（分析化学专业论文）基于电化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制.pdf

硕士学位论文 摘要 化学生物传感器的研制已成为分析化学_ 和生物化学领域中一个非常重要和令 人感兴趣的课题，人们已对此作出了深入广泛的研究。合成一种能特异性结合目 标分子的模拟生物受体是生物有机化学的一个长期目标。最近二十多年来，人们 发展了种全新的合成“人工抗体”的方法，即分子印迹技术。其基本原理是将 待分析目标分子作为模板，与功能化单体、交联剂一起发生聚合反应，功能单体 和交联剂聚合生成高度交联的聚合物，单体上的特定基团与印迹分子可逆地结合 在一起，然后将印迹分子抽提出来。这样通过“量身定做”，在聚合物的骨架上便 留下了与印迹分子在空间结构和化学官能团两方面均互补的识别部位( 空穴) 。相 对于生物识别元素，分子印迹聚合物有多方面的特点和优势。电容传感器是基于 平板电容模型的一种新型传感器，其电容值取决于介电层厚度和介电常数。电容 传感器具有检测限低、响应快、可提供界面实时信号等特点，对一些非电活性物 质的检测具有独特优势。近半个世纪来压电传感技术在理论方面取得了长足进展， 在生命科学研究中应用非常广泛，如临床免疫学、血液流变学、生物化学及分子 生物学等众多领域。 基于上述三种技术，本文开展以下几个方面的研究工作： 1 分别以l - 组氨酸和d _ 组氨酸为模板分子，采用电化学方法合成了非共价型 分子印迹聚合物膜。用交流阻抗法和压电石英晶体技术表征了膜的空间特 异性选择性。 2 以间氨基酚为单体电合成了替加氟分子印迹聚合物膜，以此膜为敏感元件 构建了电容传感器。同时采用压电石英微天平技术验证了膜的印迹效果。 3 制备了基于分子印迹聚合物修饰电极的电容传感器，结合压电石英微天平 检测了组胺以及结构类似物。 4 以丙烯酰胺为单体，二亚甲基双丙烯酰胺为交联；f ! f 电合成了分子印迹聚合 物膜，分别用交流阻抗法和压电石英晶体技术表征了膜对具有抗癌活性和 抗衰老功用的7 - 羟基黄酮的选择性结合能力。 关键词：分子印迹聚合物；电聚合；交流阻抗；压电石英微天平；传感器 基于电化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制 a b s t r a c t t h ed e s i g no fc h e m o b i o s e n s o r si sa n i m p o r t a n ta n di n t e r e s t i n gs u b j e c ti na n a l y t i c a l c h e m i s t r y a n db i o c h e m i s t r ya n dh a sb e e n e x t e n s i v e l ys t u d i e d t h ed e s i g na n ds y n t h e s i s o fb i o m i m e t i cr e c e p t o rs y s t e m sc a p a b l eo fb i n d i n gat a r g e tm o l e c u l ew i t hs i m i l a r a f f i n i t ya n ds p e c i f i c i t yt oa n t i b o d i e sh a s b e e na l o n g - t e n t lg o a l i nb i o o r g a n i cc h e m i s t r y 【nr e c e n td e c a d e s ，an o v e ls t r a t e g yf o rt h ed e s i g no fs e n s o r s ，m o l e c u l a ri m p r i n t i n g t e c h n o l o g y , h a sb e e nd e v e l o p e d t h i si s ap r o c e s sw h e r ef u n c t i o n a la n dc r o s s l i n k i n g m o n o m e r sa r ec o p o l y m e r i z e di nt h ep r e s e n c eo f t a r g e ta n a l y t e ( t h ei m p r i n t i n gm o l e c u l e ) ， w h i c ha c t sa sam o l e c u l a rt e m p l a t e 。t h ef u n c t i o n a lm o n o m e r si n i t i a l l yf o r mac o m p l e x w i t ht h et e m p l a t em o l e c u l e s ，a n df o l l o w i n gp o l y m e r i z a t i o n ，t h e i rf u n c t i o n a lg r o u p sa r e h e l di np o s i t i o nb yt h eh i g h l yc r o s s - l i n k e dp o l y m e r i cs t r u c t u r e s u b s e q u e n tr e m o v a lo f t h et e m p l a t em o l e c u l e sr e v e a l st h er e b i n d i n gs i t e st h a ta r ec o m p l e m e n t a r yi ns i z ea n d s h a p et ot h ea n a l y t e c o m p a r e dw i t ht h eb i o s e n s i n gc o m p o n e t s ，m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e r sh a v em a n ya d v a n t a g e s c a p a c i t i v es e n s o r s ，w h i c ha r eb a s e do nt h ep r i n c i p l e o fp l a t e c a p a c i t o rc a p a c i t a n c e ，h a v eb e e nr e p o r t e di nr e c e n ty e a r s t h ec a p a c i t a n c eo f t h es e n s o ri sd e p e n d e do nt h et h i c k n e s sa n dd i e l e c t r i cb e h a v i o ro fi t sd i e l e c t r i cl a y e r c a p a c i t i v es e n s o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ，l o wd e t e c t i o nl i m i t ，r a p i dr e s p o n s e ， r e a l t i m ed e t e r m i n a t i o n ，e t c t h er e s e a r c ho fn o r m a lp i e z o e l e c t r i cq u a r t zc r y s t a l ( p q q w a sc a r r i e do u ti ne a r l i e r1 9 8 0 s ，w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fc l i n i c i m m u n o l o g y , h e m o r h e o l o g bb i o c h e m i s t r y , a n d m o l e c u l a r b i o l o g y t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i s ，w h i c hw a sb a s e do nt h et e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v e ， i ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 l - h i s t i d i n el d - h i s t i d i n e i m p r i n t e d m e m b r a n e sh a v e b e e n s y n t h e s i z e db y e l e c t r o p o l y m e r i z i n ga c r y l a m i d eo n t oa u e l e c t r o d e so ra u c o a t e dq u a r t zc r y s t a l e l e c t r o d e s a ci m p e d a n c es p e c t r o s c o p ya n dp i e z o e l e c t r i cq u a r t zc r y s t a l ( p o c ) t e c h n i q u ew e r ee m p l o y e dt ov e r i f yt h et e m p l a t ee f f e c to f t h em e m b r a n e s t h e s e l e c t i v e l yr e b i n d i n g o ft h ee n a n t i o m e r so fh i s t i d i n e b y t h e i r r e s p e c t i v e i m p r i n t e dp o l y m e r m e m b r a n e sw a sc o n f i r m e d 2 m i p s b a s e d c a p a c i t i v e s e n s o r s p e c i f i c f o r t e g a f u r w a sc o n s t r u c t e d b y e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o no fm a m i n o p h e n o lo n t ot h es u r f a c eo fg o l de l e c t r o d ea n d t h ea u c o a t e d q u a r t zc r y s t a l u n l i k e t h e c a p a c i t i v e s e n s o r s r e p o r t e d i nt h e p r e v i o u sl i t e r a t u r e s ，t h ep r e s e n ts e n s o r sw e r e n o tt r e a t e dw i t ha l k a n e t h i o la f t e r t i 硕士学位论文 e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o na n ds h o we v e n m o r es a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e q c m m e a s u r e m e n t sa l s oc o n f h - m e dt h ei m p r i n t i n ge f f e c to ft h ep o l y m e r l a y e r s 3 h i s t a m i n es e n s o rw a sc o n s t r u c t e db a s e do n m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e r m o d i f i e d e l e c t r o d ew i t h m - a m i n o p h e n o l u s e da st h ef u n c t i o n a l m o n o m e r n e i m p r i n t i n g e f f e c to ft h em e m b r a n ew a sv e r i f i e d b y e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e a n d p i e z o e l e c t r i cq u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c e m e s u r e m e n t s 4 p o l y a c r y l a m i d e m e m b r a n ew a s e l e c t r o g e n e r a t e d i nt h e p r e s e n s e o f 7 - h y d r o x y f l a v o n e a ci m p e d a n c es p e c t r o s c o p ya n dp i e z o e l e c t r i cq u a r t zc r y s t a l ( p q c ) e x p e r i m e n t sr e v e a lt h es e l e c t i v e l yb i n d i n ga t t m i t yo f t h em e m b r a n et o t h e t e m p l a t e k e yw o r d s ：m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r s ；e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o n ；a ci m p e d a n c e ； p i e z o e l e c t r i c q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ，s e n s o r 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立研究所取得的科研 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已 经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 名：雳鲫 矿7i 日期：知阵厂月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有保留、使用学i = - i 论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文i l l 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩f - i 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后实用本授权书。 2 、不保密口 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 名：荔踢干慨摊加知 导师签名：妒心弓叫：名 日期p f 年厂月夕日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 分子印迹技术的基本原理与应用 随着科技的进步和生活水平的日益提高，环境问题和健康问题越来越引起人 们的关注。这些问题均高度依赖于准确的、灵敏度高的生物、化学分析方法，通 常要求能够辨别和定量基体中痕量级的物质。而发展利用设计简单且成本低廉的 化学和生物传感器对待测物实现有效的原位( i ns i t u ) 、在体( i nv i v o ) 、实时( r e a l t i m e ) 、在线( o i ll i n e ) 检测的新型分析方法，将是2 1 世纪分析化学发展的主流 之一。为此，对被测物具有高亲和性和高选择性的分子识别要素得以广泛的应 用。在经典的生物分析技术中，常用的分子识别元素是蛋白质，如抗体、酶或受 体，以及测定特殊d n a 序列所用的低聚核苷酸。但令人遗憾的是，生物要素的 稳定性不高、结合位点密度低且难以再生，从而限制了那些基于生物分子识别的 方法。因此，设计和合成一种能特异性结合目标分子的模拟生物受体便成了生物 有机化学和分析化学中的一项重要课题。 上世纪7 0 年代，w u l f f 等人【2 】和m o s b a c h 等人分别开创了共价和非共价型 分子印迹技术，旨在解决上述问题。随后2 0 多年来，越来越多的化学工作者采用 “分子印迹”技术合成人工大分子抗体以图弥补生物识别元件的不足，使得这一 技术领域得到了蓬勃发展。 1 1 1 基本原理 分子印迹聚合物( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r s ，m i p ) 是一种合成分子识 别系统，其一般制各过程是将待分析目标分子( 又称印迹分子、模板分子) 作为 模板，与功能化单体、交联剂一起发生聚合反应，功能单体和交联剂聚合生成高 度交联的聚合物，单体上的特定基团与印迹分子可逆的结合在一起，然后将印迹 分子抽提出来。这样通过“量身定做”( t a i l o r m a d e ) ，在聚合物的骨架上便留下 了与印迹分子在空间结构和化学官能团两方面均互补的识别部位( 空穴) 。识别部 位具有“分子记忆”功能，可以选择性地识别印迹分子。 根据印迹分子和功能单体形成复合物时作用力的性质，分子印迹可分为共价 型和非共价型两种。共价型分子印迹过程中，印迹分子和单体通过可逆的共价作 用形成复合物。而在非共价型分子印迹过程中，印迹分子和单体则通过氢键、偶 极、静电作用、金属螯合、电荷转移、疏水乃至范德华力i 1 相互作用形成复合物， m o s b a c h 认为非共价型的分子印迹是一种分子自组装的过程。 共价型分子印迹中，单体和印迹分子问的作用力较强，形成的复合物也很稳 基于电化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制 定，而且印迹效率高( 一定量印迹分子产生的识别位点数目) 。但印迹过程复杂， 印迹分子实际上是在被单体衍生化后，再交联固化，而且印迹分子的抽提也较困 难。非共价型的分子印迹作用力的形式多种多样，即便通过强度很小且无方向性 的范德华力作用也可形成复合物1 ”，其分子识别过程也更接近于那些天然的分子 识别系统，如酶一底物以及抗体抗原等。在印迹过程中还可同时使用多种功能性 单体h ，这样印迹分子易于洗脱出来。目前绝大多数m i p 是通过非共价型分子印 迹技术制得的。 与生物识别元件( 如酶、受体、抗体、核酸等) 相比，m i p 具有很多优点： ( 1 ) 生物识别体系具有较好的分子识别功能，但通常稳定性较差，固定时其识别 功能会受到一定程度的破坏。而m i p 的稳定性好，能反复使用5 0 次以上1 1 i ：在室 温干燥环境中可保存数年，水中保存4 周以上不会影响其性质；用酸性、碱性、 金属离子和其它多种溶液处理时不会降低其识别特性川；能耐受一定的机械强度、 高温及高压川。( 2 ) m i p 针对性很强，它对印迹分子而言是“量身定做”的，而 且理论上对任何一个分子均可制备相应的m i p 。对于某些小分子化合物如药物来 说，制备其m i p 相当简单和省时，而要获取合适的生物识别分子通常十分困难l b j 。 ( 3 ) 生物识别元件来自于生物源，因此在生产过程中往往要使用动物：而分子印 迹技术完全是化学合成过程，可避免使用动物。( 4 ) 生物分子识别系统由于不易 建立批量生产工艺，所以价格昂贵，而m i p 则费用低，便于大规模生产。 1 1 2 分子印迹聚合物的应用 1 1 2 1 色谱、毛细管电色谱、电泳及固相萃取中的应用 由于m i p 具有对印迹分子选择性结合的能力，所以m i p 用作色谱或电泳的固 定相在手性及异构体分离尤其是制备分离方面有美好的前景。目前有关分子印迹 技术的文献半数以上都是关于手性及异构体分离的。在这方面m o s b a c h 及其合作 者的工作最有代表性p 。t t l 。基于m i p 的手性固定相( c s p s ) 的n 值大都在1 5 5 之 间，尽管少数情况得到了更高的n 值，如m a t s u i 等i 1 2 】在利用m i p 作固定相分离金 鸡纳啶和金鸡纳宁时，a 值达到了3 1 。z h u 等人利用m i p 作固定相成功分离了不 同的抗表皮生长因子受体抑制剂1 1 3 1 。与其它c s p s 相比，m i p 固定相理论上应有相 当好的分离效果，然而事实并不一定如此，色谱峰会拓宽及拖尾而影响其分离效 果，由于结合位点的非均匀性以及可利用的官能团数量的限制，从而使分离发生 在等温吸收曲线的非线性区域【1 4 1 。解决的最好方案可能是进一步优化颗粒的形状 大小和填充性。k r i z 等吣j 将印迹聚合物粉末和粘接剂混合涂在板子上，用于手性 t l c 。印迹聚合物也应用于亲和毛细管电泳( c e ) ，作为选择性的基体m 一，l 。采用 2 硕士学位论文 原位悬浮聚合方法可以解决研磨的聚合物粉末填充到毛细管的困难，在聚合过程 中，聚合物颗粒沉降到毛细管。使用水一有机溶剂作流动相，用毛细管原位聚合的 多孔聚合物块作固定相，抗肾上腺素药物的手性异构体普那洛尔和美托洛尔通过 毛细管电色谱( c e c ) 得以分离ds ) 。s e h w e i t z 等i z g 用毛细管电色谱结合m i p 分离了 心得安对映异构体。采用多孔聚合物块 2 0 川和聚丙烯酰胺的印迹聚合物颗粒 2 1 1 作 c e c 固定相，可以将苯丙氨酰基苯胺的对映体分离。 对于大多数生物分析体系，样品的前处理是必不可少的步骤，样品的前处理 过程包括被测物的预浓集、样品的提纯而与分析技术相匹配。近年来分子印迹聚 合物在固相萃取( s p e ) 的应用与日俱增n “。传统的s p e 通常是利用被分析物和吸附 剂间的相互作用如反相、正相及离子交换进行萃取。由于它们之间的作用力是非 特异性的，因而洗脱及萃取条件要根据样品及样品中杂质的化学性质来仔细确定。 而采用m i p 来进行固相萃取问题便得到了简化。t a k e u c h i 等n ”采用悬浮聚合的方 法制得了球形的m i p ，用于从水中提取三嗪类除草剂中的西玛三嗪，西玛三嗪可 被浓缩5 6 倍，回收率达9 1 。a n d e r s s o n m ，也研制了一种用于s a m e r i d i n e 固相萃 取的m i p 。s t a n k e r 等，研制的m i p 可从牛肝中富集除草剂莠去津，使得h p l c 的 精度得到提高。 m a r t i n ( 2 63 则用m i p 从体液中富集心得安用于临床药物分析。 m o l i n e l l i 等人用m i p 富集红酒中的栎精并测定其含量【2 7 1 。 1 1 。2 2 键台分析 由于m i p 具有抗体的一些重要特性，即可以选择性的结合目标分子，故其可 以代替抗体用于免疫分析类的键合分析。m o s b a c h 实验组n ”第一次利用了m i p 用 于分析茶碱和安定，这主要基于待测底物和放射性标记底物之间的竞争关系。这 种分子印迹吸附分析方法( m i a ) 已被用于其它一些物质的分析，如药物“”1 ， 除草剂p l 一1 ，肾上腺皮质激素类物质m i 。 1 1 2 3 模拟酶催化 w u l f f t 3 , ，综述了基于m i p 的催化材料的性能及研究情况。1 9 9 9 年。k a w a n a m i 等m ，合成了以对硝基苯磷酸酯为模板、乙烯基眯唑为结合位点的m i p 用于催化 水解4 硝基苯乙酸酯，同时合成了不含模板分子的对照聚合物。抽提出模板分子 后，在相同p h 条件下，m i p 的催化能力比对照聚合物强2 倍。另外，很多文章 报道了交联度很低的分子印迹聚合物催化剂的制备1 3 6 - ”】。事实上，交联度很低的 聚合物其弹性更好，模板分子更容易抽提出来，在催化反应中，分子扩散更容易 达到平衡，因而催化性能可能会更好。 基于屯化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制 1 1 2 4 传感器 m i p 可对印迹分子显示出良好的专一性，并且具有优良的操作稳定性，因而 非常适于用作传感器的识别元件。进入9 0 年代以后，将分子印迹技术用于传感器 的研究越来越多一3 8 。所用方法包括荧光法、电化学方法和压电石英晶体微天平等。 k r i z 等”，将m i p 颗粒涂于光纤传感器的石英窗上，用于检测荧光标记的氨基 酸衍生物。p i l e t s k y 等m 】将荧光标记的三嗪结合到以被三嗪印迹过m i p 中，再用来 检测溶液中的三嗪。还有人n m 将印迹分子同荧光染料一起印迹到m i p 中，然后与 荧光检测器结合作成传感器，当水溶液中有印迹分子存在时，聚合物中的荧光会 淬灭，由此检测水溶液中的印迹分子。此外研制了基于分子印迹技术的镧系发光 传感器，用于检测神经性毒剂的水解产物 4 1 ，。g r a h a m 等人“z ，用m i p 结合荧光检 测器检测了d d t 。 p i l e t s k y 等1 4 3 1 将m i p 膜用于电导传感器，来检测除草剂莠去津。h e d b e r g 等1 4 4 1 将m i p 涂在场效应晶体管表面，当溶液中有印迹分子存在时，m i p 与印迹分子相 互作用并导致晶体管电容发生变化，根据电容的变化可检测溶液中的印迹分子。 但此法仅为定性测量。k r i z 等m ，还将m i p 用于电流传感器以检测吗啡，首先吗啡 选择性地结合到传感器中的m i p 上，接着加入电活性竞争物可待因，用电流法测 定释放出来的吗啡。此外，还有将m i p 用于离子选择性电极以检测溶液中的钙离 子“”和硝酸根离子“”。b l a n c o l o p e z 等人将m i p 膜用于电流传感器，来检测香草 基扁桃酸 4 8 1 。s h o j i 等人用电化学方法结合m i p 检测除草剂莠去滓“”。 d i c k e r t 等”m 把分子印迹技术与质量传感技术结合起来，发展了用于检测芳香 化合物、卤代烃及极性溶剂蒸气的化学传感器。m a r x 等人用压电石英微天平和循 环伏安法结合m i p 分别在气相和液相中检测了对硫磷e s i 。d i c k e r t 等人用q c m 结 合m i p 检测了酵母，在流动条件下甚至可以检测到细胞碎片”。近年来，越来越 多的研究工作者对p q c 与m i p 的结合感兴趣t s 3 一“。 1 2 电容传感器的研究进展 1 2 1 电容传感器的基本原理 电容传感是建立在双电层理论上的一种传感技术，一根电极插到电解液中时， 电极一溶液界面的行为可近似认为是一个平板电容器。此平板电容器的电容值可用 以下方程表示： c 。型 ( 1 1 ) d 、7 硕+ 学位论文 其中：印为真空介电常数，为隔开电极表面与移动电荷的物质( 介电层) 的相对 介电常数，a 为介电层面积，d 是电荷从溶液中传递至电极表面所历最短距离。 自1 9 8 6 年n e w m a n t ，】第一次报道了一种直接测定抗原一抗体相互作用的新型电容 传感器以来，该技术得到了科技工作者的普遍关注】。 由( 1 1 ) 式可见，任何结合或者吸附到电极表面的一层绝缘物质都会造成介 电层厚度和或介电性质的改变。b a t a i l l a r d t 9 1 认为这种结构相当于电容器串联在一 起。它们之间的关系可通过方程( 1 2 ) 表示： 丢，丢+ ( 1 2 )十。一 c fc fc 6 、 。 其中：g 为测得的总电容，c r 为起始状态的电容，由介电层和选择性受体层的介 电性质所决定，g 为选择性受体层连接上给体后给体层的电容。当把待测物加到 测定体系后，根据公式( 1 2 ) ，通过测定待测体系的的电容变化可以得到其浓度 信息。由于在测定过程中不需要加入其它试剂或者对被测物进行标记，这种传感 方式为研究人员提供了一种灵敏、简单和廉价的分析方法。 1 2 2 电容信号的测定方法 常用于测定电容的方法有电势脉冲法( p o t e n t i a lp u l s em e t h o d ) “i 、锁相放大 器法( l o c k i na m p l i f i e rm e t h o d ) i “6 3 i 、频率一电容法( f r e q u e n c y c a p a c i t a n c e m e t h o d ) 州、场效应电容器( f i e l d - e f f e c tc a p a c i t o r ) 1 6 5 , 6 6 1 和电化学交流阻抗法 f e l e c t r o c h e m i c a la c i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ) t 6 7 - 7 1 1 等。其中，电化学交流阻抗法可 以提供电容器电容变化的实时信息，因而应用最为广泛。 1 2 3 电容传感器的应用 1 2 3 1 免疫分析 基于被分析对象在介电层表面的结合继而导致传感器的电容发生改变，电容 传感器为免疫分析提供了一种灵敏度高、操作简单和费用较低的无标记免疫分析 技术。 b e t t v l n l 等报道了基于电解质绝缘层多孔硅结构的电容免疫传感器用于检测 鼠免疫球蛋白山羊抗鼠免疫球蛋白相互作用。其灵敏度是用相同面积磨光硅构造 的电极的5 倍。k n i c h e l m 】报道了在二氧化硅绝缘层表面固定了t 2 毒素的电容传感 器对游离t 2 的测定。s t e l z l e l 7 4 j 等以修饰在金电极表面的单层磷脂膜作为电绝缘层， 利用吸附在膜上的生物素蛋白，测定了生物素抗生蛋白链菌素之问的相互作用。 由于硅与生物分子具有良好的亲和性和易于表面处理等特点，b a r r a u d l 7 5 1 选择了 基于电化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制 s i s i 0 2 为基底材料，先在其表面形成一层二氧化硅，再使其与硅烷化试剂反应， 最后共价交联固定抗体。在每升含有1m g 游离t z 的条件下，传感器的响应值可达 6 0p f 。t a y l o rr 7 6 悌4 备的免疫球蛋白g 抗免疫球蛋白g 电容传感器的工作范围为 ( 0 0 5 5 ) 1 0 一g l 。o u e r g h i i ，i 等首先在电极表面电沉积一1 层具有生物亲和性的 聚吡咯膜，再利用生物素抗生素蛋白固定了抗人i g g ，测定i g g 抗体，线性范围为 1 0 8 ( ) n g m l ，检测下限为1 0p g m l 。 1 2 3 2 非电活性酶体系研究 基于酶对底物催化作用的酶电极通常用来检测反应体系的电流响应，应用非 常广泛 7 s - s o i 。但这种工作方式都要求体系在操作过程中有电子转移的发生，这就 限制了电流型生物传感器在非电活性酶体系中的应用。由于电容传感器是对绝缘 层表面的介电性质改变作出响应，不需要任何电子转移的发生，因而可以应用于 非电活性酶体系研究中。 m c n e i l 等【8 l 】用溶剂挥发方法将肠溶性高聚物( e u d r a g i ts1 0 0 ) 涂在金电极表 面作为介电层。该高聚物在酸性条件下不溶于水，当p h 值达到7 时开始溶解。 首先将脲酶固定在表面经1 ，1 羰基二咪唑( c d i ) 活化后的纤维素膜表面，再 将修饰了脲酶的纤维素膜覆盖在工作电极的表面。当体系中加入尿素时，尿素经 脲酶催化分解产生氨，从而工作电极表面p h 值升高，导致高聚物溶解，传感器 的电容值变大。m i r s k y 等1 6 3 首先将十八烷基硫醇在金电极表面自组装形成单层疏 水性绝缘膜，再利用l b 技术在硫醇自组装膜表面形成单层短链磷脂膜。由于体 系中加入的磷脂酶对磷脂的催化分解，磷脂膜被破坏，膜的电容值升高。电容升 高的速率与磷脂酶的浓度在0 6n g m 1 9 6n g m l 范围内呈良好的线性关系。 1 2 3 3 环境中重金属离子的检测 重金属离子是造成环境污染的一个重要因素。重金属离子能和生物分子形成 配合物，从而使生物分子失去其正常生理功能。因而，对环境样品、食品、药物 和生物体系中重金属离子含量的测定具有重要意义。常用于检测痕量重金属离子 的方法有原子吸收光谱、等离子诱导发射光谱、等离子诱导质谱、离子选择性电 极、极谱和循环伏安法等。 b o n t i d e a n l 6 0 j 用硫辛酸在金电极表面进行自组装，经过e d c 活化后与金属硫蛋 白共价交联。为了改善膜的绝缘性，他们用十二烷基硫醇处理电极，使膜的结构 更加致密。这样制备的电容传感器对汞、铜、锌和镉离子测定的测定下限可达1 0 d 6 m o l l ，灵敏度远高于传统的测定方法。他们m i 还用合成的p h y t o c h e l a t i n s ( 一种富 含半胱氨酸的多肽) 作为敏感元件构造电容传感器，这种传感器可在1 0 0f m 1 0 硕士学位论文 m m 范围内检测汞、铜、锌、铅和镉离子，敏感元件可用e d t a 再生。 1 2 34 分子印迹电容传感器 p a n a s y u k 等f 6 7 i 首先将分子印迹技术应用于电容传感器的制备。他们以苯酚为 单体电化学合成甘氨酸分子印迹膜，由于模板分子太小，所制各的电容传感器灵 敏度不高。p a n a s y u k d e l a n e y 等f ”坪4 用嫁接聚合技术在聚丙烯膜和疏水性金电极 表面制备了分子印迹聚合物。他们首先将疏水性的敌草净( 一种除草剂) 吸附在 电极表面，然后利用紫外光引发苯酚的聚合。该种分子印迹电容传感器显示了对 模板分子良好的选择性。p a n a s y u k d e l a n e y 等【8 4 】还用类似方法检测了肌酸酐，检 测限为1 0i x m 。c h e n g 等i ”j 以葡萄糖为模板分子通过电聚合邻苯二胺制备了葡萄 糖分子印迹电容传感器。 1 3 压电石英晶体技术的发展历程、最新进展及其应用 1 3 1 发展历程 压电石英晶体( p q c ) 是从单晶上切下来的石英片，常用a 石英。p q c 薄片两 侧表面喷涂上金属薄层作为激励电极。在两电极之间施加一交变电压，石英晶体 点阵的物理定向发生扭曲，产生穿过石英片的剪切驻波，此波具有特征频率，即 晶体的谐振频率。通常作为频率控制元件而广泛用于电子工业中。 压电石英晶体作为质量传感元件最初由s a u e r b r e y z “i 提出。假定石英晶体表面 涂层的密度、弹性与石英的密度、弹性一样，从石英晶体剪切波驻波波长与晶体 厚度的关系出发，导出了在石英晶体表面均匀吸附的极薄刚性物质质量与厚度剪 切模式( t s m ) 压电石英晶体频移的关系： 一盟。塑。- 垒坠 f 1 3 ) | q m p q t q a 其中，而为没有涂层时石英晶体的基频( h z ) ，凡为石英的密度( 2 6 4 8 1 0 3 k g m 。) ，a 为面积( m 2 ) ，t 口为石英的厚度( m ) ，a m 为吸附物质质量( 魄) ，0 为 频移( h z ) 。 1 9 7 7 年g u i l b a u l t t * n 在此式基础上导出了仅适用于a t 切型p q c 的响应公式： 一- 2 2 6 1 0 “疗m a( 1 4 ) 其中，虢及岿的单位分别为h z 和m h z ，a m 及4 单位为g 及c m 2 。 k i n g1 8 1 1 - o i 首次将压电石英晶体应用到分析化学领域。此后，p q c 作为质量传 感元件广泛应用于气相测定，包括在线检测真空镀膜厚度1 9 1 】和大气与环境污染物 基于电化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制 的检测等 g z 。4 i 。1 9 8 3 年g u i l b a u l t l g sj 首次将酶固定在p q c 表面测定了甲醛。 n g e h ，n g w a i n b i 等m j 用抗对硫磷抗体修饰的p q c 测定了气相中对硫磷的含量。 由于压电晶体在液相中振荡时能量损耗较大，容易停振，因而长期以来p q c 的应用局限于在气相中测定分析物】。八十年代初，美国的k o n a s h 等mj 和日本的 n o m u r a 等1 9 8 1 分别独立报道了p q c 在液相中单面触液振荡获得成功。随后，n o m u r a i ”、等对压电石英晶体在液相中双面触液振荡进行了研究，但由于未找到双面触液 压电石英晶体起振的关键问题，p q c 只能在少数几种液体中起振m i 0 2 j 。 本实验室在上个世纪八十年代初开始了p q c 在液相振荡方面的研究。1 9 8 5 年 首先报道了p q c 在液相中存在停振温度【1 03 】，第一次实现了p q c 在水溶液和包括 醇、酮、卤代烃、酯、醚、芳烃、烷烃等在内的四十余种有机液体中双面触液稳 定振荡，提出了保证p q c 液相稳定振荡的方法1 1 0 4 n ”】。随后，本实验室又对压电 传感元件和振荡理论，进行了大量系统地研究 1 0 s 1 4 1 ，为p q c 液相应用奠定了基 础。从此开始了压电石英晶体在液相中的应用研究。 在液相中的压电石英晶体，其谐振频率不仅与石英晶体本身的性质有关，而 且与晶体表面附着物质的质量、粘弹性以及本体溶液的粘度、密度、介电常数和 电导率有关。因而，人们认为对液相压电传感理论的研究是p q c 液相应用的关键。 早期的压电石英晶体传感器在液相中的应用，通常假定s a u e r b r e y 方程( 公式 1 3 ) 在液相中依然成立。然而，s a u e r b r e y 方程是在假定沉积物质为刚性均一的 极薄膜这一假定条件下推导出来的。如果物质沉积在p q c 表面形成的是非均一 膜，则不能运用s a u e r b r e y 方程来确定其质量。w a r d 等l a t s 的研究结果表明，p q c 的灵敏度在电极的中心最高，而边缘最低，径向分布呈高斯分布。k a n a z a w a 等 1 1 6 1 基于压电晶体剪切波与流体阻尼剪切波耦合的物理模型指出：因为剪切波在液相 中随距离的增加呈指数衰减，实际上只有厚度约1 微米的溶液层参与了压电晶体 的振荡。根据这种模型，单面触液的p q c 谐振频移( l i f s ) 与溶液粘废( 聍) 、密 度( p ) 的关系式为： a b 霹7 2 ( i d 叩岛心) l 7 2 ( 1 5 ) b r u c k e n s t e i n 等1 1 l ，】贝q 通过因次分析得到了相似的关系式： a f s 一- 2 2 6 1 0 - 6 j 量露7 2 p 呀p 胆 ( 1 6 ) 其中，甩为压电石英晶体触液面数目。 s c h m a c h e r 等 1 1 s 1 研究了电极表面粗糙度对其振荡频率的影响。假定粗糙的电极 表面是由许多填充了液体的半球体构成、所填充的液体等效为一层刚性结合的液 膜推导了与表面粗糙度相关的谐振频移为： 硕士学位论文 a f s 一2 露m 2 ( 1 7 ) 、口p g 其中，a m 。为在单位面积上填充在粗糙电极表面微孔中液体的质量，其值为a m 。= p r 2 ，其中r 为半球体的平均半径。 h a g e r i “9 】运用动力学耦合分析方法，在考虑了溶液粘度、密度及介电常数的影 响后，得到的频移公式： a f k l ( p 叩) “2 + g a e ( 1 8 ) 其中，g 与晶体形状有关，幻的物理意义不明确。m u r a m a t s u t ”。j 等经过机电类比， 考虑了石英晶体和流体问的剪切应力关系，得到的晶体动态电阻( 嘞) 与p 叩) 1 7 2 的关系为： 曩= ( 2 x f s p q ) “2 a k 2 ( 1 9 ) 其中，爿为石英晶体电极面积，k 为机电耦合系数。通过实验发现：在高粘度溶 液中双面触液压电晶体的频移与c p 叩) m 的关系偏离线性。 本实验室运用机电耦合模型研究了压电石英晶体的谐振频率及溶液粘度、密 度、介电常数及电导率的关系，得到了如下公式1 1 0 7 1 ： f c 1 d 1 7 2 + c 2 叩17 2 一c 3 - c 4 z + c 5 ( 1 1 0 ) 其中，d 为比重，7 为粘度，为介电常数，z 为电导率，c j 一岛为与晶体及电路 有关的常数。该公式较全面地表征了液体物理参数对振荡频率的影响，为目前比 较成功的振荡频移公式。 1 3 2 新型压电传感装置的研究 本实验室在研究表面活性剂的电导率时，为了区分传感器对质量和粘度的响 应及对电导率的响应，提出了并联式压电传感器1 1 2 1 1 。这种传感器中的压电晶片在 气相中振动，电导信号由与压电晶体并联的电导电极传递，以频率的变化反映电 导的改变。但并联式压电传感器对电导的响应灵敏度不如浸入式液相压电传感器， 故未进行深入研究。n o m u r a l t 2 ：l 等也报道了类似设想，也未进一步研究。 1 9 9 1 年前后，本研究室1 1 1 2 独立开发出一种新型电极脱开式压电传感器 ( e s p s ) 。e s p s 触液面的金属激励电极不在晶体表面上而是置于溶液中，高频 激励电场经溶液施加于晶体表面引起晶体共振。e s p s 不仅保留了经典的触液式 p q c 的质量、粘度、密度响应特性，而且具有比传统p q c 更灵敏的溶液电导响 应特性，并成功地应用于微量水分快速测定【1 23 】。n o m u r a 等1 1 2 i 利用p o c 的电导响 基于电化学阻抗和压电石英微天平的分子印迹传感器的研制 应特性，将其应用于液相色谱检测。