基于石墨烯的生物传感器的技术研究

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生物传感器是一种可以将生物学信号转换为电学信号的分析设备,与传统传感器相比具有成本低、特异性高等不可比拟的优势,因此被视为检测分析领域的重要技术。石墨烯作为一种新型二维纳米材料,因其在电学、光学和机械性能等方面的优良性能引起了研究者们的广泛关注。石墨烯与生物传感器的结合为高灵敏度、高选择性的探测和分析生物分子提供了可能。本文以还原氧化石墨烯材料为基底,以乙酰胆碱酯酶作为分子识别元件,以石英晶体微天平为换能器,制备了用于探测DMMP气体的石墨烯生物传感器,并对传感器的敏感特性,及工艺参数对其性能的影响进行了探究,主要内容如下:(1)首先,采用吸附法作为乙酰胆碱酯酶的固定化方法,研究了石墨烯基底对传感器性能的影响,并研究了该固定化方法制备的传感器的重复性、稳定性,结果表明:经石墨烯修饰的电极表面更有利于酶的附着,吸附法制备的传感器在10mg/m3-25mg/m3DMMP浓度范围内具有良好响应(R2=0.9965),且在25mg/m3DMMP气氛环境下表现出良好的重复性,但其稳定性不佳。其次,分别研究了pH值、石墨烯的量、固定化时间等工艺参数对传感器性能的影响,研究结果表明:每一种酶都有其最适pH值,基于吸附法制备的传感器的最适pH值为6.8;石墨烯大的表面积提高了酶的附着量,传感器在石墨烯的量为0.04ml时具有最佳性能;采用吸附法对酶膜进行固定,经过12h的吸附,电极表面酶吸附量达到饱和。(2)采用交联法对乙酰胆碱酯酶膜进行固定,并对其重复性和稳定性进行了测试,结果表明:交联法制备的传感器在10mg/m3-50mg/m3 DMMP范围内的响应具有很高的灵敏度,在40mg/m3 DMMP气氛环境下有良好的重复性,且7天后器件表面的酶膜仍然保持较高的活性。最后,探究了pH值、石墨烯的量、固定化时间及交联剂浓度等工艺参数对传感器性能的影响,研究结果表明:基于交联法制备的传感器的最适pH值为6.8;石墨烯良好的抗菌性和生物相容性有利于酶膜的保存,交联法制备的传感器在石墨烯的量为0.03ml时保存7天后响应仅衰减21%,综合性能最佳;采用交联法制备酶膜时交联反应在4h后完成;戊二醛浓度过低会使交联反应不完全,浓度过高时,过量的戊二醛使酶的活性中心封闭,影响酶与DMMP接触与扩散,采用交联法制备的传感器在戊二醛浓度为5wt%时具有最佳性能。
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