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纳米技术是上世纪80年代末诞生并正在蓬勃发展的一种高新科技,其基本内涵是在纳米尺寸(1~100nm)范围内认识和改造自然,通过直接操纵和安排原子、分子而创造新的物质,它的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
纳米材料是近几年最受关注的新材料之一,以其高表面活性,特殊的尺寸效应、光电效应、催化效应等以及广阔的应用前景成为当今热点研究领域之一。当物质的结构单元小到纳米量级时,会产生特异的表面效应、体积效应和量子效应,其电学、磁学、光学和化学性质也相应地发生显著的变化,呈现出常规材料不具备的优越性能。因此纳米微粒在催化、电子材料、微器件、增强材料及传感器材料等方面有着广阔的应用前景。鉴于此,纳米科技对未来工业的革命性影响和对传统产业技术改造的广泛性具有深远的意义。正因为如此,各国正加强纳米技术相关领域的研究,努力占领战略制高点。
分析科学在各研究领域中起着重要的作用。在生命科学相关领域的研究中,随着它们的迅速的发展,人们对生命现象的观察和研究的不断的深入,许多传统的、常规的生物分析化学方法与手段已不能满足生命科学研究的需要。人们正迫切需要新的分析方法来实时、活体获得更多的生物化学的信息。纳米技术的发展将史无前例地把分析工作者更加深入地融合到生命科学领域。毫无疑问,在纳米尺度上的生物分析化学必将成为传统分析化学学科向前发展的新的生长点。同时,电分析化学是分析化学中重要的一个研究领域之一,将它与纳米技术有机的结合,是一个崭新的领域,将有利于原创性地建立一些电分析化学的新理论、新技术和新方法,对电分析本身的发展具有推动作用。
本论文的工作主要集中在纳米技术与电分析化学相结合最活跃的研究领域之一——新型纳米材料修饰电极(电化学传感器)的研制。论文重点研究了纳米材料修饰电极与传统常规材料修饰电极相比呈现出的更优越的性能。此外,论文的另一个工作重点在于将研制的新型纳米材料修饰电极应用于色谱电化学中,并实现生物活性分子、药物的分析测定,这为生命科学及其相关领域的研究提供许多重要的分析方法。论文工作努力实现将纳米技术、生命科学和电分析化学三者的结合。具体内容如下:
一、羧基化多壁碳纳米管修饰电极色谱电化学分析检测生物活性分子碳纳米管因为其独特的电学、物理、化学性质而引起人们的普遍关注。但因为其不溶于普通的溶剂而限制了它的操作和应用。将碳纳米管氧化羧基化后可以明显改善这一状况。本文将价格较为低廉的多壁碳纳米管进行羧基化改性,并制备了新型的纳米修饰电极(MWNT/CME)。
(一)、该修饰电极显示了对巯基化合物良好的催化活性。将该修饰电极用于安培检测半胱氨酸(L-Cys)和谷胱甘肽(GSH)两种巯基化合物。在3.0×10-7~1.0×10-3mol/L浓度范围内,L-Cys和GSH的浓度分别与氧化峰的峰电流呈良好的线性关系,检出限分别为1.2×10-7mol/L和2.2×10-7mol/L。与微渗析采样技术结合,将该修饰电极用于色谱电化学测定了大鼠脑内和人全血中L-半胱胺酸和谷胱甘肽的含量,为巯基化合物的生理学研究提供了新的手段。
(二)、该修饰电极能有效降低嘌呤化合物氧化的过电位并提高电流响应。将该修饰电极与HPLC和微渗析采样技术联用测定了大鼠脑内次黄嘌呤(HX)和黄嘌呤(X)的含量。该方法简单、稳定性高。结果表明,在一定浓度范围内,HX和X的浓度分别与氧化峰的峰电流呈良好的线性关系,检出限分别为2.0×10-7mol/L和1.6×10-8mol/L。为纳米材料在生命科学中的应用提供一种新型的电化学传感器。
二、羧基化多壁碳纳米管修饰电极色谱电化学检测在药物分析中的应用首次将该修饰电极用于色谱电化学检测6-巯基嘌呤,其检测限(2.0×10-7mol/L)较玻碳电极和其他修饰电极相比大幅度的降低。由于微渗析技术对于药物动力学等方面的研究具有独特的优势。将该方法与微渗析取样技术相结合,实现了6-巯基嘌呤在家兔体内的药物代谢动力学的研究,其血药浓度随时间的变化过程符合一室开放模型。同时,还详细研究了6-MP与牛血清白蛋白(BSA)相互作用,测得6-MP与BSA的结合常数和结合位点数分别为3.97×103(mol/L)-1和1.51。这为6-巯基嘌呤进一步的药理研究提供了重要依据。
三、纳米银粒子修饰电极及其对肌红蛋白测定的研究
本文制备了纳米银粒子修饰电极,研究了肌红蛋白在该修饰电极上的直接电化学行为。实验结果表明,纳米银粒子修饰电极较银电极相比,由于纳米银粒子粒径小,比表面积大,表面反应活性高,从而具有更好的催化活性。同时结果还表明,在1.0×10-7~1.0×10-5mol/L浓度范围内,肌红蛋白的氧化峰电流与肌红蛋白浓度呈良好线性关系,检测限为5.0×10-8mol/L。同时本文还探讨了该修饰电极对肌红蛋白的催化机理。
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