基于纳米材料构建的生物传感器应用于多组分小分子检测的研究

【摘要】生物小分子在人体新陈代谢及生命过程中起着重要作用,与人类的健康息息相关,快速、灵敏的同时检测生物小分子对研究人类的生理功能和疾病早期诊断具有重要意义。电化学检测手段因其选择性好、灵敏度高、操作简单、成本低等优势引起人们的关注并用于生物小分子的检测。然而,固体电极不具备分子识别功能,且许多物质在裸电极上具有较高的过电位,难以实现对目标分子同时检测。为满足快速、灵敏、准确、高效检测,就必须在裸电极上人工设计制作具有特殊功能的表面微结构,用以实现对目标物的选择性检测,提高电极的灵敏度和准确性。纳米材料具有独特的光、电、磁及化学性质,表面富含各种官能团表现出良好生物相容性,能保持生物分子活性,使其在构建高灵敏、高通量、高稳定电化学生物传感器方面表现出巨大潜力。而复合纳米材料将不同性质的多种材料结合在一起,使得在一种材料上兼具多种特殊功能或优化、突出原来材料的优良性能。由于复合材料聚集了多种纳米材料的优良性能,为构建新型电化学生物传感器的研究开辟了更为广阔的领域。基于以上分析,本文利用成膜性好、适合水相体系复合纳米材料,构建界面组装简单可控的新型小分子生物传感器,用于在同一敏感界面同时检测多种生物小分子。具体研究如下：1.基于La-MWCNTs纳米复合物构建同时检测多巴胺、抗坏血酸、尿酸和亚硝酸根离子传感器的研究基于碳纳米管(CNTs)所构建的电化学生物传感器具有灵敏度高,稳定性好,线性范围宽等优点。但纯净的CNTs在有机溶剂和水中都表现了很差的溶解性,限制了其在传感器中的应用。本工作通过简单的方法制备La-MWCNTs复合物,在一定程度上善了MWCNTs的7k溶性,其良好的成膜性使得修饰电极表面变得疏松多孔,从而有利于氧化电位相近的小分子识别。与MWCNTs修饰电极相比La-MWCNTs/GCE对同时检测AA、DA、UA和NO2″具有更优的响应信号且能最大限度的分离它们。同时La-MWCNTs表面所带有活性基团能有效降低电化学氧化产物的残留问题。有助于增强电极的稳定性和重现性。2.合成具有管状结构的GS-PTCA复合纳米材料构建同时检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸和色氨酸传感器的研究石墨烯(GS)是另一种重要的碳材料,相比与碳纳米管,石墨烯具有更高的电子传输速率,良好的导电性和电化学稳定性,使其成为设计新型传感器有潜力的纳米材料。为增强GS的水溶性,以富含羧基官能团且较高的结晶度与较小的分子间隙的花四甲酸(PTCA),在超声作用下通过π-π堆积作用将GS与PTCA结合在一起获得具有管状结构的GS-PTCA复合纳米材料。由于GS-PTCA复合纳米材料表面带有大量羧基官能团,大大增强了GS的水溶性,进而优化石墨烯的在传感器上的性能。此外由于大量的羧酸官能团附着在电极表面,可以通过氢键作用提供一个对AA、DA、UA和Trp选择性界面。加之π-π键作用使得DA和其它小分子在GS-PTCA的电化学行为不同,有利于多组分小分子的同时检测。对比其它修饰电极,GS-PTCA修饰的玻碳电极对同时检测AA、DA、UA和Trp表现出较高的催化活性及选择性。经实验研究表明,该传感器构建方法简单,大大提高了传感器应用于同时检测多组分小分子的选择性。3.基于沉积金/苝四甲酸衍生物复合材料构建同时检测抗坏血酸、多巴胺和尿酸传感器的研究通过水解花四甲酸二酐(PTCDA)制得的芳香族化合物花四甲酸(PTCA),由于其具有导电性、大的表面积和多孔的纳米结构而成为一种理想的电极修饰纳米材料。与纯净的碳纳米管和石墨烯相比,PTCA表面带有大量的活性基团,不仅水溶性好且有利于进一步功能设计。首先以花四甲酸(PTCA)和L-半胱氨酸(Cys)作为原料制备得到纳米复合物(PTCA-Cys)滴涂于玻碳电极表面。然后在其表面沉积上一层纳米金,制备出DpAu/PTCA-Cys修饰的玻碳电极。PTCA-Cys纳米膜不仅能够提供巯基功能化的传感界面,还能在电极上形成一层稳定的具有表面疏松多孔的薄膜。多孔的表层结构能有效的分散金属纳米粒子并且产生额外的催化位点,这对于区分氧化峰电位相近的小分子十分有利。使得修饰电极对抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)和尿酸(UA)表现出了优良的电催化活性和较高的选择性。
【作者】张纹；
【导师】柴雅琴；
【作者基本信息】西南大学，无机化学，2014，硕士
【关键词】生物传感器；生物小分子；纳米材料；同时检测；

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