植酸胶束增强型生物传感器的构筑及应用

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近年来,随着纳米技术的日益发展,纳米生物传感器引起了越来越多的关注。酶传感器作为生物传感器的一种,由于其对被检测物质的优良的专一性和高效性,在过氧化氢、葡萄糖、胆固醇、抗坏血酸、亚硝酸盐等生物物质的检测方面应用前景广泛。酶生物传感器的性能决定于酶的生物活性。其中对酶的固定方式以及固定载体成为保持酶活性的关键。因此,采用简单、快速、稳定、可控的制备方法是制备酶传感器的热门研究课题。准确、快速、无试剂的测定过氧化氢(H2O2)在食品、工业、环境保护和临床医学等领域,是非常重要的。在操作简便,高灵敏度和固有的高选择性基础上,通过基于酶的生物传感器对过氧化氢检测,进行生物电化学目标的追踪,引起了特别的关注。植酸(IP6或PA)是一类天然物质,在许多植物组织,特别是在麸类和种子中,作为磷的主要存在形式。它具备一些独特的优点,如生物相容性好,无毒和对环境友好。这些性质为酶或蛋白质的固定,提供了有利的条件。IP6有六个磷酸酯键,可与酶进行固定。因此,IP6可以作为分子桥联剂来捕获生物酶,代替人工合成的聚合物连接剂。近年来,我们发现IP6分子在加热条件下可以自组装成球状胶束。这种特殊的结构类似于生物膜,磷脂以尾对尾形式连接在内部,亲水性磷脂基团朝外。这样有利于蛋白质或生物酶吸附在胶束球内部或外部。因此,植物源植酸胶束具有的良好的生物相容性和分散性,使其作为有前景的平台,可用于酶生物传感器的制备。因此,本论文借鉴纳米技术和自组装技术,利用植酸及其植酸胶束纳米材料,制备了电化学生物传感器,实现了对H2O2的测定,具体制备了以下3种传感器:(1)在玻碳电极基底上,利用植酸胶束膜,构建了辣根过氧化物酶传感器。在此,有两个方面值得关注。第一,植酸胶束作为基底膜,吸附大量的辣根过氧化物酶进行固定。第二,由植酸胶束构建的酶传感器成功地实现了直接电子转移,并且信号稳定,可对H2O2进行高灵敏度检测。用植酸胶束球制备的Nafion/HRP/IP6 micelles/GCE修饰电极,不仅将HRP吸附在胶束周围,而且很好的把HRP包埋在球状的胶束内部。这种存在形式极大的提高了HRP酶在电极表面的负载量,并且为酶提供了良好的生物亲和性的环境,保持其生物活性,实现对H2O2的准确测定。该制备方法简单,环保经济;制备了源于植物的植酸胶束并将其用于生物传感器,实现辣根过氧化物酶的直接电子转移;对过氧化氢的响应时间短,检测限低,灵敏度高,米氏常数较小。Nafion/HRP/IP6 micelles/GCE对H2O2的线性浓度范围为1×10-7 5×10-7 mol L-1 (线性相关系数R= 0.998, n = 5)和6×10-7 1.6×10-5 mol L-1 (线性相关系数R= 0.997, n = 11),最低检测限为0.1μmol L-1(信噪比S/N = 3),米氏常数为0.0016 mmol L-1。(2)采用混合组装技术,利用植酸胶束的磷酸酯键络合辣根过氧化物酶和金纳米粒子,形成了具有生物亲和性的纳米复合材料,保持了辣根过氧化物酶的生物活性,并利用金纳米粒子的高电子密度、介电特性和催化性能,实现了HRP与玻碳电极表面的直接电子转移。Nafion膜的滴加能提高电极的选择性和稳定性。实验过程中借助紫外-可见吸收光谱和透射电子显微镜进行表征,实验结果证明:GNPs的高导电和高催化性能,结合植酸胶束的优良生物相容性和对酶的高负载量的特点,使得吸附在其上的HRP保持活性,制备的生物传感器能对H2O2进行电催化还原。Nafion/HRP-IP6 micelles-GNPs/GCE对H2O2的线性浓度范围为5×10-7 1.15×10-5mol L-1 (线性相关系数R= 0.993, n = 9),最低检测限为0.1μmol L-1(信噪比S/N = 3),米氏常数为0.0024 mmol L-1。(3)利用聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)和PA-MWCNTs形成复合膜以包埋辣根过氧化物酶,制作过氧化氢生物传感器。首先,通过静电自组装技术,正电荷PDDA和负电荷的PA-MWCNTs复合膜,依次在电极表面组装。随后,HRP通过静电吸引力,紧紧地吸附在PA-MWCNTs膜内。复合膜内的HRP体现了其对过氧化氢良好的催化还原性质。HRP/PA-MWCNTs/PDDA/GCE对H2O2的线性浓度范围为8.9×10-7 to 1.1×10-5 mol L-1,最低检测限为0.1μmol L-1(信噪比S/N = 3),为0.01 mmolL -1。所构建的传感器具有良好的稳定性和重现性,是一个灵敏的无需媒介体的过氧化氢生物传感器。
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