基于纳米修饰电极的新型电化学生物传感器研究

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生物传感器是一种基于生命科学、化学、医学和信息科学等交叉学科发展起来的新型分析技术。该技术利用酶、抗体等生物活性物质作为识别元件,可将生物识别反应引起的微小变化转化成可测量的物理或化学信号,从而实现对生物或化学物质的定量的检测。基于各种电分析方法构建起来的电化学生物传感器具有灵敏度高,操作方便,分析速度快等优点,近年来在医学、食品和环境等分析领域都表现出了良好的发展前景。构建电化学生物传感器的关键在于如何将高含量的生物大分子稳定的固定在电极表面并保持其良好的生物活性。纳米材料具有比表面积大,吸附力强,生物兼容性好,电子传递快等优点,将其用于电极表面的修饰材料,可以大大提高生物活性分子的固定量、稳定性和生物活性,从而较好提高生物传感器的分析性能。本论文将纳米修饰电极与电化学生物传感技术相结合,主要开展了以下三个方面的研究工作:1基于多孔磁性微球/过氧化物酶修饰电极直接电化学行为的过氧化氢传感器将制备的多孔磁性微球(PMMS)用于碳糊电极的修饰,并结合戊二醛交联法将过氧化物酶(POD)固定于PMMS表面制备成修饰电极。通过电化学阻抗法、循环伏安法和稳态安培法等电化学方法对该修饰电极进行表征和研究。系统地考察了底液pH值,扫描速率对修饰电极电化学行为的影响,确定了最佳实验条件。计算出底物H2O2的扩散系数D为5.03×10-10cm2·s-1,表征酶活性的米氏常数为0.069mmol·L-1。在优化条件下,考察了该修饰电极对H2O2的稳态安培响应。在0.1mmol·L-10.8mmol·L-1浓度范围内,稳态安培电流与H2O2浓度成较好线性关系,检测限为0.03mmol·L-1(S/N=3)。2基于石墨烯-聚硫堇-金纳米粒子修饰电极的非标记电化学免疫传感在PDDA功能化石墨烯修饰电极基础上,结合聚硫堇和金纳米粒子组装构建成可用于人IgG准确检测的非标记电化学免疫传感器。研究表明,硫堇可在PDDA功能化石墨烯修饰电极表面更好的实现均匀、稳定和高含量聚合。在构建的免疫传感器基础上,通过示差脉冲伏安法(DPV),结合直接免疫分析考察了不同浓度抗原与之免疫结合引起的聚硫堇电化学信号的降低情况,从而构建起新型非标记电化学免疫分析方法。在优化条件下,传感器DPV电流的降低与抗原浓度的对数值在0.2ng·mL-1200ng·mL-1浓度范围内成较好线性关系,检测限为0.08ng·mL-1(S/N=3)。3石墨烯/硫堇纳米复合物的原位制备及其在高灵敏电化学免疫传感中的应用利用硫堇作为氧化石墨烯的还原剂和保护剂,一步、原位制备成具有良好电化学活性的石墨烯/硫堇纳米复合物,并以此修饰玻碳电极后通过金纳米粒子的进一步组装和抗体固定制备成免疫传感器。在构建的免疫传感器上,一方面通过免疫反应形成的抗原-抗体复合物可有效抑制硫堇的电化学信号响应;另一方面,通过夹心免疫分析捕获的抗体功能化硅纳米球还可进一步放大免疫分析的信号抑制程度,从而大大提高了免疫分析方法的检测灵敏度,构建起高灵敏、低成本、操作方便的电化学免疫分析新方法。该传感器的线性范围为0.01ng·mL-110ng·mL-1,检测限为7pg·mL-1(S/N=3)。
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