基于碳纳米管的安培型H2O2生物传感器的研究

1、A Carbon Nanotube Based Hydrogen PeroxideBiosensor基于碳纳米管的安培型H2O2生物传感器的研究报告人：麦智彬导师：邹小勇副教授目录 选题背景及意义 仪器和试剂 实验方法 结果与讨论 结论 创新点 致谢选题背景及意义生物传感器是当今电分析化学的研究前沿，新型材料（如纳米材料，杂化材料等）在生物传感器中的应用是当今的科研热点之一。本研究工作充分利用当今材料科学的新成果和新技术（CNTs），探索H2O2安培传感器的制作方法，把分析科学与材料科学、生命科学有机的结合起来。 碳纳米管(CNTs)及CNTs生物传感器的研究进展自从Lijima于1991年发

2、现CNTs以来，CNTs便由于独特的理化性质：如导体和半导体性质，极高的机械强度，良好的吸附能力，较大的比表面积和长径比，较多的催化位点等而备受科学家们的关注，从结构上来说CNTs可以分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）。 SWNTsMWNTs碳纳米管(CNTs)及CNTs生物传感器的研究进展由于CNTs本身较大的比表面积，良好的吸附能力，用于电分析化学中则表现为电催化效应（增敏作用和电位降）。因此CNTs电化学生物传感器中具有更为广阔的应用前景。 近3年来国内外有关CNTs生物传感器的综述就有10篇之多。References:1. K. Balasubramanian,

3、 M. Burghard. J. Small, 2005,1(2):180-192.2. E. Katz, I. Willner. J. ChemPhysChem, 2004, 5(8):1084-1104.3. J. Wang. J. Electroanalysis, 2005, 17(1):7-14.H2O2生物传感器的研究意义：GOD(OX)+glucose+H2OGOD(RED) + gluconic acid+ H2O2H2O2+HRPH2O+HRP-I氧化还原代谢是生物体内最重要的代谢类型之一，许多氧化还原代谢的产物都包含H2O2，因此建立H2O2的准确，快速的分析方法对于监测生物

4、体内的代谢过程、生物制剂的研发、环境分析、食品检验等方面具有重要意义。L-lactate+O2 +LOD(OX)pyruvate+H2O2+LOD(RED)仪器和试剂电化学实验在CHI660a电化学工作站中进行，采用三电极系统，传感器作为工作电极，铂丝作为辅助电极，Ag/AgCl作为参比电极。扫描电镜（SEM）照片采自日本电子株式会社场发射扫描电子显微镜（型号：JSM-6330F），透射电镜（TEM）照片采自日本电子株式会社透射电子显微镜（型号：JEM-2010HR）。红外光谱采用德国Bruker公司傅里叶变换红外光谱-红外显微镜联用仪（型号：EQUINOX 55）制作。HRP购自国药集团化学

5、试剂有限公司 ，规格：250units/mg所有溶液均用二次水配制, 所有实验均在0.05mol/L pH6.5 PBS中进行。本论文的实验方法1 利用Nafion（一种阳离子交换树脂）修饰玻碳电极 (GC)。2 通过其磺酸基所带的负电荷静电吸附Thi（硫堇，结构 类似亚甲蓝，可用作电子媒介体）构成传感器底层。3 电极外层使用CHIT（壳聚糖，一种生物相容性高分子） 混合包埋MWNTs和HRP。制成以Thi为介体的H2O2 传感器。传感器制作流程图OHHNHHOHHOHOOHHOHHNHHOHOCOCH3HHnChitosanStructure:Raw material of Chitosan

6、F2CF2CxFCF2CyOF2CFCCF3OmF2CF2CSO3-H+S+NNH2H2NCH3CO2-NafionThionineStructure:Methylene BlueSNNH2+H2NCl-结果与讨论： MWNTs的物理表征 传感器对H2O2的响应 条件实验 传感器的性能图1 MWNTs的物理表征4000300020001000ba C-OH-COO-COOH-OH3440118515681710Transmittance / %Wavenumber / cm-1H2O 与CHIT对MWNTs分散效果的比较MWNTs-COOH的IR图图2 MWNTs的物理表征图3 传感器对H2O

7、2响应的CV曲线0.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-4-2024681012 After added 21mM H2O2 blankCurrrent / APotential / V条件实验： 静电吸附时间选择 扫描速率选择 pH选择 工作电位选择 酶用量选择468101214162.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5Current / ATime / min0.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-15-10-505101520Current / APotential / V 10 min 2 min 8 min图4 静电作用时间与峰电流关系曲线(n=3)

8、20406080100-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5Current / AScan Rate / (mV / s)图5 扫描速率与峰电流关系6.06.57.07.58.0203040506070Current / n ApH图6 pH对响应电流的影响 (CH2O2=0.1mmol/L, n=6）0.0-0.1-0.2-0.3-0.420406080100120140160180200Average Current / n AApplied Potential / V图7 工作电位的选择（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）0246810010203040506070

9、Current / n AThe Quantities of enzymes / U图8 酶用量影响（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）传感器性能 传感器增敏效应的机理探讨 传感器的响应时间 传感器的工作曲线（线性范围为30mol/L5.5mmol/L ；相关系数为0.9995。在S/N=3的情况下，检出限为19mol/L ） 米氏常数（米氏常数为1.93mmol/L ） 传感器工作寿命研究（四天后电流下降了6.3%，之后保持稳定 ）图9 传感器增敏效应的机理探讨（CH2O2=0.5mmol/L）25030035040045050001234567Current / ATime / s

10、econdA: GC/HRP+MWNTs+CHITB: GC/HRP+CHITC: GC/MWNTs+CHIT传感器增敏效应的机理探讨由图可见IAIB+IC。传感器具有明显的增敏现象。原因可以从几方面来考虑：1. HRP可以有效地吸附在MWNTs管壁上；2. MWNTs也可以利用其独特的三维网络结构深入HRP的 活性中心；3. MWNTs较大的比表面积也可以对H2O2起到富集作用；4. MWNTs 对H2O2具有催化作用。增敏效应机理示意图3603804004204405.005.255.505.756.006.256.50 Current / A393.3s398.2s433.5s438.9

11、sTime / second图10 传感器的响应时间（CH2O2=0.5mmol/L）01234560.00.51.01.52.02.53.03.54.0Current / A Concentration / (mmol / L)图11传感器的工作曲线2004006008003.43.63.84.04.24.44.64.85.05.2Current / ATime / second1E-4M per step0.00.51.01.52.02.53.03.5051015202530351 / I / 106A-11/C / 104L mol-1.图12 传感器的米氏常数计算12345670102030405060708090100 Current / nATime / day图13 传感器寿命曲线（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）结论： 传感器具有较好的线性范围和检测限，且具有较长的寿命； CNTs的空间和电子效应导致传感器具有特殊的增敏效应； 该传感器为制作双酶体系传感器奠定基础。本