微喷涂生物传感器 ——一类新型传感器构建技术研究

论文摘要

食品是人类赖以生存和发展的物质基础,而食品安全问题是关系到人体健康和国计民生的重大问题。评价一种食品是否安全,就是要依靠一定的检测手段提供科学依据,确定食品中的有毒有害物质的含量和毒性,通过风险评估来考虑其是否对人体造成实际的危害。传统的检测手段所需时间长,需要昂贵的设备,操作复杂,因此发展新型、快捷、经济、准确的快速检测手段,是食品安全的一项重要研究内容。目前应用较广泛的食品安全快速检测手段主要有荧光分析、快速检测试剂盒、快速检测试纸条、生物传感器等。生物传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、响应快等优点,近年来成为研究热点之一。本论文主要是研究利用微喷涂技术构建一类新型的生物传感器,论文主要围绕以下几个方面开展了一些工作:1微喷涂技术条件的优化本研究是利用微喷涂技术进行传感器的制备,在制备过程中喷涂针头的堵塞和导电线路的不完整性将直接影响到传感器的电化学性能。研究了银浆材料的流变学性质、喷涂针头的内径大小、喷涂压力、等待延滞时间、喷涂针头和基底材料的间距对所制备传感器性能的影响。最后选用的微喷涂参数为:银浆的粘度8000CPS～9000CPS;喷涂针头内径为0.15mm;延滞时间50ms～300ms;喷涂压力20 KPa;喷涂针头和基底材料间距为0.1mm;Z轴回复高度0.2mm～0.5mm。2微喷涂传感器的构建及性能表征在电脑上利用AutoCAD,Photoshop等作图软件对传感器的图案进行设计之后,编写好相应的程序,输入到系统中,然后制备三电极系统的传感器,利用银浆制备成导电线路,Ag/AgCl作为参比电极,并在工作电极和辅助电极的表面用导电高分子材料PEDOT/PSS（3,4-ethylenedioxythiophene/polystyrene sulfonic acid）进行修饰。用实体显微镜和原子力显微镜表征了传感器的表面形态特征,实验结果表明传感器表面形态良好。在1 mmol/L的硫堇溶液中用循环伏安法对传感器进行了电化学表征,记录传感器的氧化峰电位Epa、氧化峰电流Ipa和半波电位Epa/2,采用Epa、Epa/2、Ipa和电荷传递系数α作为评估电极一致性的指标。结果显示传感器具有较好的电化学性能、稳定性、批量一致性。3微喷涂葡萄糖氧化酶传感器在本研究中,我们在制备了空白的三电极传感器之后,用微喷涂技术在工作电极的表面滴涂上PEDOT/PSS导电高分子材料,将葡萄糖氧化酶（glucose oxidase,GOD）和电子媒介体铁氰化钾溶解于羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose,CMC）溶液中,然后直接滴涂在工作电极上面,自然晾干,形成生物敏感膜,制备成微喷涂葡萄糖氧化酶传感器。实验结果表明我们用微喷涂技术构建的葡萄糖氧化酶传感器检测葡萄糖溶液具有良好的响应,在0.5mg/L～5.0mg/L葡萄糖浓度范围内有较好的线性相关度,线性相关系数达到了0.9894,传感器的一致性和稳定性良好。4微喷涂辣根过氧化物酶传感器在本实验中为了检验所制备传感器的性能,我们又制备了用辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase,HRP）进行修饰的生物传感器,用来检测H2O2。在实验中,我们在先用高分子导电材料PEDOT/PSS成膜修饰到空白电极上面,然后在导电高分子薄膜之上修饰辣根过氧化物酶,自然晾干之后,整个工作电极用具有选择性的醋酸纤维素半透膜进行封装。经电化学检测之后,实验结果显示,我们制备的微喷涂辣根过氧化物酶传感器对H2O2具有非常良好的灵敏性,在0.5～5.0mmol/L浓度范围内的有较好的线性相关度,线性相关系数达到了0.9851。传感器的稳定型非常好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 食品安全的定义和主要食品安全问题
• 1.1.1 食品安全的定义
• 1.1.2 主要食品安全问题
• 1.2 食品质量安全的主要检测手段
• 1.2 1 目前主要的食品质量安全仪器分析检测手段
• 1.3 食品安全快速检测的必要性及现状
• 1.4 生物传感器在食品安全快速检测中的应用
• 1.4.1 生物传感器在农残、药残方面的检测
• 1.4.2 生物传感器在致病菌和生物毒素方面的检测
• 1.4.3 生物传感器在重金属方面的检测
• 1.4.4 生物传感器在食品添加剂方面的检测
• 1.5生物传感器的主要制备技术及其优缺点
• 1.5.1 固态贵金属修饰生物传感器
• 1.5.2 液膜生物传感器
• 1.5.3 微电子生物传感器
• 1.5.4 丝网印刷生物传感器
• 1.5.5 喷墨印刷生物传感器
• 1.6 研究目标和内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 微喷涂系统的构建及技术条件的选择
• 2.1 微喷涂系统构建
• 2.1.1 三维自动机械臂
• 2.1.2 微喷涂控制系统
• 2.1.3 其他辅助系统
• 2.2 微喷涂过程的主要技术条件选择
• 2.2.1 喷涂过程中胶体材料的流变特性
• 2.2.2 微喷涂系统的可控参数
• 2.2.3 针头堵塞原因
• 2.2.4 拖尾现象产生的原因
• 2.2.5 线路不完整的原因
• 第3章 微喷涂传感器制备及性能表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验设备和材料试剂
• 3.1.2 微喷涂传感器的制备过程
• 3.1.3 微喷涂传感器的表征
• 3.1.4 数据处理与绘图
• 3.2 结果和讨论
• 3.2.1 制备材料和制备条件的选择
• 3.2.2 传感器表面形态学表征
• 3.2.3 传感器的电化学表征
• 3.2.4 传感器性能的一致性分析
• 3.3 结论
• 第4章 微喷涂传感器的应用研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 仪器和试剂
• 4.1.2 微喷涂生物传感器的构建
• 4.1.3 传感器的电化学检测原理
• 4.1.4 传感器性能的电化学表征
• 4.1.5 数据处理与绘图
• 4.2 结果和讨论
• 4.2.1 pH值对传感器性能的影响
• 4.2.2 PEDOT/PSS导电高分子修饰膜对传感器性能的影响
• 4.2.3 电子媒介体对传感器性能的影响
• 4.2.4 膜厚度对传感器性能的影响
• 4.2.5 完整传感器对待测物溶液的检测
• 4.2.6 传感器的响应电流和待测物溶液浓度之间的关系
• 4.2.7 微喷涂传感器的稳定性
• 4.3 结论
• 第5章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 微喷涂技术条件优化
• 5.1.2 微喷涂传感器制备及性能表征
• 5.1.3 微喷涂传感器的应用研究
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 英文缩略表
• 电极图案详细程序
• 研究生期间发表与待发表论文
• 致谢