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电化学生物传感器是基于生物识别的高度专一性发展起来的一种分析技术,具有选择性好、灵敏度高、分析快速、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的特点,在环境监测、临床诊断、农残分析、食品药品工业等领域具有广泛的应用前景。
由于表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)技术具有能实时监测反应动态、分析样品不需要纯化、生物样品无需标计、灵敏度较高、无背景干扰等特点,在生物领域应用中取得了长足进展,目前已成功地研制出了各种类型的SPR免疫传感器。SPR技术也可用于研究核酸间相互作用,实时追踪核酸反应全过程,这是其它技术无法比拟的。
多层膜的功能、结构研究在生物传感器和材料科学领域有着重要的作用,这些膜的光学特性,电学特性,催化特性,生物活性和敏感性都使得它们拥有强大的应用前景。目前,对于自组装多层膜的研究尤为广泛,因为这种技术可以简单有效地成长出超薄多层膜,而纳米银所构成的纳米多层膜在结构上具有纳米尺寸,更可表现出“尺寸量子效应”。本文利用纳米银颗粒的催化放大作用制备了新型超薄多层膜生物传感器,并分别将这种传感器用于电化学方法和SPR技术中,对小分子药物进行测定和动力学研究。通过实验证明,纳米银粒子在多层膜结构中具有明显的电催化和光催化作用,显著增强了电化学和SPR的DNA传感器的响应。本文的主要研究内容包括:
1、利用化学还原法制备了粒径约40nm的纳米银溶胶,并用电化学生长法成功将其修饰在了金盘电极表层,制备出了纳米银多层膜电化学传感器。通过电化学表征和ESEM表征等手段证明了纳米银已修饰在电极表层并表现出良好的稳定性。使用铁氰化钾溶液对其进行测定,发现多层纳米银颗粒会表现出“纳米岛”效应,增强了[Fe(CN)6]3-/4-分子在其表面的电荷传输能力,使得[Fe(CN)6]3-/4-溶液的特征氧化还原峰电流变大,可逆性更好。以该电极为基底再修饰一层双链DNA分子制备成新型纳米银多层膜DNA生物传感器,在ESEM所照图片中可清楚观察到,DNA分子被均匀固定在电极上形成双分子层结构,该结构与纳米银催化效果同时作用,大大增强了DNA修饰电极的响应,其性能远远好于用SA膜法组装的单分子层DNA修饰电极。利用该电极研究了DNA与抗坏血酸的作用机理,并建立了一套测定抗坏血酸的体系。该方法灵敏度高,用于实际样品的检测效果很好。
2、基于金属纳米粒子与SPR金膜产生的表面等离子波间发生的电子耦合交互作用能够加大SPR角度的变化值,我们制备了利用纳米银颗粒催化放大SPR响应的新型超薄多层膜生物SPR传感器。使用SPR技术在线观察和研究了纳米银溶胶和PDDA在金膜表层的交替组装过程,从分子层面探讨了膜的结构。利用SPR的优势表征了DNA膜层吸附的动力学过程,证明了纳米银粒子对传感器的催化效果,研究和讨论了DNA在传感器表层的形态。使用该传感器对小分子药物庆大霉素进行了研究测定,测试结果令人满意,证明该传感器能够使用于增强SPR对小分子的测定。
3、制备出了新型庆大霉素自组装膜生物传感器,分别用电化学和SPR技术对其进行表征。再使用该传感器研究了Cr3+离子与庆大霉素的相互作用,认为他们是以[Cr3+]/[Gentamycin=1/2的结构配合。将DNA溶液以一定比例滴入Cr-庆大霉素的配合物溶液中,当DNA浓度为配合物浓度5倍时,峰电流不再减小,所以认为DNA是以5:1结构与Cr-庆大霉素的配合物形成新的三元配合物。分别用电化学方法和SPR技术所得数据计算出DNA与Cr-庆大霉素的配合物的键合常数K=1.20×107L/mol,吸附平衡常数KD=1.31×107L/mol。