第1章緒論

1.1電化學(xué)生物傳感器
經(jīng)過幾十年的研究，電化學(xué)傳感器在參比電極、電位傳感器、伏安傳感器、電化學(xué)生物傳感器以及電化學(xué)氣體傳感器等方面取得了巨大的進(jìn)步[1，2]。其中，電化學(xué)生物傳感器具有成本低廉，操作簡單，選擇性專一，檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，因而引起了研宄工作者的廣泛關(guān)注。電化學(xué)生物傳感器是由生物識(shí)別元件(電活性物種)和信號(hào)轉(zhuǎn)換器件(基底電極)這兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元組成的，通過各種物理或化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器件捕捉目標(biāo)分子與識(shí)別元件之間反應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的定量測(cè)定，那么，其關(guān)鍵步驟是識(shí)別元件的構(gòu)建。對(duì)于目前而言，識(shí)別元件的構(gòu)建仍然集中在電活性物種固定化方法的改進(jìn)，從而來提高電化學(xué)生物傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，擴(kuò)大其在臨床診斷、環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)控制和生物分析等領(lǐng)域的應(yīng)用[3-5]。
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1.2電化學(xué)生物傳感器的類型
根據(jù)生物反應(yīng)產(chǎn)生信息的物理或化學(xué)性質(zhì)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器通常采用與之相匹配的電化學(xué)、光譜、熱、壓電以及表面聲波等技術(shù)，由此衍生出電化學(xué)生物傳感器、光生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、熱生物傳感器和壓電晶體生物傳感器等。其中，電化學(xué)生物傳感器又可按被選生物化學(xué)受體的不同進(jìn)行分類，主要有酶傳感器、DNA傳感器和免疫傳感器。酵生物傳感器是電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域中研究最多也是最早的一類。在2006~2007年之間，酶生物傳感器發(fā)展非常迅速。這段時(shí)間內(nèi)大量的納米材料被應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建。例如，Namvakaki等人用二氧化桂(silica)和導(dǎo)電性碳納米纖維材料(nanofiber)制備得到電化學(xué)生物傳感器(圖1.1),他們將酶包埋到聚賴氨酸為端基的桂膠表面，得到的酶生物傳感器即使在茍刻條件(如高溫)下也具有較好的活性。葡萄糖生物傳感器能夠用于糖尿病的控制，所以倍受關(guān)注隨著糖尿病人數(shù)的不斷增加，新型的葡萄糖傳感器急需不斷研發(fā)。例如，F(xiàn)u等人[16]利用化學(xué)預(yù)氧化和電化學(xué)聚合方法(CPEM)在含有酶的溶液中聚合單體得到安培葡萄糖生物傳感器。含有葡萄糖氧化酶(GOx)或堿性憐酸酶(ALP)的低聚物復(fù)合材料與聚(1,4-苯二硫酷)通過電化學(xué)共沉積在金電極表面，其制備過程如圖1.2所示，得到的復(fù)合膜的酶負(fù)載量和活性都很高，且該法制得的葡萄糖傳感器比用普通電解法制得的傳感器靈敏度高。相比于傳統(tǒng)的識(shí)別元件，適配體具有固有的選擇性和親和性等多種優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)被廣泛用于新型傳感器的設(shè)計(jì)。DNA傳感器一般可分為兩類：(1)傳感器用于檢測(cè)特定的DNA序列；（2)利用DNA片段傳感器來檢測(cè)非DNA分子(如小分子和蛋白質(zhì))。Lubin等人[21]研究了探針的長度和幾何形狀，以及氧化還原標(biāo)記的位置對(duì)DNA電化學(xué)傳感器的影響。通過不同長度的直鏈或芳經(jīng)探針以及氧化還原位置的不同制備不同序列結(jié)構(gòu)的傳感器，，具體制備過程如圖1.3所示。Wu等人[22]提出了一種電化學(xué)檢測(cè)DNA和蛋白質(zhì)的信號(hào)放大方法。目標(biāo)分子在電極表面被捕獲后，就會(huì)引發(fā)受控的自由基聚合反應(yīng)。隨著聚合物材料的鏈段長度不斷增加，可為后續(xù)氨基二茂鐵的偶合反應(yīng)提供許多場(chǎng)所，反過來又能增加電化學(xué)信號(hào)的輸出。DNA和卵清蛋白的檢測(cè)限分別為15 pM和0.07 ng/mL。
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第2章膽酸誘導(dǎo)殼聚糖絮凝包埋蛋白質(zhì)/酶用于電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建

2.1引言
蛋白質(zhì)/酶的固定在生物科學(xué)和生物技術(shù)研究中至關(guān)重要[8"]。由于非共價(jià)包埋蛋白質(zhì)/酶具有各種突出的優(yōu)點(diǎn)，所以其對(duì)生物催化、生物傳感器、生物電子器件和生物燃料電池的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。例如，像娃、鐵、鍋和鋯這些選擇性包埋材料呈現(xiàn)出化學(xué)惰性，親水性和熱穩(wěn)定性，從而能有效防止蛋白質(zhì)的變性。同時(shí)，非共價(jià)包埋不需要來自蛋白質(zhì)/酶上的氨基或接基的共價(jià)作用，因此，幾乎不會(huì)改變蛋白質(zhì)/酶的空間構(gòu)象。此外，非共價(jià)包埋在室溫下即可進(jìn)行，這有助于保持蛋白質(zhì)/酶的生物活性。殼聚糖(CS,學(xué)名為聚氨基-2-脫氧-D-葡萄糖])，由于具有良好的生物相容性、廉價(jià)以及低毒性[87_91]等特點(diǎn)，因此可作為固定蛋白質(zhì)/酶的優(yōu)良基質(zhì)。碳納米管(CNTs)作為碳納米材料的一員，具有特殊的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，例如高電導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性、大表面積及強(qiáng)抗腐燭性因此，CS-CNTs復(fù)合材料同時(shí)具有CS的生物相容性和CNTs的導(dǎo)電性，可廣泛用于生物傳感器和生物催化劑的構(gòu)建到目前為止，pH誘導(dǎo)交聯(lián)法[97，化學(xué)誘導(dǎo)交聯(lián)法和溶液蒸發(fā)法[1。51常用于制備殼聚糖基生物傳感器和生物催化裝置。但是，天然殼聚糖只有在酸性溶液中是可溶的，這就限制了通過pH誘導(dǎo)交聯(lián)法和溶液蒸發(fā)法來制備殼聚糖基生物裝置的適用范圍。雖然使用戊二酸共價(jià)交聯(lián)的殼聚糖是不溶的，但是戊二酸和蛋白質(zhì)/酵之間的共價(jià)交聯(lián)過程會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)/酶發(fā)生構(gòu)象變化，甚至變性。
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2.2實(shí)驗(yàn)部分

2.2.1試劑
牛血紅蛋白(Hb，M=64，500)購于Sigma公司，使用前未進(jìn)一步純化。多壁碳納米管(MWCNTs，純度>95%，比表面積：110 m2 g-i)購于成都有機(jī)化學(xué)試劑有限公司。乙二胺四亞甲基膦酸(EDTMP)購于山東泰和水處理有限公司，在使用前用無水乙醇重結(jié)晶兩次。殼聚糖(CS，脫乙酸度約95 %, M=150，000)購于南通興成生物制品廠。1.0 mg mL—i CS溶液制備：100 mg CS溶于100 mL 1 wt%W乙酸溶液。所得溶液過濾后用NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH至5.0。過氧化氧(H2O2)溶液需現(xiàn)配，其濃度用KMn04標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定。醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(HAc-NaAc，0.1M, pH 5.0)由HAc和NaAc按一定比例配制而成。其它試劑均為分析純，且未進(jìn)一步純化。
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第3章Fem-DETPA配合物在PAH功能化的多壁碳納米管.....29
3.1引言 .....29
3.2實(shí)驗(yàn)部分..... 29
3.3結(jié)果與討論..... 31
3.4本章小結(jié).....   40
第4章一步電沉積法制備殼聚糖/膦酸鐵(m)復(fù)合膜.....41
4.1引言 .....41
4.2實(shí)驗(yàn)部分 .....42
4.2.1 試劑..... 42
4.2.2 儀器.....   42
4.2.3 CS-Fe(notpH3)/Au 修飾電極的制備..... 42
4.3結(jié)果與討論..... 42
4.3.1 CS-Fe(notpH3)復(fù)合膜的表征..... 42
4.3.2 CS-Fe(notpH3)/Au修飾電極的直接電化學(xué)..... 45
4.3.3 pH敏感的電催化性能..... 46
4.4本章小結(jié)..... 49
第5章結(jié)論..... 50

第4章一步電沉積法制備殼聚糖/膦酸鐵(III)復(fù)合膜及其pH可控的電催化

4.1引言
近年來，各種物理/化學(xué)信號(hào)敏感的激勵(lì)響應(yīng)功能材料在藥物緩釋、廢水處理、傳感器、分子器件等諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用己引起廣泛關(guān)注[172]79]。特別是，激勵(lì)響應(yīng)材料修飾電極可通過外部信號(hào)激勵(lì)使電化學(xué)開關(guān)和界面氧化還原反應(yīng)速率調(diào)控成為可能。事實(shí)已證明電催化的可控和信號(hào)誘導(dǎo)在信息儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)傳導(dǎo)和放大、電化學(xué)傳感器及其他電子器件方面具有很大的潛在應(yīng)用[180-190]0基于高分子膜切換/可調(diào)的電催化，其雖然不直接參與電子轉(zhuǎn)移過程，但是影響活性物種從本體溶液到電極表面的傳導(dǎo)過程，故已成功實(shí)現(xiàn)通過改變溫度、電場(chǎng)、pH值、離子強(qiáng)度以及電位來控制電極的界面性質(zhì)在各種外部激勵(lì)切換/可調(diào)的電催化中，其中pH可控的電催化是研究最多的。一般來說，切換/可控電催化是通過將氧化還原探針(例如Fe(CN;)63-，F(xiàn)c(C00H)2和RU(NH3)63+等）嵌入pH敏感的聚合物膜內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)聚合物膜中酸/堿的質(zhì)子化/去質(zhì)子化切換使其在帶電和不帶電狀態(tài)之間跳躍的過程。例如，Hu等人己制備得到了多種聚合物基的層層自組裝膜，其均顯示出pH敏感滲透性，故可用作電活性探針，將其應(yīng)用到控制電催化中但是，這些修飾電極往往在儲(chǔ)存和運(yùn)行過程中有一定量的氧化還原探針的泄漏，從而導(dǎo)致其穩(wěn)定性和可切換次數(shù)不理想。因此，探究一種新型的具有高穩(wěn)定性和重復(fù)性的刺激響應(yīng)功能材料是非常有必要的。

結(jié)論

本論文的總體思路為利用有機(jī)膦酸的-PO3H2官能團(tuán)交聯(lián)高分子聚合物的-NH2官能團(tuán)物理包埋電活性物種從而構(gòu)建電化學(xué)生物傳感器。相比于傳統(tǒng)的固定化方法(吸附法、共價(jià)鍵合法和交聯(lián)法)，本文采用的物理包埋法的優(yōu)勢(shì)突顯在制得傳感器具有更高的活性回收率以及更好的穩(wěn)定性。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)果如下：
1.利用EDTMP中的-PO3H2基團(tuán)與CS的-NH2基團(tuán)之間的相互作用來誘導(dǎo)CS在低pH值條件下絮凝從而包埋Hb。包埋的Hb能夠?qū)崿F(xiàn)其直接電子轉(zhuǎn)移，且對(duì)H2O2還原顯示出良好的電催化性能。
2.利用HsDETPA為配體合成了含有未配位-COOH官能團(tuán)的電化學(xué)活性Fe°DETPA配合物。利用EDTMP中的-PO3H2基團(tuán)交聯(lián)PAH的-Nlfc基團(tuán)從而誘導(dǎo)PAH絮凝來物理包埋Fe°-DETPA配合物，F(xiàn)e-DETPA配合物中未配位-COOH官能團(tuán)與PAH中-NH2官能團(tuán)間的靜電相互作用可實(shí)現(xiàn)Fe-DETPA配合物在PAH-MWCNTs納米復(fù)合物中的有效固定。固定的Fe-DETPA配合物能夠?qū)崿F(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，且對(duì)H2O2呈現(xiàn)出良好的電催化活性，可用于對(duì)H2O2的電化學(xué)檢測(cè)。
3.合成了含有未配位-PO3H2官能團(tuán)的Fe(iiotpH3)配合物，F(xiàn)enotpH3)配合物自身即可導(dǎo)致CS絮凝，從而實(shí)現(xiàn)Fe(notpH3)配合物在CS中的包埋。利用一步電沉積法即可制得具有三維多孔結(jié)構(gòu)的CS-Fe(notpH3)復(fù)合膜。復(fù)合膜內(nèi)Fe(notpH3)配合物能夠?qū)崿F(xiàn)其直接電子轉(zhuǎn)移，且對(duì)H2O2還原顯示出優(yōu)良的電催化活性，可用于對(duì)H2O2的電化學(xué)檢測(cè)。此外，在pH 3.5-4.1之間，F(xiàn)e(notpH3)的式電位值隨溶液pH值改變而急劇跳躍、利用此特性可制備一個(gè)基于H2O2還原的電化學(xué)開關(guān)。
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參考文獻(xiàn)（略）