石墨烯掺杂分子印迹氨基酸手性传感器的研制及其识别性能研究

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手性氨基酸是构成蛋白质中多肽的基本单元,是重要的营养物质,在人体和动物体内的生命活动中有着关键性作用。氨基酸对映体有着不同的生理功效,人体内含有的全部是L-构型的氨基酸,D-型氨基酸转化成L-型氨基酸才可以被人体吸收,摄入过量的D-氨基酸会引起中毒甚至危及生命;此外D-构型的氨基酸存在往往是某些疾病的前兆;D-构型氨基酸虽然在营养学上是无益的,但在医药领域有着独特的功效,可用于抗生素或者抗癌药物的制备。因此有效的氨基酸手性识别和检测,有助于揭示生命的进化和演变的化学本质,在生物制药、疾病监测也有着广泛的应用前景。石墨烯自2004年被发现后,成为纳米材料里的新的研究热点,以其优异的物理、化学性质,在微电子、储能、传感器、导热材料、纳米复合材料领域呈现出良好的应用前景,尤其在提高电化学传感器灵敏度的研究上倍受关注。分子印迹技术得益于其构效预知性,良好的选择性,在手性识别分离检测领域已经有着广泛的应用,主要应用于制备分子印迹手性固定相,在高效液相色谱和毛细管电泳中使用;但往往需要衍生化处理,仪器设备也较昂贵。将分子印迹技术与传感器相结合所制备的分子印迹传感器,能够方便、快捷的对手性物质进行识别、检测,近年来得到广泛的推广。本文将分子印迹技术和传感器技术相融合,以石墨烯为增敏材料,制备了具有手性识别能力的电化学传感器,可实现对两种电活性的氨基酸的快速识别。主要工作如下:(1)以电活性较好的色氨酸为研究对象,研究制备了壳聚糖为功能基体,L-色氨酸为模板分子,掺杂了石墨烯纳米片的电化学手性传感器。探讨了L-色氨酸手性传感器印迹膜的制备条件和对色氨酸对映选择性识别机理。L-色氨酸浓度在0.17~25μmol L-1范围内与在印迹膜传感器响应的氧化峰峰电流呈现良好的线性关系,检测限为0.04μmol L-1(S/N=3)(2)根据L/D-色氨酸DPV检测时所出现的细微电位差别,提出了通过氧化峰电位差别来进行快速分析手性物质的设想,分别制备色氨酸、苯丙氨酸印迹传感器,初步确立了依据氨基酸异构体电位不同标尺型快速分析的方法,探讨了手性识别的机理,验证了此设计理念具有一定的可行性和实际操作性。(3)利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X-射线衍射谱(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和电化学交流阻抗谱(EIS)对分子印迹膜的制备过程、微观形貌和结构特性进行了表征。通过SEM证实了壳聚糖石墨烯在传感器表面形成了纳米复合物;且由AFM进一步测得被壳聚糖包裹的石墨烯纳米片层厚度约为3nm左右;XRD数据表明壳聚糖-石墨烯形成新的无定性晶型结构;拉曼光谱证明壳聚糖没有破坏石墨烯π电子网络结构;EIS表明印迹膜上印迹孔穴的形成能够显著减低界面电阻,增强界面电子的传递速率,同时也发现手性印迹膜与L/D氨基酸相互作用后,引起的界面阻抗值变化不同的,进一步证明印迹膜具有一定的手性识别能力;而量子化学能量分析,从理论上阐述了基于壳聚糖的印迹传感器对L-色氨酸的对映选择性识别机理。
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