基于硼掺杂金刚石和新型纳米复合材料的电化学生物传感器研究

摘要

1.硼掺杂金刚石(BDD)电极具有较低的背景电流、无需作任何处理情况下对一些氧化还原分析物有好的活性、高电化学稳定性、宽的电位窗口、长时间的响应稳定性等优点。目前对BDD电极的研究尚处于初级阶段,仅报道了各种具有电活性的化合物在裸BDD电极的电化学特性,有关应用BDD电极开发生物传感器的文献尚少,有待进一步开发、研究。利用BDD电极表面缺电子结构(sp3杂化碳和掺杂的硼)和易于氧化引入-OH的特点,在氧化或未氧化的BDD电极表面修饰化学/生物物质制成生物传感器,研究生物分子在电极表面的电化学性质,并实现对各种物质的准确、快速、灵敏、简便测定。具体内容包括:
　　(1)首次研制了Ru(bpy)33+沉积硼掺杂金刚石电极(第2章)。采用电解法将BDD电极在1 M H2SO4中氧化,在电极表面引入-OH,再将电极置于Ru(bpy)33+溶液中,通过循环伏安法将Ru(bpy)33+沉积到电极表面,制成Ru(bpy)33+沉积BDD电极。发现此电极对VB6的氧化还原有很好的催化作用,而在选定的电压范围内VB1、VB2在电极表面不发生电化学反应。从而实现了大量VB1、VB2存在下对VB6的定量测定,线性范围为2.8×10-7~3.7×10-4 mol/L,检测下限为6.3×10-8 mol/L。此电极用于测定VB6实际样品结果令人满意。
　　(2)第3章研究了茶叶中的儿茶素自氧化中间体在Ru(bpy)33+沉积BDD电极上的电化学特性。儿茶素在碱性溶液中进行强自氧化生成自由基中间体,用电子自旋共振法(ESR)证明自由基中间体相当稳定。自由基中间体在Ru(bpy)33+沉积BDD电极上的还原峰电位在–855.5 mV。通过研究pH值、自由基淬灭剂抗坏血酸、自氧化时间、Fe3+和Cu2+对还原峰电流的影响,证明了–855.5 mV处还原过程确是儿茶素自氧化生成自由基中间体在电极表面的还原峰。据此现象测定儿茶素的线性范围为3.3×10-7 mol/L~1.6×10-4 mol/L,检测下限为1.2×10-7 mol/L。用于测定雅龙公司茶叶提取物中儿茶素的含量结果与HPLC法测定结果非常相近。
　　(3)研制了吡咯-DNA修饰BDD电极,在没经过任何分离操作的情况下,直接测定猪肝中的克伦特洛(CL)(第4章)。在BDD电极表面电聚合一层吡咯膜,利用吡咯膜与DNA电荷相反的特点,在吡咯膜表面自组装一层DNA膜,构建成吡咯-DNA修饰BDD电极。DNA膜使CL在电极表面富集,同时又作为CL氧化还原的电子传导中间体; 吡咯膜有淬灭CL氧化自由基中间体的作用,促使其生成二聚物,双层膜的催化作用使CL在吡咯-DNA修饰BDD电极上氧化还原反应在低电位进行,电流增加明显,实现对CL的定量测定。线性范围为3.4×10-6 mol/L~5×10-4 mol/L,检测下限为8.5×10-7 mol/L,用于测定猪肝中CL的回收率为102.7％,结果令人满意。
　　(4)研究了以BDD电极为基底电极的酪氨酸酶传感器(第5章)。在电极表面电聚合一层对氨基苯酚膜，再将电极插入含40μL 2.5%戊二醛和200μL 5g/L酪氨酸酶(PBS 6.98)混合溶液中放置2h，即制成酪氨酸酶传感器。该酶传感器对酚的催化作用强于以玻碳为基底电极的酪氨酸酶传感器。在浓度为1.0*10-8~1.0*10-5 mol/L的范围内，传感器对邻苯二酚的响应具有良好的线性关系，检测下限为5.2*10-9 mol/L.酶电极的Michaelis-Metent常数(Km)为33.65μmol/L。酶电极对苯酚和对甲苯酚也有良好的响应，线性范围分别为:5.0*10-8~2.0*10-5 mol/L,5.O*10-8~5.0*10-6 mol/L。
　　(5)基于BDD电极优越的电化学特性，研究了Br-和I-在裸BDD电极上的电化学行为(第6章)。Br-和I-在BDD电极上发生了典型不可逆的电化学还原反应，与其在玻碳电极上响应不同。可能的反应模式为:O2在电极表面氧化成H202，Br-和I-先被H2O2氧化生成Br2和I2，再进行电化学还原过程。Br-和I-在BDD电极上的还原峰电位分别为561 mV和125 mV，比它们在GC电极上的还原电位分别负移了228.7 mV和187.5mV。Br-和I-在BDD电极上的线性范围分别为6.66*10-7~1*10-3 mol/L和1.33*10-8~1*10-3 mol/L，检测下限分别为5.3*10-7mol/L和1.67*10-9mol/L。用于测定自来水中的回收率，结果令人满意。
　　2.近年来，关于纳米复合材料合成的研究受到了广大科学工作者的关注，纳米尺度的材料拥有传统材料所没有的物理和化学特性，例如导电性、电化学活性等。但关于纳米复合材料微观结构及其应用，特别是在分析化学领域的应用还少有文献报道。
　　本文第7,8,9章合成了三种新纳米复合材料，对它们的微观结构和电化学特性进行了探讨，并用于制备了生物传感器，具体内容如下:
　　(6)合成了聚苯胺/氧化石墨插层纳米复合材料(PAI/GO，并用红外光谱和X射线衍射(XRD)证实了PAI/GO的成功合成，用透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM研究了PAI/GO的微观结构，PAI/GO是有纳米颗粒组成，而且这些纳米颗粒呈螺旋状分布。PAI/GO在668 mV和207 mV处有明显的方波伏安峰，ssDNA和dsDNA能改变PAI/GO修饰碳糊电极(CPE)中的PAI/GO的氧化还原特性，而PAI/GO修饰CPE对ssDNA和dsDNA电化学氧化还原都有很好的催化作用，ssDNA和dsDNA在电极上的方波电位分别为90.99 mV和18 mV。固定了ssDNA的PAI/GO修饰CPE可以检测DNA的杂交现象，在互补ssNDA溶液中扫描出的杂交峰在一270 mV附近。在最优实验条件下，PAI/GO修饰CPE测得ssDNA的线性范围为34~241μg/mL，固定了ssDNA的PAI/GO修饰CPE测得互补ssDNA的线性范围为275~551μg/mL。
　　(7)用类似层离/吸附法将Fe3+插入氧化石墨层间，再在600℃下H2氛围中还原，合成了C/Fe纳米复合材料(CFN。用XRD证明了纳米材料中的铁是以a-Fe的形式存在，结合TEM图可知c是以碳纳米管的状态存在，a-Fe纳米颗粒分布在碳纳米管的管壁。CFN与石蜡的糊状物压成的CFN糊电极(CFNPE)有很好的电子传导能力，Fe(CN)63-、抗坏血酸、半肌氨酸等在电极上有很好的准可逆电化学反应过程。以CFNPE为基底制备第三代葡萄糖生物传感器，该传感器对葡萄糖又很好的响应，加葡萄糖后，还原电流有显著增加。测定葡萄糖的线性范围为6.67*10-6~1*10-2 mol/L，检测下限为3.17*10-6 mol/L，用于检测血清中的葡萄糖，结果与传统方法的结果相近。
　　(8)用自组装法将半肌氨酸组装到纳米Au颗粒上，合成了半肌氨酸一Au纳米复合材料(CNN)溶胶(第9章)。在玻碳电极表面上，将CNN固定在具有网格结构的Nafion膜上，构建了新的电极界面-GC/Nafion-CNN(GC/NCNN。用扫描电镜(SEM)研究发现，半肌氨酸自组装到纳米Au颗粒表面后，改变了纳米Au颗粒的规则性状，而且颗粒有团聚现象，单个CNN颗粒的大小在30 nm左右;Nafion膜有利于CNN的固定，而且CNN固定到Nafion膜表面后，CNN团聚散开，均匀分布在Nafion膜表面。研究发现，GC/NCNN有较低的背景电流，而且有好的电子传导能力。通过对比不同电极界面(GC/Nafion,GC/CNN,GC/Nafion-nanogold(GC/NN),GC/NCNN)的循环伏安特性，发现Fe(CN)63十在GC/NCNN上的电化学氧化还原反应可逆性最强，也就是说，GC/NCNN有较好的电催化特性;对比不同方法构建的GC/NCNN电化学性质，发现只有将CNN固定在Nafion膜上才能构建出最具电化学活性和稳定的新电极界面。以GC/NCNN为基底研制了第三代辣根过氧化物酶生物传感器，此生物传感器对H20:响应灵敏。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪言

1.1 硼掺杂金刚石(BDD)

1.1.1 BDD 的制备与表征

1.1.2 BDD 电极的电化学性质

1.1.3 BDD 电极的应用

1.2 纳米材料及其在化学/生物分析及传感器中的应用

1.3 本研究工作的构思

第2章 基于 Ru(bpy)_3~(3+)沉积 BDD 电极在维生素 B_1、B_2 存在下对维生素 B_6 的测定

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器与药品

2.2.2 Ru(bpy)_3~(3+)沉积氧化 BDD 电极的制备

2.2.3 检测方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 Ru(bpy)_3~(3+)在氧化硼掺杂金刚石上的电化学行为

2.3.2 VB_6 在 Ru(bpy)_3~(3+)沉积氧化 BDD 电极上的电化学特性

2.3.3 有VB_1 和VB_2 存在下VB_6 在Ru(bpy)_3~(3+)沉积氧化的BDD 电极上的伏安特性

2.3.4 VB_6 在 Ru(bpy)_3~(3+)沉积氧化 BDD 电极上响应机理

2.3.5 Ru(bpy)_3~(3+)膜厚度的影响

2.3.6 扫描速度的影响

2.3.7 pH 值的影响

2.3.8 方波实验条件的优化

2.3.9 电极性能参数的测定及应用

2.4 小结

第3章 基于儿茶素电化学自氧化作用测定儿茶素的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 仪器与试剂

3.2.2 氧化儿茶素溶液的制备

3.2.3 Ru(bpy)_3~(3+)沉积氧化的 BDD 和玻碳电极的制备

3.2.4 测定方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 儿茶素自氧化中间体的 ESR 特征

3.3.2 儿茶素自氧化中间体的电化学特性

3.3.3 自由基中间体在 Ru(bpy)_3~(3+)修饰 BDD 电极上的作用机理

3.3.4 pH 对自氧化的影响

3.3.5 自氧化时间的影响

3.3.6 抗坏血酸的影响

3.3.7 Fe~(2+)和 Cu~(2+)的影响

3.3.8 扫描速度的影响

3.3.9 儿茶素浓度对循环伏安响应的影响

3.3.10 Ru(bpy)_3~(3+)沉积氧化的 BDD 电极的应用

3.4 小结

第4章 基于吡咯-DNA 修饰硼掺杂金刚石电极对猪肝中克伦特洛的测定

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 仪器与试剂

4.2.2 猪肝样品溶液的提取

4.2.3 电极的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 CL 在裸电极上的电化学行为

4.3.2 CL 在不同的修饰电极上的电化学特性

4.3.3 pH 值的影响

4.3.4 吡咯-DNA 修饰 BDD 电极对 CL 的催化机理

4.3.5 扫描速度的影响

4.3.6 吡咯-DNA 修饰 BDD 电极的再生

4.3.7 吡咯-DNA 修饰 BDD 电极的响应特征

4.3.8 猪肝样品中 CL 的测定

4.4 小结

第5章 基于硼掺杂金刚石电极的酪氨酸酶生物传感器的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂与溶液

5.2.2 装置与测量

5.2.3 电极的制作

5.3 结果与讨论

5.3.1 原理

5.3.2 邻苯二酚在酪氨酸酶修饰电极上的循环伏安行为

5.3.3 实验参数的优化

5.3.4 传感器的响应特性

5.3.5 酶电极的重现性与稳定性

5.4 小结

第6章 基于硼掺杂的金刚石电极对 Br-和 I-的测定

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 仪器与试剂

6.2.2 电极

6.2.3 测量方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 BDD 表面的拉曼特征

6.3.2 Br~-和 I~-在 BDD 电极上的循环伏安特性

6.3.3 Br~-和 I~-在 BDD 电极上的氧化和还原

6.3.4 扫描速度的影响

6.3.5 Br~-和 I~-的浓度对循环伏安响应的影响

6.3.6 pH 的影响

6.3.7 计时电流法工作电位的影响

6.3.8 BDD 电极对 Br~-和 I~-的响应特征

6.4 小结

第7章 聚苯胺/氧化石墨插层纳米复合材料与 DNA 的相互作用

7.1 引言

7.2 实验部分

7.2.1 仪器

7.2.2 药品

7.2.3 氧化石墨与聚苯胺/氧化石墨纳米复合材料的制备

7.2.4 PAI/GO 修饰碳糊电极的制备

7.2.5 聚苯胺修饰玻碳电极的制备

7.2.6 ssDNA 在电极上的固定

7.2.7 测定方法

7.3 结果与讨论

7.3.1 聚苯胺/氧化石墨纳米复合材料的表征

7.3.2 PAI/GO 纳米复合材料的电化学特性

7.3.3 PAI/GO 修饰电极与 DNA 的相互作用

7.3.4 实验条件的优化

7.3.5 电极性能参数的测定

7.4 小结

第8章 C/Fe纳米复合材料电化学特性的研究及其用于无电子媒介的葡萄糖生物传感器的制备

8.1 引言

8.2 实验部分

8.2.1 仪器与药品

8.2.2 C/Fe 纳米复合材料的制备

8.2.3 C/Fe 纳米复合材料糊电极的制备

8.2.4 GOD 在 CFNPE 和 CPE 上的固定

8.3 结果与讨论

8.3.1 CFN 的表征

8.3.2 CFNPE 的电化学活性

8.3.3 基于 CFNPE 的无电子媒介的葡萄糖生物传感器的电化学特征

8.3.4 Nafion 的影响

8.3.5 葡萄糖传感器的性能

8.4 小结

第9章 半胱氨酸-纳米Au纳米复合材料电极界面的电化学特性的研究及其用于无电子媒介的辣根过氧化物酶生物传感器的研制

9.1 引言

9.2 实验部分

9.2.1 仪器与试剂

9.2.2 CNN 的制备

9.2.3 GC/NCNN、 GC/Nafion、GC/Nafion-nanogold(GC/NN)、GC/CNN 的制备

9.2.4 HRP 生物传感器的制备

9.3 结果与讨论

9.3.1 CNN 和 GC/NCNN 微观结构的表征

9.3.2 GC/NCNN 的电化学特性

9.3.3 不同电极界面电化学特性的比较

9.3.4 膜构建方法对膜的影响

9.3.5 半胱氨酸的影响

9.3.6 基于 GC/NCNN 的无电子媒介 HRP 生物传感器的研制

9.4 小结

结论

参考文献

致谢

附录A ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录)