基于新型納米結(jié)構(gòu)材料的葡萄糖生物傳感器的研究.pdf

1、納米材料是指在三維空間至少有一維處于納米尺度范圍或以納米結(jié)構(gòu)為基本單元所構(gòu)成的材料，其所表現(xiàn)出來(lái)的在化學(xué)、機(jī)械、電子、磁學(xué)及光學(xué)等方面的特異性能，引起了眾多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者的廣泛關(guān)注，是20世紀(jì)末以來(lái)的熱門研究課題之一。 隨著納米科技的迅速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要考慮單個(gè)納米粒子的性質(zhì)，同時(shí)要考慮納米粒子所組成的材料的整體行為。很多研究表明，任何宏觀材料的功能均源于組成該材料單元之間相互作用的結(jié)果，在一個(gè)復(fù)雜體系

2、中可以觀察到單個(gè)組分所不具備的性質(zhì)。因此，納米材料的進(jìn)一步發(fā)展是制備或組裝納米結(jié)構(gòu)材料或器件。納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定的規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。納米結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)筑單元包括納米微粒、納米線、納米棒，納米絲等，這些具有特殊性能的納米尺度單元賦予了由其構(gòu)筑的有序結(jié)構(gòu)材料不同于本體材料的性質(zhì)，這為設(shè)計(jì)具有特殊光、電、催化特性的裝置提供了新的選擇。 生物體內(nèi)活性物質(zhì)的分析和檢測(cè)，對(duì)獲取生命過(guò)程中的化學(xué)與生物信息、了

3、解生物分子的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、闡釋生命活動(dòng)的機(jī)理以及疾病的診斷都具有重要的意義。隨著生命科學(xué)研究的不斷深入，人們對(duì)生物體的研究也由器官、組織達(dá)到了細(xì)胞、單分子層次，我們迫切需要在更加微觀的尺度上原位、活體、實(shí)時(shí)地獲取相關(guān)生物化學(xué)信息，許多傳統(tǒng)的、常規(guī)的生物分析方法與手段面臨著極大的挑戰(zhàn)。納米材料由于其特異的表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，其電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)等呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。如果將納米材料用于生物傳感器

4、中電極的修飾，基于其尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等，電極將呈現(xiàn)電催化作用，降低底物過(guò)電位，使可能的干擾及背景降至最小，如果進(jìn)一步將納米材料按一定的規(guī)律組裝或改造，改善材料的生物兼容性，就有可能構(gòu)造出滿足生物分子識(shí)別過(guò)程中保持其生物活性、穩(wěn)定性以及空間定向的微環(huán)境，從而進(jìn)一步建立生物分子與納米微粒的連接，開(kāi)發(fā)新型的納米生物傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的識(shí)別和檢測(cè)。 本論文的工作主要集中在納米技術(shù)與生物電分析相結(jié)合最活躍的研究領(lǐng)域之一——新型納米結(jié)

5、構(gòu)材料修飾電極的研制。論文重點(diǎn)研究了一些新型納米結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑以及這些材料修飾電極用于葡萄糖分子檢測(cè)時(shí)表現(xiàn)出的優(yōu)越性能。此外，論文的另一個(gè)工作重點(diǎn)在于將研制的新型納米結(jié)構(gòu)材料修飾電極用于實(shí)際樣品中葡萄糖的檢測(cè)，這為生命科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的方法。論文工作努力實(shí)現(xiàn)將納米結(jié)構(gòu)材料、生命科學(xué)、電分析化學(xué)三者相結(jié)合，具體內(nèi)容如下： 1．模板法合成聚苯胺/聚丙烯酸復(fù)合納米陣列及其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的研究導(dǎo)電高分子所具有的特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)

6、異的物理化學(xué)性質(zhì)使它在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導(dǎo)線和分子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。聚苯胺(PAn)作為導(dǎo)電聚合物的杰出代表之一，由于其具有電導(dǎo)率高、摻雜態(tài)和未摻雜態(tài)的環(huán)境穩(wěn)定性好、易于合成、單體成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有實(shí)際應(yīng)用前景的導(dǎo)電聚合物之一。 本文以多孔溶膠-凝膠(PSG)為模板，在聚丙烯酸(PAA)存在條件下，電化學(xué)聚合苯胺(An)單體，在PSG孔道中獲得了有序PAn/PAA納米陣列，其電化學(xué)行為類似電

7、極間排列緊密又相互獨(dú)立的納米電極系統(tǒng)。該納米陣列進(jìn)一步固定葡萄糖氧化酶(GOD)并修飾Nation后制成了葡萄糖生物傳感器，由于PAn良好的導(dǎo)電性，PSG良好的生物兼容性以及PAA的摻雜，該傳感器在中性條件下對(duì)葡萄糖表現(xiàn)出了良好的催化氧化作用，相比于PAn/PAA修飾電極，大大提高了檢測(cè)的靈敏度。 2．模板法制備金納米管及其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的研究自Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管之日起，各種納米管狀材料由于其特殊的性質(zhì)引起了人們?cè)?/p>

8、來(lái)越廣泛的關(guān)注。在各種制備納米管的方法中，C．R．Martin開(kāi)創(chuàng)的模板法是制備金屬納米管最常用最有效的方法。本文對(duì)多孔氧化鋁膜的納米孔道進(jìn)行氨基修飾并以此為模板，通過(guò)對(duì)納米金粒子的沉積成功制備了金納米管(AuNTs)并用SEM對(duì)其結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了表征。在AuNTs修飾的玻碳電極表面，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖氧化酶的固定，制成了新型的葡萄糖生物傳感器。由于AuNTs良好的催化性能、特殊的管狀結(jié)構(gòu)和生物兼容性，該傳感器大大降低了檢測(cè)的過(guò)電位，提

9、高了電流響應(yīng)值，增加了酶的固載量并保持了固定化酶良好的催化活性。 3．模板法制備多孔金納米材料及其應(yīng)用于葡萄糖生物傳感器的研究金溶膠由于其成熟的制備方法、穩(wěn)定的性質(zhì)以及良好的催化效果而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如制作微小的電子器件、制備各種新型納米材料等。在電分析化學(xué)領(lǐng)域，基于金膠的比表面積大、表面活性中心多、反應(yīng)活性高、吸附能力強(qiáng)、有比較良好的穩(wěn)定性和催化性能，人們常將金溶膠固定在電極表面用于自組裝電極的設(shè)計(jì)和制備各種具有特定功能