基于碳納米管的安培型HO生物傳感器的研究

1、A Carbon Nanotube Based Hydrogen PeroxideBiosensor基于碳納米管的安培型H2O2生物傳感器的研究報(bào)告人：麥智彬?qū)煟亨u小勇副教授目錄 選題背景及意義 儀器和試劑 實(shí)驗(yàn)方法 結(jié)果與討論 結(jié)論 創(chuàng)新點(diǎn) 致謝選題背景及意義生物傳感器是當(dāng)今電分析化學(xué)的研究前沿，新型材料（如納米材料，雜化材料等）在生物傳感器中的應(yīng)用是當(dāng)今的科研熱點(diǎn)之一。本研究工作充分利用當(dāng)今材料科學(xué)的新成果和新技術(shù)（CNTs），探索H2O2安培傳感器的制作方法，把分析科學(xué)與材料科學(xué)、生命科學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。 碳納米管(CNTs)及CNTs生物傳感器的研究進(jìn)展自從Lijima于1991年發(fā)

2、現(xiàn)CNTs以來(lái)，CNTs便由于獨(dú)特的理化性質(zhì)：如導(dǎo)體和半導(dǎo)體性質(zhì)，極高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的吸附能力，較大的比表面積和長(zhǎng)徑比，較多的催化位點(diǎn)等而備受科學(xué)家們的關(guān)注，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)CNTs可以分為單壁碳納米管（SWNTs）和多壁碳納米管（MWNTs）。 SWNTsMWNTs碳納米管(CNTs)及CNTs生物傳感器的研究進(jìn)展由于CNTs本身較大的比表面積，良好的吸附能力，用于電分析化學(xué)中則表現(xiàn)為電催化效應(yīng)（增敏作用和電位降）。因此CNTs電化學(xué)生物傳感器中具有更為廣闊的應(yīng)用前景。 近3年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)CNTs生物傳感器的綜述就有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生物傳感器的研究意義：GOD(OX)+glucose+H2OGOD(RED) + gluconic acid+ H2O2H2O2+HRPH2O+HRP-I氧化還原代謝是生物體內(nèi)最重要的代謝類(lèi)型之一，許多氧化還原代謝的產(chǎn)物都包含H2O2，因此建立H2O2的準(zhǔn)確，快速的分析方法對(duì)于監(jiān)測(cè)生物

4、體內(nèi)的代謝過(guò)程、生物制劑的研發(fā)、環(huán)境分析、食品檢驗(yàn)等方面具有重要意義。L-lactate+O2 +LOD(OX)pyruvate+H2O2+LOD(RED)儀器和試劑電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI660a電化學(xué)工作站中進(jìn)行，采用三電極系統(tǒng)，傳感器作為工作電極，鉑絲作為輔助電極，Ag/AgCl作為參比電極。掃描電鏡（SEM）照片采自日本電子株式會(huì)社場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（型號(hào)：JSM-6330F），透射電鏡（TEM）照片采自日本電子株式會(huì)社透射電子顯微鏡（型號(hào)：JEM-2010HR）。紅外光譜采用德國(guó)Bruker公司傅里葉變換紅外光譜-紅外顯微鏡聯(lián)用儀（型號(hào)：EQUINOX 55）制作。HRP購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)

5、試劑有限公司 ，規(guī)格：250units/mg所有溶液均用二次水配制, 所有實(shí)驗(yàn)均在0.05mol/L pH6.5 PBS中進(jìn)行。本論文的實(shí)驗(yàn)方法1 利用Nafion（一種陽(yáng)離子交換樹(shù)脂）修飾玻碳電極 (GC)。2 通過(guò)其磺酸基所帶的負(fù)電荷靜電吸附Thi（硫堇，結(jié)構(gòu) 類(lèi)似亞甲藍(lán)，可用作電子媒介體）構(gòu)成傳感器底層。3 電極外層使用CHIT（殼聚糖，一種生物相容性高分子） 混合包埋MWNTs和HRP。制成以Thi為介體的H2O2 傳感器。傳感器制作流程圖OHHNHHOHHOHOOHHOHHNHHOHOCOCH3HHnChitosanStructure:Raw material of Chitosan

6、F2CF2CxFCF2CyOF2CFCCF3OmF2CF2CSO3-H+S+NNH2H2NCH3CO2-NafionThionineStructure:Methylene BlueSNNH2+H2NCl-結(jié)果與討論： MWNTs的物理表征 傳感器對(duì)H2O2的響應(yīng) 條件實(shí)驗(yàn) 傳感器的性能圖1 MWNTs的物理表征4000300020001000ba C-OH-COO-COOH-OH3440118515681710Transmittance / %Wavenumber / cm-1H2O 與CHIT對(duì)MWNTs分散效果的比較MWNTs-COOH的IR圖圖2 MWNTs的物理表征圖3 傳感器對(duì)H2O

7、2響應(yīng)的CV曲線0.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-4-2024681012 After added 21mM H2O2 blankCurrrent / APotential / V條件實(shí)驗(yàn)： 靜電吸附時(shí)間選擇 掃描速率選擇 pH選擇 工作電位選擇 酶用量選擇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圖4 靜電作用時(shí)間與峰電流關(guān)系曲線(n=3)

8、20406080100-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5Current / AScan Rate / (mV / s)圖5 掃描速率與峰電流關(guān)系6.06.57.07.58.0203040506070Current / n ApH圖6 pH對(duì)響應(yīng)電流的影響 (CH2O2=0.1mmol/L, n=6）0.0-0.1-0.2-0.3-0.420406080100120140160180200Average Current / n AApplied Potential / V圖7 工作電位的選擇（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）0246810010203040506070

9、Current / n AThe Quantities of enzymes / U圖8 酶用量影響（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）傳感器性能 傳感器增敏效應(yīng)的機(jī)理探討 傳感器的響應(yīng)時(shí)間 傳感器的工作曲線（線性范圍為30mol/L5.5mmol/L ；相關(guān)系數(shù)為0.9995。在S/N=3的情況下，檢出限為19mol/L ） 米氏常數(shù)（米氏常數(shù)為1.93mmol/L ） 傳感器工作壽命研究（四天后電流下降了6.3%，之后保持穩(wěn)定 ）圖9 傳感器增敏效應(yīng)的機(jī)理探討（CH2O2=0.5mmol/L）25030035040045050001234567Current / ATime / s

10、econdA: GC/HRP+MWNTs+CHITB: GC/HRP+CHITC: GC/MWNTs+CHIT傳感器增敏效應(yīng)的機(jī)理探討由圖可見(jiàn)IAIB+IC。傳感器具有明顯的增敏現(xiàn)象。原因可以從幾方面來(lái)考慮：1. HRP可以有效地吸附在MWNTs管壁上；2. MWNTs也可以利用其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)深入HRP的 活性中心；3. MWNTs較大的比表面積也可以對(duì)H2O2起到富集作用；4. MWNTs 對(duì)H2O2具有催化作用。增敏效應(yīng)機(jī)理示意圖3603804004204405.005.255.505.756.006.256.50 Current / A393.3s398.2s433.5s438.9

11、sTime / second圖10 傳感器的響應(yīng)時(shí)間（CH2O2=0.5mmol/L）01234560.00.51.01.52.02.53.03.54.0Current / A Concentration / (mmol / L)圖11傳感器的工作曲線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.圖12 傳感器的米氏常數(shù)計(jì)算12345670102030405060708090100 Current / nATime / day圖13 傳感器壽命曲線（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）結(jié)論： 傳感器具有較好的線性范圍和檢測(cè)限，且具有較長(zhǎng)的壽命； CNTs的空間和電子效應(yīng)導(dǎo)致傳感器具有特殊的增敏效應(yīng)； 該傳感器為制作雙酶體系傳感器奠定基礎(chǔ)。本論文的創(chuàng)新