基于纳米材料—蛋白质多元复合材料的电化学生物传感器的制备与应用

论文摘要

蛋白质是一类重要的生物大分子,研究氧化还原蛋白质和酶在电极上的直接电化学行为,为研究生命体内酶的电子传递过程提供了模型,对认识和理解它们的电子传递机理、探索生命体内的生理作用机制、开发新型第三代生物传感器和生物燃料电池等具有十分重要的意义。离子液体（IL）具有特殊的理化性质,如导电性高、化学稳定性和热稳定性好、电化学窗口宽、挥发性小、无毒等,被广泛应用于电化学和电分析领域。纳米材料具有高比表面积、高活性以及特殊的性质等使之成为应用于传感器方面最有前途的材料。本论文将离子液体和纳米材料复合材料作为修饰剂,制备了几种不同的血红素蛋白质修饰电极,并研究了血红素蛋白质的直接电化学与电催化行为。论文主要包括以下内容：1.采用水热法制备出了海胆状的纳米MnO2,并将其用于血红蛋白（Hb）修饰电极的制备。以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM]BF4）为粘合剂和修饰剂,制得了离子液体修饰碳糊电极（CULE）。以CILE为基底电极,采用层层涂布法将Hb和CTS-MnO2的混合物滴涂在电极表面,制得了CTS-MnO2/Hb/CILE修饰电极。采用光谱法、扫描电子显微镜（SEM）和循环伏安法对电极进行了表征,光谱实验结果表明Hb在修饰膜内保持了其自身的原始构型,循环伏安结果出现一对峰形良好且准可逆的氧化还原峰,研究了蛋白质在复合膜内的直接电化学行为,并求解了相关的电化学参数,并进一步研究了该修饰电极对三氯乙酸（TCA）的电催化性质,求解了相应的表观米氏常数（KMapp）。2.构建了一种基于壳聚糖（CTS）-血红蛋白（Hb）-多壁碳纳米管（MWCNTs）-离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴盐（[BMIM]Br）复合膜修饰的电化学生物传感器。将离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐（[EMIM]EtOSO3）代替部分石蜡作为粘合剂和修饰剂与石墨粉一起混合制得CILE,然后将CTS, Hb, MWCNTs和[BMIM]Br按一定的比例混合后制备出一种多元复合材料,滴涂于电极表面后制得了一种新型的修饰电极CTS-Hb-CNT-IL/CILE。紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表明Hb在复合膜内保持了其生物活性。电化学交流阻抗实验（EIS）表明该修饰电极能加快电子转移速率,这是由于IL和CNT之间存在一定的协同作用。循环伏安结果表明在pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中,Hb修饰电极上出现一对准可逆的氧化还原峰,求解了相应的电化学参数。该修饰电极对三氯乙酸（TCA）和亚硝酸钠（NaNO2）表现出良好的电催化行为,计算了相应的表观米氏常数（KMapp）。3.以离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐（[EMIM]EtOSO3）和六氟磷酸正丁基吡啶（BPPF6）代替部分石蜡为粘合剂制备了2种离子液体碳糊电极（CILE）。以CILE为基底电极,以葡聚糖（De）、海藻酸钠（SA）为成膜材料,纳米材料和IL为修饰剂,辣根过氧化物酶（HRP）和肌红蛋白（Mb）为研究对象,采用混合涂布法分别制备出了De-HRP-V2O5-IL/CILE和SA-Mb-Fe2O3-IL/CILE修饰电极。用紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变换-红外光谱（FT-IR）和循环伏安法对修饰电极进行了表征。所制备的修饰电极对三氯乙酸（TCA）表现出良好的电催化能力,在最佳实验条件下,催化还原电流和TCA的浓度分别在0.4-16.0 mmol/L和0.6-12.0 mmol/L范围内呈良好的线性关系,检测限（3σ）分别为0.3和0.4 mmol/L。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 纳米材料简介
• 1.1.1 纳米材料的定义
• 1.1.2 纳米材料的分类
• 1.1.3 纳米材料的基本效应
• 1.1.4 纳米材料的制备方法
• 1.1.5 纳米材料在电分析化学领域的应用
• 1.2 蛋白质直接电化学的研究进展及研究意义
• 1.2.1 血红素蛋白质简介
• 1.2.2 血红素蛋白质的直接电化学
• 1.2.3 血红素蛋白质在电极上的固定方法
• 1.3 生物传感器简介
• 1.3.1 生物传感器的定义
• 1.3.2 生物传感器的原理与特点
• 1.3.3 生物传感器的分类
• 1.3.4 电化学生物传感器的进展
• 1.4 离子液体在电分析化学中的应用
• 1.4.1 离子液体简介
• 1.4.2 离子液体在电分析化学中的应用
• 1.5 本论文的基本思路、目的和研究内容
• 1.5.1 本论文的基本思路、目的
• 1.5.2 研究内容
• 参考文献
• 2纳米粒子/离子液体[BMIM]BF₄修饰碳糊电极的直接电化学行为'>第二章 血红蛋白在海胆状MnO₂纳米粒子/离子液体[BMIM]BF₄修饰碳糊电极的直接电化学行为
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 仪器与试剂
• 2纳米粒子的制备'>2.1.2 海胆状MnO₂纳米粒子的制备
• 2.1.3 电极的制备
• 2.1.4 实验方法
• 2.2 结果与讨论
• 2纳米粒子的表征'>2.2.1 海胆状MnO₂纳米粒子的表征
• 2.2.2 紫外-可见吸收光谱图
• 2.2.3 傅里叶变换红外光谱图
• 2.2.4 Hb的直接电化学
• 2.2.5 扫描速度对Hb电化学响应的影响
• 2.2.6 对TCA的电催化
• 2/Hb/CILE的稳定性和重现性'>2.2.7 CTS-MnO₂/Hb/CILE的稳定性和重现性
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 血红蛋白在多壁碳纳米管-离子液体-壳聚糖复合材料修饰电极上的直接电化学和电催化的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 仪器与试剂
• 3.1.2 CTS-Hb-CNT-IL/CILE的制备
• 3.1.3 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 扫描电子显微镜图
• 3.2.2 紫外-可见吸收光谱图
• 3.2.3 傅里叶红外变换光谱
• 3.2.4 电化学交流阻抗谱图
• 3.2.5 Hb的直接电化学
• 3.2.6 扫描速度对Hb电化学响应的影响
• 3.2.7 pH值对Hb电化学行为的影响
• 3.2.8 对TCA的电催化
• 2的电催化'>3.2.9 对NaNO₂的电催化
• 3.2.10 CTS-Hb-CNT-IL/CILE的稳定性和重现性
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₅纳米带复合材料修饰离子液体电极研究HRP的电化学行为'>第四章 葡聚糖-离子液体-V₂O₅纳米带复合材料修饰离子液体电极研究HRP的电化学行为
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 仪器与试剂
• 2O₅-IL/CILE的制备'>4.1.2 De-HRP-V₂O₅-IL/CILE的制备
• 4.1.3 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 电镜
• 4.2.2 不同修饰电极的表征
• 4.2.3 光谱表征
• 2O₅-IL/CILE中的直接电化学行为'>4.2.4 HRP在De-V₂O₅-IL/CILE中的直接电化学行为
• 4.2.5 扫描速率的影响
• 4.2.6 电催化还原TCA
• 4.2.7 电极的稳定性和重现性
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₃纳米材料/离子液体BPPF6修饰碳糊电极上的直接电化学与电催化'>第五章 海藻酸钠-肌红蛋白-离子液体[DMIM]Br-Fe₂O₃纳米材料/离子液体BPPF6修饰碳糊电极上的直接电化学与电催化
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 仪器与试剂
• 2O₃-IL/CILE的制备'>5.1.2 SA-Mb-Fe₂O₃-IL/CILE的制备
• 5.1.3 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 扫描电镜表征图
• 5.2.2 光谱图结果
• 5.2.3 Mb的直接电化学
• 5.2.4 修饰电极对三氯乙酸的电催化
• 5.2.5 修饰电极的稳定性和重现性
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 致谢
• 攻读学位期间已发表和待发表的相关学术论文题录