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基于石墨烯构建的葡萄糖生物传感器及其应用研究

基于石墨烯构建的葡萄糖生物传感器及其应用研究

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作者：黄静南昌大学

学位级别：硕士

糖尿病是仅次于癌症、心血管病的第三大危险疾病,是世界性的多发病和常见病。因此对人体血液中葡萄糖含量的准确快速的测定,对于糖尿病的前期诊断和治疗有着十分重要的意义。葡萄糖生物传感器是一种能够简单快捷的检测人体血液中葡萄糖... 详细信息

糖尿病是仅次于癌症、心血管病的第三大危险疾病,是世界性的多发病和常见病。因此对人体血液中葡萄糖含量的准确快速的测定,对于糖尿病的前期诊断和治疗有着十分重要的意义。葡萄糖生物传感器是一种能够简单快捷的检测人体血液中葡萄糖浓度的方法,越来越受到科研工作者的广泛关注。葡萄糖生物传感器的制备方法根据葡萄糖反应的机理可以分为三大类：(1)葡萄糖氧化酶(GOx)修饰体系;(2)凝集素蛋白(lectin)修饰体系;(3)苯硼酸(PBA)修饰体系。传统的生物分子载体主要是有机聚合物、纤维、凝胶材料或者纳米Au、Pt等贵重金属。但他们存在许多缺点,如制备的传感器灵敏度低,材料价格昂贵,不适合高效、灵敏的检测和大规模应用的要求。本文利用自行合成的新型纳米材料氧化石墨烯(GO)作为载体,构建了三种不同反应机理的葡萄糖生物传感器,实现对葡萄糖的定量检测。GO不仅具有非常高的机械强度、大的比表面积以及超强的电子传导能力,且成本低廉,具有良好的生物相容性,使得生物分子既能很好的固定在电极表面,又能保持其生物活性。在葡萄糖传感器的研制中,如何发展简单灵敏的检测方法是制备性能优良的生物传感器的关键。本文分别基于GOx, lectin,PBA修饰体系在新型生物传感界面的构建领域进行了探索和研究。主要开展了以下几方面工作： 1.采用共价法合成壳聚糖-二茂铁(CS-Fc)氧化还原高聚物,不仅可以有效的防止Fc的泄露,保持它的电化学活性,而且可以改善CS的导电性。由于带负电的GO层与层之间范德华作用力的存在,使其易团聚,将带正电的CS-Fc对GO进行功能化后,不仅可以改善其稳定性,而且可以使GO表面带上正电,更有利于带负电的GOx的负载。在此基础上制备的CS-Fc/GO/GOx葡萄糖生物传感界面为酶的固定提供了良好的微环境,且实现了电子介体在电极表面的稳定固载,有效提高了电极的稳定性。膜内GO可作为电子传递“导线”,能极大地促进电极的电子转移速率,提高生物传感器的电催化活性和灵敏度,实现了对葡萄糖的高灵敏检测,传感器对葡萄糖检测的线性范围为0.02-6.78mmol L-1,检出限为7.6μmol-1,灵敏度为10μA mmol L-1cm-2。 2.采用GO作为载体传感元件,通过π-π作用吸附苯环化右旋糖酐DexP,然后特异性吸附对ph敏感的刀豆凝集素蛋白A(ConA),即制得ConA-DexP/GO传感界面。该传感器是基于glucose-ConA-DexP之间的竞争反应使电极表面的电荷发生变化,从而促进了探针与电极表面之间的电子转移动力学过程。由于ConA的等电点是5.0,且是一种对ph敏感的凝集素蛋白,在phph>5.0时,带负电。将ConA-DexP/GO膜浸入ph4.0和8.0的带负电荷的探针分子[Fe(CN)6]3-/4-中,由于修饰ConA的膜与探针分子之间静电作用力的存在,使得膜电极出现“开”与“关”的状态,对应于[Fe(CN)6]3-/4的峰电流出现与消失。在ph8.0时,向膜电极表面加入葡萄糖,由于负电荷的ConA被取代脱离电极表面,导致电极表面的负电荷减少,探针分子到达电极表面得失电子的阻力也随之减小,并且电子转移阻抗的减小与加入葡萄糖的浓度成正比,基于该原理构建了一种超灵敏的葡萄糖传感器。该传感器具有响应迅速、重现性好及选择性高等优势,对葡萄糖的检测线性范围为5.0μmol L-1-9mmol L-1,检测限为0.34μmol L-1,本文的研究方法为制备其他新型生物传感器及生物电子设备提供了更多的机会。 3.通过π-π作用将4-氰基—苯硼酸(4-CN-PBA)固定于GO表面,通过加入葡萄糖实现GO荧光的调控,从而构建了一种新型的GO/4-CN-PBA荧光葡萄糖传感器。在光的诱导下,GO的电子转移到4-CN-PBA,使GO荧光猝灭,加入葡萄糖以后,使具有sp2硼原子的三角中性结构的PBA(缺电子的Lewis酸)变为具有富sp3硼原子的四面体硼酸盐的阴离子形式,这种PBA结构的改变使其还原电势变得更负,从而减小了PBA与GO之间的电势差,使GO激发态的电子转移过程受到抑制,导致GO的荧光恢复。荧光的恢复程度与葡萄糖的浓度成正比,从而达到定量检测葡萄糖的目的。该方法构建的新型生物传感器对葡萄糖的检测性能良好,具有响应时间短、灵敏度高、稳定性好等优点,为临床医学的诊断提供了一个简单、有效的方法。

关键词：葡萄糖传感器壳聚糖—二茂铁氧化石墨烯竞争反应 ph敏感的“开”“关”性质电子转移阻抗减小光诱导电子转移荧光恢复

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