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新型葡萄糖生物传感器的构筑、机理及应用研究


新型葡萄糖生物传感器的构筑、机理及应用研究 【摘要】 :葡萄糖是动植物体内碳水化合物的主要组成部分,葡萄糖的 定量测定在临床化学、生物化学和食品分析中都占有很重要的地位 , 葡萄糖的分析与检测方法一直是研究的热点之一。 随着人们生活水平 的提高和老年人口的增加,糖尿病发病率呈上升趋势,已成为仅次于心 血管病和癌症的第三大危险疾病 ,其诊断和治疗已成为了医学界面临 的重大课题。因此,快速、准确、方便地检测血糖含量,从而有效地对 糖尿病进行监测和治疗变得越来越重要。之前 ,人们已经为葡萄糖的 检测做出了很多重要的研究。在已有检测方法中 ,生物传感器由于具 有灵敏度高、重现性好、操作简便等优点 ,在各种检测方法中扮演着 重要的角色。 它的工作原理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化 酶(GOx)催化氧化葡萄糖时产生的过氧化氢电流的检测。 因此,葡萄糖 氧化酶的固定化是传感器制备过程中最关键的步骤之一纳米材料是 指在三维空间中至少有一维处于 1-100 纳米尺度范围或由它们作为基 本单元构成的材料,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米 材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 , 并由此产生出许多特殊性质。由于纳米材料特有的光、电、磁、催化 等性能,引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的 极大关注。因此,纳米材料在太阳能电池、催化、电子信息技术及传 感器材料等方面有着深入的研究和广阔的应用前景 ,其中传感器是纳 米材料可能利用的最有前途的领域之一。纳米材料奇异的特性 ,使得

生物传感器的灵敏度、 检测限和响应范围等性能指标得到了很大的提 升。纳米材料为生物传感器的发展带来了新的契机 ,创造了更为广阔 的空间。本论文通过链接反应(ClickReaction)、聚酰胺胺(PAMAM)和 聚多巴胺膜对葡萄糖氧化酶进行固定化 ,并利用水热法合成了树叶状 CuO 纳米材料、ZnO/Au 复合纳米材料和纳米 WO3,并将其应用于葡 萄糖生物传感器的研究与应用。通过扫描电子显微镜、透射电子显微 镜、X-射线衍射光谱、电子衍射光谱和紫外可见分光光度法对合成的 纳米材料形貌和组成进行表征,利用循环伏安法、交流阻抗、安培检 测法等对葡萄糖的含量进行了检测和分析。在本论文中 ,葡萄糖生物 传感器的稳定性,酶的活性都得到了很大提高,对葡萄糖的检测也实现 了高灵敏度和低检测限。 基于酶与电极间直接电子传递的电流型生物 传感器能够简单直接地获取信号,本论文对 GOx 与纳米材料间的直接 电子传递行为进行了考察,探讨了纳米材料对 GOx 直接电子传递行为 的 影 响 , 并 对 葡 萄 糖 氧 化 酶 / 纳 米 WO3 修 饰 的 玻 碳 电 极 (GCE/WO3/GOx/Nafion)检测葡萄糖的机理进行了讨论。在此研究的 基础上研制和开发了无创血糖仪。本论文共分为八章:第一章绪论本 章内容主要包括葡萄糖检测技术的现状、葡萄糖生物传感器的发展、 酶固定化技术的研究、 纳米材料的制备及其在葡萄糖生物传感器的应 用与发展。文中简单介绍了葡萄糖检测方法的研究与进展;葡萄糖生 物传感器的分类和发展;酶固定化技术的最新研究成果 ,重点描述酶 固定化可以解决的一些问题;纳米材料的分类、性能和制备 ,着重阐 述了纳米材料的水热合成及其应用。 第二章基于链接反应固定的葡萄

糖氧化酶及其应用于葡萄糖生物传感器的研究本章利用链接反应 (ClickReaction) 将功能化的葡萄糖氧化酶 (GOx) 固定于金纳米粒子 (AuNPs)表面,并将其应用于葡萄糖的检测研究。Cu(Ⅰ)催化叠氮化合 物与末端炔基形成碳亚二胺 , 该反应条件温和、选择性强。实验表 明,AuNPs 具有良好的生物兼容性,能够有效地促进电子传递,修饰了 AuNPs 的 酶 传 感 器 , 响 应 速 度 快 (0.5s), 线 性 范 围 宽 (5μM-1.82mM,R2=0.9990),最低检测限低(0.5μM,S/N=3),稳定性好;链 接反应固定的 GOx 有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数(KMapp) 为 4.0mM。 第三章超声条件下合成的 PAMAM-Au 复合纳米材料及其 应用于葡萄糖生物传感器的研究本章在超声辐射条件下合成了第四 代的聚酰胺胺 (G4,PAMAM)/ 金纳米粒子 (AuNPs) 复合纳米材料 , 并将 其应用于葡萄糖生物传感器的修饰。实验结果表明 ,PAMAM/AuNPs 修饰的葡萄糖传感器对葡萄糖的检测具有良好的电流响应 ,灵敏度高 (2.9mA/mM/cm2), 响 应 时 间 短 ( 小 于 5s), 线 性 范 围 为

0.1-15.8μM(R2=0.9988),最低检测限为 0.05μM(S/N=3),与链接反应固 定的葡萄糖生物传感器相比具有更高的灵敏度及更低的检测限。 固定 在传感器上的葡萄糖氧化酶(GOx)具有良好的酶动力学响应 ,其表观 米氏常数(KMapp)为 2.7mM。 该传感器的高灵敏度,良好的重现性及稳 定性使得该方法有着很好的应用前景。第四章仿生聚多巴胺-金纳米 粒子复合膜修饰的葡萄糖生物传感器的研究本章利用仿生聚多巴胺 膜并结合金纳米粒子构建了一种反应条件温和、储存时间长、稳定性 好的葡萄糖生物传感器。 由于仿生聚多巴胺膜对基底电极的惊人结合

力及其良好的生物亲和性与电活性 ,并结合金纳米粒子的“电子通道” 作用,不仅实现了葡萄糖氧化酶分子在电极表面的大量而高活性的固 定化,而且能促进电子在酶活性中心和电极表面间的快速传递。结果 表明 , 该传感器对葡萄糖的检测灵敏度高、线性范围宽、检测限低 (0.1μM);固定在传感器上的葡萄糖氧化酶具有良好的酶动力学响应, 其表观米氏常数(KMapp)为 1.5mM。第五章树叶状 CuO 纳米材料修 饰电极对葡萄糖的快速安培检测本章制备了一种基于树叶状 CuO 修 饰的电化学生物传感器用以快速检测葡萄糖。 这种由水热法单步合成 的树叶状 CuO 纳米颗粒 , 用 X 射线衍射 (XRD),扫描电子显微镜镜 (SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行表征以研究其形貌和尺寸。在最 优化实验条件下,树叶状 CuO 修饰的葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检 测具有宽的线性范围(1.0-170μM)、短的检测时间(5s)、良好的稳定性 (3 个月后仍保持 90% 的活性) 、低的检测限 (0.91μM) 和高的灵敏度 (246μA/mM/cm2)。该方法的特点是传感器制备方法简单,在葡萄糖的 临床检测方面有着广阔的应用前景。 第六章 ZnO/Au 复合材料的合成、 性能表征及其应用于葡萄糖的检测研究本章采用水热合成的方法制 备了氧化锌纳米棒,结合金纳米粒子合成了氧化锌/金 (ZnO/Au)复合 材料,并将其应用于葡萄糖的检测研究。通过透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜 (SEM)、紫外可见吸收光谱 (UV-vis)和 X 射线衍射 (XRD)对合成的 ZnO/Au 复合材料的形貌和组成进行表征。研究结果 表明,ZnO/Au 修饰的葡萄糖生物传感器(GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion)对 葡萄糖的检测显示出良好的电化学性能,具有线性范围宽

(0.1-33.0μ.M,R2=0.9924), 响 应 时 间 短 ( 小 于 5s) 和 最 低 检 测 限 低 (10nM) 。 该 方 法 的 特 点 是 灵 敏 度 高 和 检 测 限 低 。 第 七 章 GCE/WO3/GOx/Nafion 电极对葡萄糖的电催化反应本章采用水热合 成的方法制备了 WO3 纳米材料,通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电 子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)和 X 射线衍射(XRD)对 合成的纳米 W03 的形貌和组成进行表征。 并将其应用于 GOx 固定和 对葡萄糖的电化学检测。研究结果表明,吸附在 WO3 表面的 GOx 能 进行可逆的直接电化学反应,其速率常数是 3.6s-1,表明 W03 是 GOx 电化学反应的促进剂。 吸附在 WO3 表面的 GOx 能保持对葡萄糖氧化 的生物电催化活性。 而且电极对葡萄糖的检测显示出良好的电化学性 能,具有灵敏度高,稳定性好,抗干扰能力强等优点。第八章无创血糖仪 的研制与开发本章根据电化学原理及葡萄糖的性质 ,结合复合纳米材 料的特殊性能,研制开发了基于电化学传感器的无创血糖分析仪。该 仪器小型化设计、携带方便、可以做到无创检测血糖。 【关键词】 :葡 萄糖氧化酶葡萄糖检测纳米材料生物传感器电化学分析无创血糖仪 【学位授予单位】 :华东师范大学 【学位级别】 :博士 【学位授予年份】 :2011 【分类号】 :TP212.3 【目录】 :摘要 6-10ABSTRACT10-20 第一章绪论 20-50 第一节葡萄 糖检测方法的研究与进展 21-231.1 色谱法 211.2 光谱法 21-221.3 生物 传感器法 22-23 第二节葡萄糖生物传感器研究进展 23-292.1 经典葡萄

糖酶电极 23-242.2 介体葡萄糖酶电极 24-252.3 直接葡萄糖酶电极 25-262.4 其他葡萄糖传感器 26-29 第三节酶固定化技术的研究与发展 29-353.1 提高酶稳定性 29-313.2 提高酶的活性 31-333.3 改善酶的立体 选择性 33-35 第四节纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究与 进展 35-424.1 纳米材料概述 35-364.2 纳米材料的合成及制备 364.3 纳 米材料的水热合成及其应用 36-394.4 水热合成的衍生方法 39-404.5 纳米材料应用于葡萄糖生物传感器的研究与进展 40-42 第五节本论文 的工作及意义 42-44 参考文献 44-50 第二章基于链接反应固定的葡萄 糖氧化酶及其应用于葡萄糖生物传感器的研究 50-621.前言 50-512.实 验部分 51-543.结果与讨论 54-583.1 金纳米粒子的表征 543.2 生物传 感器的电化学表征 54-553.3 酶活的检测 55-563.4 工作条件的优化 56-573.5 葡萄糖的电化学检测 57-583.6 实际样品的测量 583.7 选择性 和重现性 584.结论 58-60 参考文献 60-62 第三章超声条件下合成的 PAMAM-Au 复合纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究 62-721.前言 62-632.实验部分 63-653.结果与讨论 65-693.1PAMAM-Au 的表征 65-663.2Nafion/GOD/PAMAM-Au/MWCNTs/GCE 传感器应用 于葡萄糖的检测研究 66-673.3 实际样品的测量 67-683.4 选择性和稳 定性 68-694.结论 69-70 参考文献 70-72 第四章仿生聚多巴胺-金纳米 粒子复合膜修饰的葡萄糖生物传感器的研究 72-851.前言 72-732.实验 部分 73-743.结果与讨论 74-823.1 金纳米粒子和聚多巴胺/纳米金的表 征 74-773.2 实验条件的优化 77-783.3 葡萄糖的电化学检测 78-793.4 不同酶传感器的传感器性能的比较 79-803.5 实际样品的测量 80-813.6

选择性和重现性 81-824.结论 82-83 参考文献 83-85 第五章树叶状 CuO 纳米材料修饰电极对葡萄糖的快速安培检测 85-971.前言 85-862.实验 部分 86-873. 结果与讨论 87-943.1 树叶状 CuO 纳米材料的表征 87-893.2 实验条件的优化 89-903.3GCE/CuO/GOx/Nafion 生物传感器 的安培响应 90-933.4 稳定性和重现性 933.5 实际样品的检测 93-944. 结论 94-95 参考文献 95-97 第六章 ZnO/Au 复合材料的合成、性能表 征及其应用于葡萄糖的检测研究 97-1081. 前言 97-982. 实验部分 98-1003. 结 果 与 讨 论 100-1053.1ZnO/Au 的 形 貌 和 结 构 表 征 100-1013.2ZnO/Au 修 饰 电 极 的 电 化 学 表 征

101-1023.3GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion 电极应用于葡萄糖的检测研究 102-1033.4 实际样品的测量 103-1043.5 抗干扰试验 104-1053.6 稳定性 1054. 结论 105-106 参考文献 106-108 第七章葡萄糖氧化酶在纳米 WO_3 修饰电极上的直接电化学及其应用 108-1211.前言 108-1092.实 验部分 109-1103. 结果与讨论 110-1183.1WO_3 的形貌和结构表征 110-1123.2 电 化 学 表 征 112-1143.3GOx 的 直 接 电 化 学 反 应 114-1173.4GCE/WO_3/GOx/Nafion 电 极 对 葡 萄 糖 的 电 催 化 氧 化 117-1184.结论 118-119 参考文献 119-121 第八章无创血糖仪的研制与 构想 121-1261.前言 1212.无创血糖仪的研制 121-1252.1 葡萄糖生物传 感器的研究 121-1232.2 实验原理及方法 123-1242.3 无创血糖检测流 程 1242.4 无创血糖仪的主要特点 124-1253.结论 125 参考文献 125-126 附录博士就读阶段科研成果 126-128 致谢 128

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