（应用化学专业论文）基于无机层状纳米材料的新型电化学生物传感器的研究.pdf

北京化下人学博上研究生学位论文 基于无机层状纳米材料的新型电化学生物传感器的研究 摘要 生物传感器在医学、环境监测、食品及军事等领域有着重要的应 用价值，已引起世界各国的极大关注。层状纳米材料具有结构规整、 化学组成可调变及可插层组装等特性，而且层状纳米材料剥层后的纳 米片具有更开放的结构。本课题基于层状二氧化锰、磷酸锆及其纳米 片材料制备新型电化学生物传感器，得到的生物传感器具有良好的稳 定性、抗干扰性等，为新型电化学生物传感器的开发提供了新思路， 具有广阔的应用前景。 1 采用生物相容性材料一磷酸锆纳米片( z r p n s ) 固定辣根过氧 化酶( h r p ) ，x 射线衍射( x r d ) 结果表明z r p n s 在h r p z r p n s 膜中 保持无序结构。傅立叶变换红外光普( f t i r ) 结果表明h r p 在z r p n s 膜中保持了其基本结构。h r p z r p n s 修饰玻碳电极( g c e ) 实现了h r p 的! 氙接电化学。以此为基础制备了第三代h 2 0 2 生物传感器，该传感 器对h 2 0 2 具有较快的响应时间和较宽的线性响应范围。 2 利用带相反电荷的肌红蛋白( m b ) 和z r p n s 之间的静电吸引作 用在固体基质表面交替吸附制备了 m b z r p n s 盯层层自组装电活性 薄膜，用电化学交流阻抗谱( e i s ) 监测和证明了膜的线性生长。场发射 扫描电镜( f e s e m ) 结果表明z r p n s 在 m b z r p n s ) 厅层层自组装薄膜中 趋向平行予固体基质表面而使组装薄膜非常平滑。该薄膜修饰g c e 北京化工人学博卜研究生学位论文 在空白底液中出现了一对峰形良好、几乎可逆的m b 亚铁血红素 f e f e l l 的氧化还原峰，表明m b 在该膜内实现了与g c e 表面的直接 电子转移。与其它用非导电纳米粒子或聚离子与m b 层层自组装薄膜 相比， m b z r p n s ) 疗膜具有许多优异的性能，如m b 高的表面覆盖度 旷) ，对h 2 0 2 良好的电催化活性等。 3 以阳离子型生物相容性聚合物一阳离子纤维素( q y ) 为固定化 载体固定葡萄糖氧化酶( g o d ) ，f t i r 、紫外可见光谱( u v - v i s ) 、圆 二色光谱( c d ) 结果表明g o d 在q y 膜中保持了它的基本结构。用 f e s e m 对聚合物膜以及酶膜的表面形貌进行了研究。以q y 为固定 化载体固定g o d 制备的第一代葡萄糖生物传感器对葡萄糖响应迅 速，并具有较高的灵敏度。以二茂铁为电子媒介体制备了第二代葡萄 糖生物传感器，该媒介体型葡萄糖生物传感器表现出良好的抗干扰能 力，对葡萄糖的线性响应范围也进一步扩展。q y 价格低廉，而且固 定化方法简便，因此这种基于q y 的生物传感器有望获得实际应用。 4 利用生物相容性聚合物q y 一二氧化锰纳米片( m n s ) 纳米复 合材料固定h r p ，f t i r 和c d 结果表明h r p 在q y - m n s 膜中保持 了其基本结构。h r p 。q y - m n s 修饰g c e 在空白底液中于一o 2 7 2v ( v s a g a g c l ) 处出现了一对几乎可逆的氧化还原峰，表明h r p 在该膜内 实现了和电极之问的直接电子转移。与固定h r p 的其它材料相比， 这种有机一无机纳米复合材料修饰酶电极展示出许多优良的性能：较 高的表面覆盖度、较快的响应、对h 2 0 2 良好的电催化活性以及良好 的长期稳定性等。 北京化丁大学博1 j 研究生学位论文 5 用剥离再组装方法把亚甲基蓝( m b ) 插入到层状二氧化锰 ( b i m e s s i t e 简写为b i r ) 层间制备了超分子插层结构的m b 插层二氧化 锰( m b b i r ) ，用x r d 、f t i r 及电化学方法对这种材料进行了表征。 以m b b i r 作为电子媒介体制备了新型无试剂型h 2 0 2 电化学生物传 感器。循环伏安和安培测试结果表明把m b 以这种方式固定后可以稳 定有效地在h i 心和电极之间传递电子。该生物传感器对h 2 0 2 具有良 好的响应性能，此外该传感器也具有良好的稳定性和抗干扰性。 关键词：电化学生物传感器，辣根过氧化酶，葡萄糖氧化酶，纳米片， 磷酸锆，二氧化锰，阳离子纤维素，亚甲基蓝，层层自组装 l i l 北京化工人学博 ：研究生学位论文 f a b r i c a t i o no fn o v e le l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o rb a s e do nl a y e r e dn a n o m 队t e r i a l s a b s t r a c t b i o s e n s o rp o s s e s s e s i m p o r t a n tv a l u ei n p h y s i c ， e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，f o o da n dm i li t a 叫，a n di th a sc a u s e dg r e a tc o n c e mt oa 1 1 c o u n t r i e si nt h ew o r l d l a y e r e dn a n o m a t e d a l sh a v em a n ys p e c i a l i t i e s ， s u c ha s o r d e r i ys t l l l c t u r e ，a d j u s t a b l e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ， i n t e r c a l a t i o n a b l e ，a s s e m b l i a b l e ， a n dn a n o s h e e t so b t a i n e d行o mt h e d e l a m i n a t i o no fl a y e r e dn a n o m a t e r i a lsh a v eam o r eo p e ns t r u c t u r e n o v e l e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r sh a v eb e e nf a b r i c a t e db a s e do nz i r c o n i u m p h o s p h a t e ，l a y e r e dm a n g a n e s eo x i d e ，a n dn a n o s h e e t sg a i n e df 如mt h e s e l a y e r e dn a n o m a t e n a l si n t h i s t o p i c t h e s eb i o s e n s o r s p o s s e s sg o o d s t a b i l i t y ，a n t i i n t e 疵i e n c e ，a n do t h e rf a v o r a b l ep r o p e r t i e s i tp r o v i d e sa n e wi d e at o d e v e l o pn e wt y p eo fe l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r s ，a n di th a s b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s 1 h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) h a sb e e ni m m o b i l i z e di nz i r c o n i u m p h o s p h a t en a n o s h e e t s ( z r p n s ) w h i c ha i e d e r i v e dv 觑t h ed e l a m i n a t i o no f l a y e r e d0 【- z i l o n i u mp h o s p h a t e ( q z r p ) x r a yp o w d e rd if h a c t i o n ( x r d ) i v 北京化工大学博：b 研究生学位论文 a n df i e l de m i s s i o n s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y( f e s e m )r e s u l t s r e v e a l e dt h a th r p z r p n sf i l mr e m a i n e du n o r d e r l ys t l l j c t u r ef o rt h ee f l f e c t o fh r p f o u 打e rt r a n s f o m li n 触r e d ( f t i r ) s p e c t r ar e s u l t sr e v e a l e dt h a t h r pa l m o s tr e m a in e dt h eb a s a ls t r u c t u r ei nz r p n sf i l m d i r e c t e l e c t r o c h e m i s t 巧o f h r pi nz r p n s6 l mw a si n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e s e ， at h i r d g e n e r a t i o nr e a g e n t l e s s b i o s e n s o rw a sc o n s t m c t e df o rt h e d e t e n m i n a t i o no fh y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 ) r a p i di e s p o n s ea n dw i d e l i n e a rr a n g et oh 2 0 2h a sb e e no b t a i n e dw i t ht h i sb i o s 铋s o r 2 a l t e m a t ea d s o 巾t i o no fo p p o s i t e l yc h a r g e dm y o g l o b i n ( m b ) a n d z r p n sw e r eu s e dt oa s s e m b l e m b z r p n s ，l a y e r - b y l a y e rf i l m so ns o l i d s u r f a c e s b y e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) w a su s e dt om o n i t o ro rc o n f i r mt h eg r o 、矾h o ft h e6 l m s f e s e mr e s u l t si n d i c a t et h a te d g e so fz r p n so v e r l a pw i m e a c ho t h e ra n da r ef a i n t l yr e c o g n i z e d ，a n das m o o t hf i l mw i t h o u tc r a c k s w a sf o 咖e do nt h es u r f a c eo ft h es u b s t r a t e t h ed i r e c te l e c t r o c h e m i s t 叫o f m bw a sr e a l i z e di n m b z r p n s 疗行1 m sa tg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e s ( g c e ) ， s h o w i n gap a i ro fw e l l d e 6 n e d ，n e a r l yr e v e r s i b l ec y c l i cv o l t a m m e t i y ( c v ) p e a k sf o rt h em b h e m ef e l f e 1r e d o xc o u p l e c o m p a r e dw i t ho t h e rm b i a y e r - b y l a y e r f i l m sw i t hn o n c o n d u c t i v e n a n o p a r t i c l e s o r p o l y i o n s ， m b z r p n s f i l m ss h o w e dm u c hi m p r o v e dp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i 曲e r s u r f a c ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o a c t i v em b ( 厂车) ，a n db e t t e re l e c t r o c a t a l ”i c a c t i v i t yt o w a r dr e d u c t i o no fh 2 0 2 北京化丁大学博。卜研究生学位论文 3 ac a t i o n i cb i o c o m p a t i b l ep o l y m e r _ p o l y q u a t e m i u m ( q y ) h a sb e e n u s e dt oi m m o b i l i z eg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) f t i rs p e c t r o p h o t o m e t e r ， c i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) a n du l t r a v i o l e t v i s b l e ( u v 二v i s ) r e s u l t si n d i c a t e t h a tg o dr e t a i n si t sb a s a ls t r u c m r ew i t h i nt h ep 0 1 y m e rf i l m t h ef o mo f t h eq yf i l ma n ds y n t h e s i z e dc o m p o s i t ef i l mh a v eb e e nc h a r a c t 嘶z e du s i n g f e s e m t h ef i r s t g e n e r a t i o ng l u c o s eb i o s e n s o rb a s e do nq ye x h i b i t s r a p i dr e s p o n s ea n dg o o ds e n s i t i v i t y i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e 订s t i c so ft h e s e c o n d g e n e r a t i o nb i o s e n s o rw i t hf e r r o c e n e ( f c ) a sa ne l e c t r o nm e d i a t o r h a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d t h ef cm e d i a t e db i o s e n s o re x h i b i t sag o o d a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，a n dt h ee x t e n d e dl i n e a rr a n g e f u r t h e l l m o r e ，q y i si n e x p e n s i v e ，a n dt h ee n z y m ei m m o b i l i z a t i o nm e t h o di sv e qs i m p l e ， w h i c hm a k et h eb i o s e n s o rb ep r o m i s i n gf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n 4 an o v e l b i o c o m p a t i b l ep o l y q u a t e m i u m( q y ) 一m a n g a n e s eo x i d e n a n o s h e e t ( m n s ) n a n o c o m p o s i t eh a sb e e np i e p a r e da n ds h o w nt ob ea p r o m i s i n gm a t r i xf o rh o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) i m m o b i l i z a t i o n t h e r e s u l t i n gh r p - q y m n sf i l mw a sc h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r m i n 疗a r e d ( f t i r ) a n dc i r c u l a rd i c h r o i s m( c d ) s p e c t r o s c o p y ， w h i c h i n d i c a t e dt h a th r pr e t a i n e di t sn a t i v es t m c t u r ei nt h en a n o c o m p o s i t ef i l m a nh r p q y m n sf i l m m o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ee x h i b i t e dap a i r o fw e l l 一d e f i n e da n dq u a s i - r e v e r s i b l ec y c l i cv 0 1 t a m m e t r i cp e a k sc e n t e r e da t o 2 7 2v ( v s a a g c l ) i np h7 op h o s p h a t eb u f f e rs 0 1 u t i o n t h ed i r e c t e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fh i 冲w a sg r e a t l ye n h a n c e di nt h eq y m ns v l 北京化工人学博 ：研究生学位论文 n a n o c o m p o s i t ef i l mc o m p a r e dw i t ht h a ti ns i n g l e c o m p o n e n tq y o rm n s 蠡1 m s t h ei m m o b i l i z e dh r ps h o w e de x c e l l e n te l e c t r o c a t a l y s i si nt h e r e ( 1 u c t i o no fh y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 ) ，w h i c hw a se x p l o i t e di nt h e c o n s t r u c t i o no fa nh 2 0 2b i o s e n s o r t h eb i o s e n s o re x h i b i t e dr 印i dr e s p o n s e a n dg o o d l o n g t e m ls t a b i l i t y 5 m e t h y l e n eb l u e ( m b ) h a sb e e ni n t e r c a l a t e di n t ol a y e r e dm a n g a n e s e o x i d e ( b i m e s s i t e ，s h o r t e n i n ga sb i r ) b yad e l a m i n a t i o n r e a s s e m b l yp r o c e s s a n dt h e r e s u l t i n g m b - i n t e r c a l a t e db i m e s s i t e ( m b b i r ) m a t e i l i a l c h a r a c t e r i z e d b yx i t d ， f t i r s p e c t r o s c o p y ， a n de l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e m e n t s an o v e lr e a g e n t l e s s h y d r o g e np e r o x i d eb i o s e n s o r w a s f a b n c a t e d b yu s i n g t h em b b i ra sa ne l e c t r o nm e d i a t o r c y c l i c v o l t a m m e t 巧 a n d a m p e r o m e t r i cm e a s u r e m e n t s d e m o n s t r a t e dt h a tm b e o i m m o b i l i z e dw i t hh r pd i s p l a y e dg o o ds t a b i l i t ya n dt h a te l e c t r o n sw e r e e 币c i e n t l ys h u t t l e db e t w e e nh r pa n dt h ee l e c t r o d e t h eb i o s e n s o rs h o w e d g o o dp r o p e n i e s m o r e o v e r ，t h eb i o s e n s o re x h i b i t e dag o o ds t a b i l i t ya n d a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y k e y w o r d s ： e l e c t r o c h e m ic a lb io s e n s o r ，h o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e ， g j u g o s eo x i d a s e ，n a n o s h e e t ，0 【一z i r c o n i u mp h o s p h a t e ，m a n g a n e s eo x i d e ， p o l y q u a n t e m i u m ，m e t h y i e n eb l u e ，l a y e r b y - l a y e rs e l f - a s s e m b l y v l i 北京化t 人学博十研究生学位论文 a f m b i r b l m c d c v d n a e i s f e s e m f t i r g c e g o d h r p i u p a c l d h s l o x m m b m b f n s m q t p a n p b s p d a n p l p p o p p y p s s p v b q y s a m 符号说明 a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e 原子力显微镜 b i m e s s i t e 二氧化锰 b i l a y e rl i p i dm e m b r a i l e 双层脂膜 c i r c u l a rd i c h r o i s m圆二色 c y c l i cv 0 l t a m m e t i - y 循环伏安 d e o x 州b o n u c l e i ca c i d脱氧核糖核酸 e l e c t r o c h e m i c a “m p e d a n c es p e c t r a电化学阻抗谱 f i e l d - e m i s s i o ns c a r u l i n ge l e c 仃o m i c r o s c o p e 场发射扫描电镜 f o 埘e r 胁s f 0 加i n 触r e d傅立叶变换红外 g 1 a s s yc a r b o ne l e c t r o d e玻碳电极 g l u c o s eo x i d a s e 葡萄糖氧化酶 h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e 辣根过氧化物酶 i n t e m a t i o n a lu n i o no fp u r ea n da p p l i e dc h e m i s t 叫国际纯粹和应用化学 联合会 l a y e r e dd o u b l eh y d r o x i d e s 层状双羟基复合金属氧化物( 水滑石) l a c t a t eo x i d a s e 乳酸氧化酶 m e d i a t o r 电子媒介体 m y o g l o b i n 肌红蛋白 m e t l l y l e n eb l u e 亚甲基蓝 m a n g a n e s eo x i d en a n o s h e e t二氧化锰纳米片 m a c r o s c o p i cq u a n t u mt i l n n e l i n g宏观量子隧道效应 p o l y a n i l i n e聚苯胺 p h o s p h a t eb u 行e rs o l u t i o n 磷酸盐缓冲溶液 p o l y p h e n y l e n e d i a m i n e 聚邻( 问) 苯二胺 i s o e l e c t r i cp o i n t等电点 p o l y p h e n o lo x i d a s e多酚氧化酶 p o l y p y n d l e 聚吡咯 p o l y ( s o d i u m4 一s t y r e n e s u l f o n a t e )聚磺化苯乙烯 p o l y v i n y l b u t y r a i s 聚乙烯缩丁醛 p o l y q u a n t e m u m 阳离子纤维素 s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a v e r 自组装单层 x v i i 北京化t 大学博上研究生学位论文 t c a t e m t m a u v 二v i s x r d q z r p z r p n s c 罾 厶e p k 孤 锄 l p c 气 b 严p 勉 r t r 嘶c h l o r o a c e t i ca c i d 三氯乙酸 t r a n s m i s s i o ne l e c t r o m i c r o s c o p e透射电镜 t e t 瑚n e t h y l a m m o n i u mh y d r o x i d e四甲基氢氧化铵 u 1 t r a v i 0 1 e t - v i s b l e 紫外可见 x r a yd i 倍a c t i o nx 射线衍射 仅z i r c o n i 啪p h o s p h a t ea 一磷酸锆 z i r c o n i 啪p h o s p h a t en a n o s h e e t磷酸锆纳米片 b u l kc o n c e n t r a t i o no ft h es u b s t r a t e底物浓度( m 0 1 l - 1 ) a p p a r e n tf o m l a lp e a l ( p o t e n t i a l式量电位( v ) p e a k t o - p e a ks 印a r a t i o n 峰峰电位差( m a x i m u mc u 瑚e n t 最大电流( a ) a n o d i cp e a kc u e n t 阳极峰电流( a ) c a t h o d i cp e a kc u 玎e n t 阴极峰电流( a ) s t e a d y s t a t ec u n e n t稳态电流( a ) a p p a r e n tm i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n t表观米氏常数( m 0 1 l 1 ) e 1 e c t r o nt r a n s f e rr a t e 电子转移速率常数( s 一1 ) e l e c t r o n t r a n s f e rr e s i s t a n c e电子传递电阻( q ) a v e r a g es u r f a c ec o n c e i l t r a t i o n表观覆盖度( m o l c m 一2 ) x v i i i 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：桫双 z 口d 艿年j 月；p 日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 己发表或撰写过的研究成果，亦不包括为获得北京化工大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叠蔓玺壑日期：圣里! 墨：茎：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京化工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定。 签名：趟遗坠导师签名：辛圣叁牟 关于知识产权的声明 本论文取得的研究成果( 包括提出的创新构思、得到的实验规律和科学结沦 等) ，其知识产权全部归北京化工大学所有。本文作者只能以北京化工大学为第一 完成单位发表本论文的研究成果。其他个人及单位未征得北京化工大学的许可， 不得以任何方式使用本论文的研究成果。违反上述规定者将承担相应的法律责任。 签名：壁堡垒墨兰 导师签名：二圭鱼趋擘 北京化t 大学博士研究生学位论文 1 1 生物传感器概况 第一章绪论弟一早瑁化 传感器( s e n s o r ) 是获取和量化各种信息的重要手段，是信息科学的支柱技术之 一。生物传感器( b i o s e n s o r ) 是传感器领域的一个重要分支，是一门由生物、化学、 物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，具有选择性好、 灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的特点； 生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用环境和技术的要求， 适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测、食品、医药及军事等领域 有着重要应用价值，已引起世界各国的极大关注【l 】。国际上从2 0 世纪8 0 年代开 始对生物传感器进行了广泛地研究和探索2 1 。 1 1 1 生物传感器的定义 为了规范生物传感器这一领域，2 0 0 0 年国际纯粹和应用化学联合会( i u p a c ) 提出了一个非常严格的生物传感器定义【1 3 】：生物传感器应是一个独立的、完整的 装置，通过利用与换能器保持直接空问接触的生物识别元件( 生物化学受体) ，它 能够提供特殊的定量和半定量分析信息。 根据这个定义，i u p a c 提议生物传感器应当与那些要求附加过程步骤( 如试剂 的添加) 的生物分析系统清楚地加以区别。另外，也应区别于一次性使用或是不能 连续监测分析物浓度的装置，它们被指定为一次性使用的生物传感器。生物传感 器的这一定义把已获得成功发展的一次性血糖酶电极和光学免疫传感器排除在外 ( 这两种传感器不能满足连续监测的标准) 。 生物传感器的基本组成部分包括：生物识别部分、物理换能器、电子放大器 和数据处理部分等，如图1 1 所示。 1 1 2 生物传感器的分类 生物识别部分又称分子识别元件，是生物传感器的关键部分，是传感器进行 选择性检测的基础，可以包括任何生物材料，只要它可以选择性地识别一个分析 底物或一系列相关的分析底物，一般包括酶、受体免疫化合物、微生物、运转蛋 白以及动植物组织和d n a 等。生物传感器按其分子识别元件，可分为酶传感器、 免疫传感器、组织传感器、微生物传感器、细胞传感器和d n a 传感器，如图1 2 所示。 北京化工大学博：l 研究生学位论文 按生物传感器与底物作用机理的不同，又可把生物传感器分为生物催化型传 感器和生物亲和型传感器。生物催化型传感器包括酶传感器、组织传感器、微生 物传感器等；而生物亲和型传感器包括免疫传感器和d n a 传感器。 生物 生物传感器( b i o s e n s o r ) 数据采集 化学环境。 生物识别部分物理换能器 信号 电子放大器 和显示部分 斗 b i o l o g i c a lp h y s i c a l e 1 e c t r i c a l d a t aa c q u i s i t i o n r e c o g n i t i o n t r _ a n s d u c c r a m p l i 6 e r a n dd i s p i a y b i o l o g i c a l e l e m e n t r i o m 身l c h e m i c a le n v i r o n m e n 图1 1 生物传感器的基本组成部分 f i g 1 le s s e n t i a lb i o s e n s o rc o m p o n e n t s 图1 2 生物传感器一按分子识别元件分类 f i g 1 2b i o s e n s o 卜c l a s s i 6 e do nb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o ne l e m e n t 物理换能器( 信号转换器) 有很多种，生物传感器按物理换能器划分，包括热、 质量、电化学、光学、声波传感器等，生物传感器的具体分类如图1 3 所示。 电化学换能器被广泛应用于传感器的制备【1 4 1 5 】，因为它具有许多的优势如它 能在浑浊的溶液中操作，具有较高的灵敏度并且容易微型化，另外，所用的仪器 简单、便宜，而电极体系的连续操作可以在线测定物质的变化。因此，本论文中 主要采用电化学换能器来构造生物传感器。 2 北京化工人学博七研究生学位论文 按测量信号不同，电化学生物传感器又可分为电流型、电位型和电导型。电 流型传感器利用固定在电极上的酶对底物的催化氧化或还原，产生可在电极上还 原或氧化的组分，获得电流信号；电位型传感器是基于离子选择性电极原理而发 展起来的，固定到电极表面的酶对底物催化，产生离子型物质，能引起指示电极 电位改变，电位变化关系遵循n e n l s t 方程；电导型传感器利用酶催化底物反应， 导致反应体系中离子种类及浓度的变化，从而引起溶液导电性的改变，以溶液电 导率为响应信号。 图1 3 生物传感器一按信号转换器分类 f i g 1 3b i o s e n s o r c l a s s i f i e do np h y s i c a l i r a n s d u c e r 1 1 3 电化学生物传感器的发展历程 一般人们认为第一个生物传感器是由c l a r k 和l y o n s 于1 9 6 2 制作的葡萄糖传 感器，术语“生物传感器”就来自于他们以及g u i l b a u l t 等人的研究工作【1 6 1 7 】。从那 以后，有生物传感部分加入的各种传感器快速发展起来，这些装置被统称为生物 传感器，可以对化学或生物化学物质的浓度产生电信号函数【l 引。 在众多电化学生物传感器中研究最早应用最广的是酶电极。酶是卜h 活细胞合 成，能在体内、体外起催化作用的一类特殊蛋白质，又称生物催化剂。酶的突出 特点就是它们催化作用的高度专一性。酶的催化效率比一般催化剂高1 0 6 1 0 呻 倍，远远超出一般催化剂的催化能力。另外酶催化反应条件温和并具有化学放大 作用等，结合化学修饰电极表面结构和功能的特异性设计，使得酶基生物传感器 成为! e 物传感器研究的主流【4 ，1 9 1 。本文主要研究酶为敏感元件的电化学生物传感 器。故这里主要介绍安培酶电极的进展。 根据酶与电极问电子转移的机理可将电化学生物传感器分为三代： 北京化工大学博。 ：研究生学位论文 1 1 3 1 第一代电化学生物传感器 用酶的天然电子传递体一氧来沟通酶与电极之问的电子通道，直接检测反应 底物的减少或产物的生成的传感器，称为第一代电化学生物传感器：以葡萄糖氧 化酶为例，第一代安培酶生物传感器的响应机理如下： g l u c o s e + o x y g e n 尘丛= ! ! og l u c o n i ca c i d + h y d i o g e np e i o x i d e 式( 1 - 1 ) 可以通过此反应过程中0 2 含量的减少或者生成的h 2 0 2 浓度的增加来反映被 测葡萄糖的含量。如用c 1 a r k 氧电极测量0 2 的变化： a g 阳极：4 a g + 4 c l - _ 4 a g c l + 4 f 式( 1 - 2 ) p t 阴极：0 2 + 4 h + + 4 r - h 2 0 式( 1 3 ) 这种电极的最大优点就是结构简单，尤其适合于电极的微型化。然而，这种 电极极大地依赖于溶液中0 2 的扩散速度、浓度梯度以及0 2 的含量。因此这种检 测易受环境中0 2 分压波动的影响，响应时间较长且难以进行活体分析，其灵敏度 也不太高。 由于直接测定0 2 存在大量的弊端，于是人们又选择了对反应产物h 2 0 2 的直 接测定： p t 阳极：h 2 0 2 - 2 h + + 0 2 + 2 c - 式( 1 4 ) a g 阴极：2 a g c l + 2 e - _ 2 a g + 2 c l 一式( 1 5 ) 在金属电极和碳电极上h 2 0 2 直接氧化的过电位均较高，一般在+ o 6 + o 8v ( v s a a g c l ) 。在这样高的电极电位下，共存于被测样品中的其他电化学活性物 质( 如抗坏血酸、尿酸、乙酰氨基酚等) 也能够同时被氧化，从而产生干扰电流。 解决这一问题一般有以下几种办法：一是采用各种选择性渗透膜( 单层、多层膜) ， 利用膜的极性、荷电性或孔径尺寸水抑制干扰物质的干扰【2 0 2 2 】。进入2 0 世纪9 0 年代，人们又将注意力集中到采用化学修饰电极降低h 2 0 2 检测电位至o o 一o 2v ( v s a a g c l ) ，以此消除共存电活性物质的干扰，实现葡萄糖传感器的高度选择 性和灵敏度，如会属( r h ，r u ) 修饰电极，普鲁士蓝【2 4 2 5 1 修饰电极等等；再者就 是将以上两种方法结合，同时使用具有催化活性的物质和选择性渗透膜【2 6 1 。 1 1 3 2 第二代电化学生物传感器 为了克服第一代电化学生物传感器所固有的局限性，小分子氧化还原体被用 来替代0 2 作为电子受体，起到在酶与电极之叫进行电子传输的作用。这种采用电 子媒介体代替0 2 的电化学生物传感器称为第二代电化学生物传感器。 以葡萄糖生物传感器为例，第二代电化学生物传感器的响应、检测机理示于 图1 4 ，图中g o d ( o x ) 、m ( 。) 和g o d ( 删) 、mc r 酣) 分别代表葡萄糖氧化酶、电子媒介 4 北京化t 人学博一 j 研究生学位论文 体的氧化态和还原态： 所发生的反应