酪氨酸酶电化学生物传感器的制备及性能研究

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邻苯二酚是重要的化工中间体,在化工、食品、制药等方面具有不可忽视的作用。然而,邻苯二酚的大量使用污染了环境、食品,并对人体造成极大伤害。因此,寻找合适的方法检测邻苯二酚在工业生产和环保方面具有重要意义。酪氨酸酶生物传感器可及时地将邻苯二酚的检测信号转化为电信号,从而实现对邻苯二酚的浓度的准确检测。其快速高效、小型化、重复性好和低成本使其成为研究的热点。然而,酪氨酸酶生物传感器仍存在如检测性能不高、稳定性差和难以分析复杂的实际成分等问题,限制了其在实际中的应用。本文基于酪氨酸酶电化学生物传感器的研究现状,制备纳米材料高效固定酪氨酸酶构建生物传感器,实现对邻苯二酚的灵敏检测。主要工作如下:(1)以四氯化铪(Hf Cl4)和硝酸锌为原料,通过水热法制得Hf掺杂氧化锌纳米材料(Hf-Zn O),并将Hf-Zn O、酪氨酸酶(Tyr)和壳聚糖(CS)修饰在玻碳电极(GCE)上,制得Tyr/Hf-Zn O/CS/GCE生物传感器。通过场发射扫描电镜(FESEM)、动态光散射粒度分析(DLS)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对Hf-Zn O进行表征测试。采用循环伏安法(CV)比较不同铪掺杂量氧化锌对邻苯二酚的响应性能,确定其最佳的掺杂比为3%。采用循环伏安伏安法(CV)和计时电流法(IT)对Tyr/Hf-Zn O/CS/GCE修饰电极进行电化学测试,结果表明,Tyr/Hf-Zn O/CS/GCE修饰电极在p H为5和–50 m V的低电势下对邻苯二酚有最佳检测能力,对邻苯二酚检测的线性范围是0.5~47μM,灵敏度为195μA/μM,检测限是0.1215μM(S/N=3)。该修饰电极的稳定性和重复性好,可有效避免尿素、多巴胺、抗坏血酸等与邻苯二酚电活性相近物质的干扰。(2)碳化钛(Ti2C3)是一种新型二维材料,具有稳定性好、生物相容性好、导电性较好、比表面积大等优点。用氢氧化钾碱化碳改性化钛(a-Ti2C3)能进一步提高碳化钛的电导率和电子转移能力且其独特的结构增加了酪氨酸酶的固定量。采用滴涂法将酪氨酸酶和a-Ti2C3材料修饰在玻碳电极表面,构建了Tyr/a-Ti3C2/CS/GCE生物传感器。通过FESEM、XRD、XPS等对a-Ti2C3进行表征。采用循环伏安伏安法(CV)对修饰电极进行电化学测试,结果表明,碱化碳化钛修饰的酪氨酸酶生物传感器的的电子传输性能优于碳化钛修饰的酪氨酸酶生物传感器。通过交流阻抗分析测试(EIS)可知,碱改性碳化钛具有极好的导电性,能显著的降低修饰电极的电阻率。通过单因素实验优化了传感器对邻苯二酚检测时的p H和工作电压,在优化条件下,Tyr/a-Ti3C2/CS/GCE生物传感器对邻苯二酚的线检测范围为0.5~45μM,相关系数R2为0.998,灵敏度高达215μA·m M-1,检测极限为0.02μM(S/N=3)。此外,对该传感器的重复性和稳定性考察结果表明该电极具有很好的重复性和稳定性,该传感器保存半个月后对邻苯二酚的检测性能仍维持在91.23%,对邻苯二酚10次检测的相对标准偏差为1.14%。(3)Zn O具有很好的生物相容性,是良好的生物电极材料。但导电性差的缺点限制了其在生物传感中进一步的应用。a-Ti2C3具有很好的导电性,将a-Ti2C3与Zn O复合可有效提高氧化锌的导电性。采用物理混合的方法制备了a-Ti2C3-Zn O复合材料(a-Ti2C3与Zn O的质量比为1:4),并构建了Tyr/a-Ti2C3-Zn O/CS/GCE生物传感器。优化了该生物传感器检测邻苯二酚的p H、工作电压和温度等因素,使制备的生物传感器对邻苯二酚具有最佳的检测性能。该传感器对邻苯二酚的检测范围为1.5~50μM,相关系数R2为0.996,灵敏度为203μA/m M,检测限为0.402μM(S/N=3)。对其进行稳定性和重复性测试,结果表明,该修饰电极具有较好的重复性和稳定性,在10μM的邻苯二酚底物下连续测试5次的相对标准偏差仅为1.02%,将修饰电极放置在4℃的冰箱中保存一个月后,修饰电极仍保持70.83%的初始信号强度。此外,该修饰电极具有较好的选择性。
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