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生物传感器在医药、生物工程、环境保护、食品等领域具有广泛的应用前景。研究表明,将纳米材料用于生物传感器的制备中可以较大的提高传感器的响应性能。本论文在纳米材料的研究现状和最新进展的基础上,提出了纳米材料的制备及其在电化学生物传感器中的应用的研究方向,制备了一系列的新型纳米材料作为传感器界面,对制各的纳米材料的表面性质、微观结构及电化学性质进行了表征,以纳米复合界面固载的乙酰胆碱酯酶,甲基对硫磷水解酶为靶标酶,用来检测不同的农药小分子;利用分子印迹技术来专一性的检测小分子,构建了多种生物传感技术。简述如下:
1.系统综述了纳米材料分类、特性及应用,并简单介绍了几种纳米粒子的制备方法、表征手段,且对其在催化、光学、DNA传感、免疫传感和酶传感器中的应用研究进行了综述,最后简要介绍了本论文的主要研究内容和创新点。
2.构建了一个基于金纳米杂化的溶胶凝胶膜来固定乙酰胆碱酯酶的生物传感器,固定的乙酰胆碱酯酶能催化其底物氯化硫代乙酰胆碱,计算出其米氏常数Kmapp值为450μM,检测其水解产物硫代胆碱的线性范围是10-1000μM。由于在溶胶凝胶在杂化膜中存在着大量的羟基,能给蛋白质提供一个良好的生物兼容性的环境,从而可以很大程度上的保持蛋白质的活性。而金纳米能催化硫代胆碱的氧化并能加速电子传导,因而能提高方法的灵敏度。基于有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酯酶的抑制作用,此传感器能够灵敏,快速和廉价的用于农药浓度的痕量检测。由于每种农药对靶标酶的抑制率变化曲线的斜率不一样,此传感器还能用于不同农药的活性筛选,并与其他传统方法如紫外可见检测法对比,获得了很好的一致性。
3.制备了一种复合纳米材料,是由CdTe量子点和有良好传导性的金纳米的修饰的壳聚糖纳米微球,并用来固定乙酰胆碱酯酶,从而发展一种快速,灵敏的检测久效磷的方法。由于CdTeQos和GNPs之间的协同效应的影响,加速了电子传导并很好的保持酶了的活性,因此这种基于CdTe QDs-GNPs的电化学生物传感器的灵敏度比单独修饰CdTe QDs或GNPs的更高。传感器对久效磷的抑制率在两段浓度范围内呈现良好的线性,分别是1到1000 ng mL-1和2到15μg mL-1,检出限为0.3 ng mL-1.构建的传感器还具有搞的灵敏度和好的重复性和稳定性,且能用于实际样品的检测。
4.构建了一种纳米复合界面固载的甲基对硫磷水解酶生物传感器,用以专一性和高灵敏的电化学检测甲基对硫磷。我们在硅纳米球(SPs)上原位合成了金纳米(AuNPs),然后与多壁碳纳米管(MWCNTs)混合均匀,制得的纳米复合材料用以同载甲基对硫磷水解酶。由于具有壳核结构的SP/AuNPs与MWCNTs之间存在的协同效应,与单独修饰SP@AuNPs和SPs/MWCNTs的传感器相比,SP@AuNPs/MWCNTs纳米复合物修饰的生物传感器的性能更优。在甲基对硫磷浓度为0.001to5.0μg.ml-1的范围内呈现良好的线性,检出限为0.3 ng.ml-1。我们也在蕌头样品中进行了加标回收实验,得到的回收率的范围是处于95.0到102.3％之间。更值得一提的是,制备的纳米复合材料还可以广泛应用于其他的酶生物传感器。
6.用电聚合的方法构建了一个以邻苯二胺为功能单体,以乐果为模板分子的分子印迹电化学传感器。首先,在玻碳电极表面电聚合邻苯二胺,然后在形成的聚合膜上沉积上一层AgNPs,形成了银纳米和聚邻苯二胺的分子印迹双层膜(AgNPs-PoPD)。我们通过电化学和SPR来监控了聚合膜的生长,并通过控制循环伏安扫描的圈数来控制膜的厚度为25nm。由于选择的单体拥有功能化的端氨基,所以易于和有机磷目标产物相互作用。在AgNPs-PoPD印迹膜中,有着许多乐果分子的特异性的结合位点,所以对模板分子乐果响应时间很短,且有着高的特异性识别和很好的选择性。最后,利用电极在K3Fe(CN)6溶液中的电流响应的变化来表征分子印迹传感器对目标分子的特异性识别作用,基于电流响应信号的减小值,我们构建了一个简单的分析有机磷化合物的检测平台,构建的化学传感器不仅能检测有机磷农药,也能用于检测其他的小分子。构建的分子印迹传感器能高灵敏度、高选择性、高亲合力的运用于有机磷化合物和其他小分子的检测中。
7.合理设计了掺杂金纳米的溶胶凝胶分子印记聚合物,并且优化了实验条件来灵敏,专一性的电化学检测苏丹红Ⅰ分子。苏丹红Ⅰ印迹的溶胶凝胶聚合物的制备方法如下:首先,苏丹红Ⅰ分子和3-氨基三乙氧基硅烷(APTES),四甲氧基硅烷(TEOS),壳聚糖和金纳米混合并进行共聚集。当洗脱掉模板分子之后,我们对杂化膜的形态与性质进行了扫描电镜以及FTIR-ATR的表征,并用线性扫描伏安法(LSV)来测定苏丹红Ⅰ在水和乙醇混合物中的浓度。在制备印迹聚合物的时候,我们不仅优化了单体种类和含量,也对溶剂条件进行了合理优化。在苏丹红的类似物溶液中,传感器对于苏丹红Ⅰ分子有着专一性的LSV响应。在最优条件下,LSV的峰电流在苏丹红Ⅰ的浓度为0.1×10-7到1.0×10-5 M的范围内呈现良好的线性关系,检出限为2.0×10-9 M,表现出了很好的选择性和重现性。更值得一提的是,由于其空穴大小的灵活性以及界面的特殊性质,经过合理设计的分子印记聚合物能作为一个好的检测平台应用于其他的电活性小分子的检测。
1.系统综述了纳米材料分类、特性及应用,并简单介绍了几种纳米粒子的制备方法、表征手段,且对其在催化、光学、DNA传感、免疫传感和酶传感器中的应用研究进行了综述,最后简要介绍了本论文的主要研究内容和创新点。
2.构建了一个基于金纳米杂化的溶胶凝胶膜来固定乙酰胆碱酯酶的生物传感器,固定的乙酰胆碱酯酶能催化其底物氯化硫代乙酰胆碱,计算出其米氏常数Kmapp值为450μM,检测其水解产物硫代胆碱的线性范围是10-1000μM。由于在溶胶凝胶在杂化膜中存在着大量的羟基,能给蛋白质提供一个良好的生物兼容性的环境,从而可以很大程度上的保持蛋白质的活性。而金纳米能催化硫代胆碱的氧化并能加速电子传导,因而能提高方法的灵敏度。基于有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酯酶的抑制作用,此传感器能够灵敏,快速和廉价的用于农药浓度的痕量检测。由于每种农药对靶标酶的抑制率变化曲线的斜率不一样,此传感器还能用于不同农药的活性筛选,并与其他传统方法如紫外可见检测法对比,获得了很好的一致性。
3.制备了一种复合纳米材料,是由CdTe量子点和有良好传导性的金纳米的修饰的壳聚糖纳米微球,并用来固定乙酰胆碱酯酶,从而发展一种快速,灵敏的检测久效磷的方法。由于CdTeQos和GNPs之间的协同效应的影响,加速了电子传导并很好的保持酶了的活性,因此这种基于CdTe QDs-GNPs的电化学生物传感器的灵敏度比单独修饰CdTe QDs或GNPs的更高。传感器对久效磷的抑制率在两段浓度范围内呈现良好的线性,分别是1到1000 ng mL-1和2到15μg mL-1,检出限为0.3 ng mL-1.构建的传感器还具有搞的灵敏度和好的重复性和稳定性,且能用于实际样品的检测。
4.构建了一种纳米复合界面固载的甲基对硫磷水解酶生物传感器,用以专一性和高灵敏的电化学检测甲基对硫磷。我们在硅纳米球(SPs)上原位合成了金纳米(AuNPs),然后与多壁碳纳米管(MWCNTs)混合均匀,制得的纳米复合材料用以同载甲基对硫磷水解酶。由于具有壳核结构的SP/AuNPs与MWCNTs之间存在的协同效应,与单独修饰SP@AuNPs和SPs/MWCNTs的传感器相比,SP@AuNPs/MWCNTs纳米复合物修饰的生物传感器的性能更优。在甲基对硫磷浓度为0.001to5.0μg.ml-1的范围内呈现良好的线性,检出限为0.3 ng.ml-1。我们也在蕌头样品中进行了加标回收实验,得到的回收率的范围是处于95.0到102.3％之间。更值得一提的是,制备的纳米复合材料还可以广泛应用于其他的酶生物传感器。
6.用电聚合的方法构建了一个以邻苯二胺为功能单体,以乐果为模板分子的分子印迹电化学传感器。首先,在玻碳电极表面电聚合邻苯二胺,然后在形成的聚合膜上沉积上一层AgNPs,形成了银纳米和聚邻苯二胺的分子印迹双层膜(AgNPs-PoPD)。我们通过电化学和SPR来监控了聚合膜的生长,并通过控制循环伏安扫描的圈数来控制膜的厚度为25nm。由于选择的单体拥有功能化的端氨基,所以易于和有机磷目标产物相互作用。在AgNPs-PoPD印迹膜中,有着许多乐果分子的特异性的结合位点,所以对模板分子乐果响应时间很短,且有着高的特异性识别和很好的选择性。最后,利用电极在K3Fe(CN)6溶液中的电流响应的变化来表征分子印迹传感器对目标分子的特异性识别作用,基于电流响应信号的减小值,我们构建了一个简单的分析有机磷化合物的检测平台,构建的化学传感器不仅能检测有机磷农药,也能用于检测其他的小分子。构建的分子印迹传感器能高灵敏度、高选择性、高亲合力的运用于有机磷化合物和其他小分子的检测中。
7.合理设计了掺杂金纳米的溶胶凝胶分子印记聚合物,并且优化了实验条件来灵敏,专一性的电化学检测苏丹红Ⅰ分子。苏丹红Ⅰ印迹的溶胶凝胶聚合物的制备方法如下:首先,苏丹红Ⅰ分子和3-氨基三乙氧基硅烷(APTES),四甲氧基硅烷(TEOS),壳聚糖和金纳米混合并进行共聚集。当洗脱掉模板分子之后,我们对杂化膜的形态与性质进行了扫描电镜以及FTIR-ATR的表征,并用线性扫描伏安法(LSV)来测定苏丹红Ⅰ在水和乙醇混合物中的浓度。在制备印迹聚合物的时候,我们不仅优化了单体种类和含量,也对溶剂条件进行了合理优化。在苏丹红的类似物溶液中,传感器对于苏丹红Ⅰ分子有着专一性的LSV响应。在最优条件下,LSV的峰电流在苏丹红Ⅰ的浓度为0.1×10-7到1.0×10-5 M的范围内呈现良好的线性关系,检出限为2.0×10-9 M,表现出了很好的选择性和重现性。更值得一提的是,由于其空穴大小的灵活性以及界面的特殊性质,经过合理设计的分子印记聚合物能作为一个好的检测平台应用于其他的电活性小分子的检测。