基于纳米颗粒的电化学生物传感技术研究

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生物分子参与完成生命体中的新陈代谢等许多生理过程,在这些生命过程中很多生物分子都要经历电子转移过程。从一定意义上讲,研究生命过程实质上就是研究生物体中的电子传递过程。电化学方法用来研究生物分子的电子传递过程有着特别的优势,不仅可以测定其基本的热力学和动力学参数,而且可以揭示生物体系中电子转移机理,对于制备电化学生物传感器以满足生物医学、环境检测和工业快速分析的需要具有重要意义。纳米材料具有独特的物理和化学特性,能促进生物分子的活性中心与电极间的直接电子交换,同时最大限度地保持生物分子的活性。因此,将纳米技术应用于生物分子电化学分析研究,有利于创新性地建立一些新理论、新技术和新方法,是一个很有前景的领域。本论文利用CdTe和CdSe纳米颗粒(量子点,QD)以及铂纳米颗粒作为修饰材料,构建了一系列新型生物传感器,并对其电化学性质进行了研究。主要研究结果如下:(1)将水溶性CdTe纳米颗粒和血红蛋白(Hb)混合修饰在玻碳(GC)电极表面,并用Nafion将其固定,制备了稳定的Nafion/Hb-CdTe/GC电极。利用循环伏安(CV)法和安培法详细研究Hb的直接电化学行为和对H2O2的催化动力学过程。实验表明,利用CdTe纳米颗粒可实现Hb的直接电化学,促进Hb与电极之间的电子传递,电子转移速率常数κ为0.068 s-1,传递系数α为0.59。同时,表面固定的Hb仍然保持对H2O2的催化活性,其表观米氏常数为17.7μM。修饰后的电极可用于检测H2O2,其线性检测范围为5.0×10-6~4.5×10-5M,检测限为8.4×10-7M(S/N=3)。修饰电极具有较高的灵敏度,并具有较好的重现性和稳定性。(2)采用多种方式将脂溶性CdSe/ZnS量子点与辣根过氧化物酶(HRP)共同修饰到GC电极表面,实验表明,只有当脂溶性量子点以蒸发沉积的方式修饰时,HRP在该修饰电极上才能发生明显的直接电子传递,电子传递速率常数为5.80±0.70s-1。紫外和红外光谱表明HRP在此电极表面的构象没有发生明显变化。进一步研究表明,此修饰电极对H2O2有良好的催化活性,其表观米氏常数为0.152 mM。修饰后的电极可用于检测H2O2,其线性检测范围为5.0×10-6~1.0×10-4 M,检测限为2.84×10-7M,且具有良好的可重复性和稳定性。这说明核壳结构的量子点可以实现蛋白质与电极的直接电子传递,且这一电化学行为与量子点在电极表面的修饰方式直接相关。(3)采用不同的手段对脂溶性CdSe/ZnS量子点在HRP表面的蒸发沉积进行表征,研究了沉积时间和沉积温度对HRP催化活性影响。确定了量子点的蒸发沉积的最佳条件,并对该条件下制备的修饰电极的电化学行为进行了详细的研究。结果表明,量子点于35℃下沉积7 hr对HRP的直接电子传递有很好的促进作用。在此条件下,量子点和HRP在电极表面的覆盖量分别为5.56×10-8mol cm-2和6.47×10-11molcm-2,HRP的的电子传递速率为6.01 s-1。(4)在负载有巯基丙酸修饰CdTe纳米颗粒的半胱氨酸(Cys)自组装修饰电极上固定了Trametes versicolor漆酶,利用循环伏安法和安培法研究了它的直接电化学行为和对抗坏血酸(AA)的催化动力学过程,发现漆酶在CdTe纳米颗粒存在情况下可与电极发生直接电子传递,电子传递速率常数κ为21.7 s-1,传递系数α为0.47。固定的漆酶保持对AA的催化活性,其表观米氏常数为0.47 mM。修饰后的电极可以用来检测溶液中的AA,其线性检测范围为1.0×10-5~1.4×10-4 M,检测限为1.4×10-6M(S/N=3),且具有较好的灵敏性、可重复性和稳定性。(5)使用循环伏安电沉积的方法,在铂盘电极上均匀地沉积了铂纳米颗粒。结果表明,该方法制备的铂纳米颗粒修饰铂电极(PNP/Pt)对水杨酸(SA)有良好的电催化氧化能力,可以在弱碱环境下检测SA,对SA的响应电流是修饰前的9.2倍,其线性检测范围为2.0×10-5~5.0×10-44 M,并具有高的重复性和稳定性,能可靠地应用于SA的检测。
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