葡萄糖氧化酶电极的构建及其应用于蜂蜜中葡萄糖检测的电化学传感研究

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葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase,简称GOx)作为葡萄糖生物传感器的分子识别元件,有着高灵敏性和高选择性等优点。近几年来,随着纳米科技的发展,提高GOx生物传感器性能的研究主要集中在如何增强纳米材料的导电特性以及比表面积,而忽略了改变核心元件GOx自身结构来改善生物传感器的性能。在此,我们通过小分子化学修饰技术对GOx表面进行快速改造,得到修饰后的新酶(mGOx)。同时,为了提高纳米材料在溶液中的分散性能以及增强底物的富集效应,β-环糊精(β-CD)被引入碳纳米材料多壁碳纳米管(MWCNTs)中,得到复合材料β-CD/MWCNTs。最终,将复合材料作为mGOx载体来提高mGOx生物传感器的性能。论文主要的研究内容及实验结果如下:(1)首先通过小分子表面化学修饰技术对GOx进行快速改造,将1-羧甲基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐共价连接到GOx分子上得到mGOx,然后将mGOx和MWCNTs负载在玻碳电极(GCE)上,最终获得mGOx/MWCNTs/GCE生物传感器。利用圆二色谱、红外光谱(FTIR)对电极制备过程中材料的变化进行表征,并用循环伏安法和时间-电流法研究了修饰电极在葡萄糖溶液中的电化学性能。结果显示该生物传感器具有宽的线性范围(50μM~3 m M)和低葡萄糖检测限(0.58μM),灵敏度为23.3μA·m M-1cm-2。同时,该生物传感器具有优异的选择性、储存稳定性(两周内电流保留97%)和重复性(n=10,相对标准偏差(RSD)=2.8%),对实际样品蜂蜜中葡萄糖进行检测,结果表明传感器的RSD低于2.69%。(2)为了提高多壁碳纳米管载体材料在溶液中的分散性能以及增强底物的富集效应,β-CD与MWCNTs结合制备了β-CD/MWCNTs复合载体材料;然后,GOx被负载在β-CD/MWCNTs复合材料上,构建了新型生物传感器GOx/β-CD/MWCNTs/GCE。通过扫描电子显微镜(SEM)和FTIR证实了β-CD/MWCNTs的形成,以及GOx成功地固定在β-CD/MWCNTs载体上。结果表明该生物传感器的线性范围相当宽(50μM~1.15 m M)且检测限低(0.42μM),灵敏度为32.28μA·m M-1cm-2。同时,GOx/β-CD/MWCNTs/GCE生物传感器具有良好的抗干扰性、储存稳定性(两周内电流保留95.7%)和重复性(n=10,RSD=2.5%)。对实际样品蜂蜜中葡萄糖进行检测,发现传感器的RSD低于2.04%。(3)基于修饰酶及复合载体材料增强传感器性能的集成效应,将修饰后的葡萄糖氧化酶mGOx负载在β-CD/MWCNTs复合材料上,构建了新型生物传感器mGOx/β-CD/MWCNTs/GCE。通过SEM和FTIR表征,证实了mGOx成功地固定在β-CD/MWCNTs载体上。结果表明所制备的传感器可以灵敏地检测葡萄糖,其检测范围在50μM~1.15 m M之间,灵敏度为35.44μA·m M-1cm-2,检测限低至0.27μM。此外,该生物传感器具有良好的稳定性(两周内电流保留95.8%)、重现性(n=10,RSD=1.6%)和抗干扰性。实际样品实验表明该葡萄糖生物传感器可以成功应用于蜂蜜中葡萄糖的检测。
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