大、比表面反应活性高、有宏观量子隧道等纳米材料共有的性质外,还具有良好的亲水性能,能与多种生物大分子结合并保持其生物活性,因此在传感器的制备领域应用广泛。本实验通过改变pH值、氧化石墨烯的添加量来控制得到的羟基磷灰石纳米线/还原氧化石墨烯/纳米金复合材料的形貌与电化学性能。实验表明,在水热反应之前进行的对pH的调节、氧化石墨烯的添加对羟基磷灰石晶体的生长具有关键性作用。在特定的反应条件下,主要有羟基磷灰石微球和羟基磷灰石纳米线两种典型形貌的产物产生。利用水热反应法制备的复合材料修饰玻碳电极,利用修饰好的电极作为工作电极制备出尿酸酶生物传感器和抗化血酸氧化酶生物传感器,该酶生物传感器在电化学性能检测方面具有优异的性能。本课题实验内容和研究结果概括如下:1.羟基磷灰石纳米线/氧化还原石墨烯/纳米金复合材料的制备本实验采用简单的水热法,以磷酸氢二钠和氯化钙为原料,在钙磷比为5:3的条件下进行反应。在水热反应之前加入适量的氧化石墨烯溶液和胶体金,通过调控pH值、氧化石墨烯的添加量等影响因素,在形核温度为4℃、氧化石墨烯添加量5ml、pH=4.5和反应温度为140℃的条件下制备得到了羟基磷灰石纳米线/氧化还原石墨烯/纳米金复合材料。2.尿酸酶生物传感器对尿酸的电化学检测利用水热法一步制备出的羟基磷灰石纳米线/氧化还原石墨烯/纳米金复合材料作为电极修饰材料,制备出尿酸酶生物传感器,该尿酸酶生物传感器充分利用了石墨烯和金纳米颗粒良好导电特性和电催化活性、羟基磷灰石纳米线优异的生物相容性和大的比表面积,能够快速、灵敏、准确的对尿酸进行检测。实验结果表明:该尿酸酶生物传感器具有较高的灵敏度、低的检测限和较大的线性检测范围(线性检测范围为1.95×-5.0×10mol/L,灵敏度为1.5949×10A/moL,检出限为3.9×10mol L(S/N=3),抗干扰性能优异,能够在葡萄糖、尿素、多巴胺、抗化血酸等干扰物质存在的情况下特异性检测尿酸,且重复性好)。3.抗坏血酸氧化酶生物传感器对抗坏血酸的电化学检测利用水热法一步制备出的羟基磷灰石纳米线/氧化还原石墨烯/纳米金复合材料作为电极修饰材料,制备出了抗坏血酸氧化酶生物传感器,该抗坏血酸氧化酶生物传感器充分利用了石墨烯和金纳米颗粒良好导电特性和电催化活性、羟基磷灰石纳米线优异的生物相容性和大的比表面积,能够快速、灵敏、准确的对抗坏血酸进行检测。实验结果表明:该抗坏血酸氧化酶生物传感器具有较高的灵敏度、低的检测限和较大的线性检测范围(灵敏度为1.5949×10A/moL,检测下限为3.39×10M(S/N=3),线性范围为3.90×10-3.60×10mol/L,相关系数为R=0.9985,抗干扰性能优异,能够在葡萄糖、柠檬酸钠、蔗糖、尿酸等干扰物质存在的情况下特异性检测抗化血酸,且重复性好)

关键词：羟基磷灰石石墨烯纳米金尿酸抗化血酸酶生物传感器

多孔石墨烯基酶生物传感器在检测残留农药中的研究

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多孔石墨烯基酶生物传感器在检测残留农药中的研究

作者：赵瑞霞山西大学

学位级别：硕士

为了保护农作物不受有害生物的威胁,化学农药被普遍使用。其中具有代表性的有机磷农药与氨基甲酸酯类农药,会对人体产生巨大的危害。因此,亟需发展一种快速、灵敏、简便、可靠的检测农残的方法。乙酰胆碱酯酶(AChE)电化学生物传感器因... 详细信息

为了保护农作物不受有害生物的威胁,化学农药被普遍使用。其中具有代表性的有机磷农药与氨基甲酸酯类农药,会对人体产生巨大的危害。因此,亟需发展一种快速、灵敏、简便、可靠的检测农残的方法。乙酰胆碱酯酶(AChE)电化学生物传感器因其灵敏度高、操作简便、成本低、响应迅速而备受关注。本论文制备了三种多孔碳材料,然后以其为基底构建了乙酰胆碱酯酶生物传感器,并用于有机磷及氨基甲酸酯类农药的检测。具体研究内容及结果为:(1)用一步水热法合成多孔氧化石墨烯HGO,利用多孔氧化石墨烯构造高性能的AChE/HGO/GCE生物传感器。多孔氧化石墨烯有效地促进了电子转移速率并增加了活性表面积,为AChE的固定提供了合适的微环境。在最佳条件下,将AChE/HGO/GCE用于农药对氧磷的检测,线性范围为105 ng mL,检出限为5 ng mL。在实物样品的检测中较为可靠。(2)将乙酰胆碱酯酶固定在多孔石墨烯(HG)修饰的电极表面,得到AChE/HG/GCE生物传感器。多孔石墨烯既具有丰富的多孔结构,且导电性较好,有助于提高AChE/HG/GCE检测农药的灵敏度。在最佳条件下,将构建的AChE/HG/GCE用于农药西维因的检测,线性范围为6070 ng mL,检出限为30 ng mL。(3)用水热法成功制备氨基修饰的多孔氮掺杂石墨烯(NH-PNRGO),不仅保持了多孔石墨烯特有的物理性质,并且氨基有助于乙酰胆碱酯酶的固定。制备的AChE/CHIT-NH-PNRGO/GCE生物传感器对农药卡巴呋喃检测的线性范围为:0.051 ng mL,检出限为0.025 ng mL。

关键词：农药残留酶生物传感器多孔氧化石墨烯多孔氮掺杂石墨烯