基于石墨烯纳米复合材料的电化学手性传感器研究

【摘要】一种物质不能与其镜像重合的特征称为手性。手性是生命体的重要特征之一,手性识别研究在医药、生命科学、食品科学及材料科学领域中具有重要应用价值。手性分子及手性药物的对映异构体在体内代谢过程、药理活性、及毒性等存在显著差异,有的甚至作用相反。因此,发展简单、快速、灵敏和低成本的手性识别方法具有重大理论与实际意义。目前,已经发展起来并取得一定成果的识别方法很多,其中,电化学方法,因操作简便、检测速度快、响应灵敏度较高,以及成本相对较低而受到广大分析化学研究者的青睐。纳米材料及其复合材料,基于自身多种优越的性能,应用于电化学手性识别,无疑为电分析化学开拓了新的发展前景。本文主要将石墨烯纳米复合材料用于构建新型手性传感表面,增大响应信号,提高灵敏度,实现对小分子的电化学手性识别。主要研究内容有如下三个部分：1.合成硫堇-石墨烯(THi-GR)纳米复合材料修饰在玻碳电极上,利用相反电荷吸附技术固载鱼精子双链DNA(ds-DNA)构建手性表面,借助ds-DNA与Cu(II)络合物之间的静电作用,识别色氨酸。采用扫描电子显微镜、紫外-可见光谱技术表征了手性表面的表面形态和结构；采用循环伏安法对比研究了Cu(II)是否存在下,ds-DNA与色氨酸对映异构体之间的选择性识别作用,说明Cu(II)在识别中发挥了重要作用；研究了目标分析物浓度、底液pH值和孵育时间对手性识别的影响,计算了手性表面与色氨酸Cu(II)络合物形成复合物的络合常数。实验结果表明：在Cu(II)存在下,该手性传感器对L-色氨酸Cu(11)络合物电流响应更强,能识别色氨酸对映异构体；THi-GR纳米复合材料的引入,既可作为氧化还原探针产生电化学信号,加快电子转移速率,又能保持ds-DNA活性,且手性表面与色氨酸Cu(11)络合物形成的复合物还起到了导线的作用,加速手性识别过程,提高响应灵敏度。该手性传感器为其他手性分子及手性药物的电化学识别提供了一个新模型,以及为新DNA靶药设计提供一些有用信息。2.制备甲苯胺蓝功能化还原石墨烯(TBO@rGO)纳米片层材料修饰在玻碳电极表面上,将牛血清白蛋白修饰于该纳米界面构建无试剂型手性传感器,并用于手性药物萘普生的识别研究。甲苯胺蓝具有良好的电活性、水溶性及正电性,还原石墨烯具有大的比表面积、加快电子转移能力及良好的生物相容性,将两者结合得到了具有双重功能的纳米片层材料,既作为氧化还原探针且能增大电流响应信号,又能通过相反电荷吸附技术,尽可能多地固载牛血清白蛋白并保持其活性。该实验采用扫描电子显微镜、紫外-可见光谱技术表征了牛血清白蛋白生物功能化的还原石墨烯纳米材料的形态和结构；采用循环伏安法研究了构建的手性表面的电化学性质并讨论动力学参数；通过循环伏安法和石英晶体微天平研究了牛血清白蛋白与萘普生对映异构体的作用；考察了目标分析物浓度、底液pH值和孵育时间对手性识别的影响。实验结果表明：牛血清白蛋白修饰表面对R-萘普生的电化学响应更强。TBO@rGO纳米片层材料具有优异的电化学性能,在电化学和传感器设计中存在潜在应用价值。3.采用“一步法”合成石墨烯纳米金(AuNPs/GNs)复合材料,然后融入手性选择剂(β-环糊精)和壳聚糖,通过简单混合技术制备具有识别功能的手性纳米杂化材料(CS/β-CD/AuNPs/GNs),将该杂化材料修饰在玻碳电极表面上,简单地构建了一个手性纳米传感平台,并成功用于手性药物萘普生的电化学识别。所得到的手性纳米杂化材料通过紫外-可见光谱、红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等技术进行了表征。以[Fe(CN)6]4-13-为氧化还原探针,采用差分脉冲伏安法和循环伏安法研究该手性表面与萘普生对映异构体之间的作用,并比较了不同界面对识别萘普生的影响。实验研究了目标分析物浓度、孵育pH值和孵育时间对手性识别的影响。实验结果表明：该手性表面与S-萘普生作用更强。该手性纳米杂化材料及手性传感器制备简单,符合“绿色化学”理念,为石墨烯的应用及新型手性传感器的设计提供了一些参考。
【作者】郭丽菊；
【导师】傅英姿；
【作者基本信息】西南大学，分析化学，2014，硕士
【关键词】纳米复合材料；手性表面；手性识别；电化学研究；

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