本文關(guān)鍵詞：三元金屬氧化物納米材料制備及其在糖尿病檢測和治療的應(yīng)用研究　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：糖尿病已經(jīng)成為21世紀全球最重要的健康問題之一。糖尿病的日常血糖管理關(guān)乎著數(shù)億患者的正常生活。連續(xù)血糖監(jiān)測儀正成為糖尿病慢病管理的重要手段之一,它可以實時、準確地探測血糖濃度,并控制胰島素注射劑量。為了更好的實現(xiàn)這些目標,需要研究制備具有更高靈敏度,更快響應(yīng)速度,更大線性范圍,更高穩(wěn)定性的葡萄糖生物傳感器,同時研究制備可用于糖尿病治療相關(guān)藥物負載和可控釋放的載體。為此,我們做了如下三個方面的研究工作:(1)新材料的制備研究。從新材料的選擇和制備方法入手,我們制備了三元金屬氧化物納米材料,包括KNbO3、LiNbO3、NiCo2O4和CoFe2O4納米材料,并利用金納米顆粒修飾提高了三元金屬氧化物基生物傳感器的性能。首先,我們用水熱法制備了 KNbO3納米針,并將其應(yīng)用于有酶雙氧水的探測。KNbO3納米針的鈣鈦礦非中心對稱結(jié)構(gòu)可以有效促進載流子的分離。通過表面鈮離子的eg軌道和表面吸附氧中間體之間形成的σ鍵,可以實現(xiàn)KNbO3和辣根過氧化物酶對雙氧水的共催化�；贙NbO3納米針構(gòu)建的有酶雙氧水生物傳感器的探測靈敏度達到了 750μA·mM-1·cm-2,線性范圍為0.04～6mM,并且可以在1～2 s內(nèi)實現(xiàn)對雙氧水的快速響應(yīng)。在KNbO3納米針上修飾金納米顆粒之后,金納米顆粒能有效促進電荷分離和電子傳遞。制備得到的無酶雙氧水生物傳感器探測靈敏度為318.2μA·mM-1·cm-2,這相比于KNbO3納米針無酶雙氧水生物傳感器探測靈敏度提升了 64%。其次,我們用熔融鹽法和生物模板法分別制備得到了 LiNbO3納米顆粒和納米管,并將其應(yīng)用于有酶葡萄糖生物傳感器。LiNbO3具有的最大自極化強度,可以更好地促進載流子的分離。用生物模板法制備的LiNbO3納米管相比于LiNbO3納米顆粒具有更多的比表面積,介孔和褶皺,有利于酶分子的固定,為保持酶活性提供了合適的微環(huán)境,同時其一維管狀結(jié)構(gòu)也有利于反應(yīng)物和酶分子之間的充分接觸,因此基于LiNbO3納米管構(gòu)建的有酶葡萄糖生物傳感器具有更好的性能,其探測靈敏度達到了 52.4 μA·mM-1·cm-2,這相比于鈮酸鋰納米顆粒提升了 86.5%。同時其線性范圍為0.3～3.3 mM,并可以在2s內(nèi)實現(xiàn)葡萄糖的快速響應(yīng)。再次,我們用水熱法在鈦片襯底上合成了 NiCo2O4納米材料,并將其應(yīng)用于無酶的葡萄糖生物傳感器。隨著水熱溫度的提高,NiCo2O4納米材料形貌從納米片逐漸向納米線轉(zhuǎn)變,分別探測它們的葡萄糖生物傳感器性能,發(fā)現(xiàn)納米片/納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的NiCo2O4具有最大的葡萄糖探測靈敏度,達到了驚人的1530μA·mM-1·cm-2。在此基礎(chǔ)上,提高制備過程中F-離子的加入濃度,以此制備的葡萄糖生物傳感器的探測靈敏度達到了 2387 μA·mM-1·cm-2,比之前足足提升了1.23倍。在NiCo2O4納米片上修飾了金納米顆粒之后,制備得到無酶葡萄糖生物傳感器的探測靈敏度為2979 μA·mM-1·cm-2,這相比NiCo2O4納米片葡萄糖生物傳感器的探測靈敏度又提升了 24.8%。最后,我們利用水熱法合成了中空CoFe2O4多孔微球,并將其應(yīng)用于色比葡萄糖生物傳感器。通過反應(yīng)時間控制的系列實驗,中空CoFe2O4多孔微球的生長過程可以解釋為原位溶解再結(jié)晶。利用TMB顯色劑在652 nm處的可見光吸收峰強的變化情況,我們實現(xiàn)了 CoFe2O4對葡萄糖的色比探測,線性范圍為0.67～6.67 mM。(2)傳感器集成化研究。我們結(jié)合光轉(zhuǎn)換,能量儲存和生物傳感制備得到NiCo2O4/SnO2全固態(tài)自驅(qū)動的葡萄糖生物傳感器。在光照條件下,光電流隨著葡萄糖濃度增大而線性減小,其檢測線性范圍為2～40mM。在無光照條件下,利用儲能電極中儲存的化學能可以氧化葡萄糖,開路電壓和葡萄糖濃度變化呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,其檢測線性范圍為2～12 mM。(3)藥物負載和釋放研究。我們制備的中空CoFe2O4多孔微球具有很高的比表面積,它的藥物負載效率為88.6%,每克CoFe2O4微球可以負載118.1 mg DOX藥物。在酸性pH值下,DOX負載的CoFe2O4微球具有更快的藥物釋放速率和更大的累積藥物釋放量。CoFe2O4微球具有較強的磁性,可以在交變磁場下實現(xiàn)對藥物的可控釋放。隨著交變磁場頻率和強度的增加,相同時間內(nèi),CoFe2O4藥物載體的累積藥物釋放量增加。前期CoFe2O4藥物載體的研究工作為今后胰島素負載和釋放的研究開展建立了基礎(chǔ)。
[Abstract]:Diabetes has become one of the most important global health problems in twenty-first Century. The daily blood glucose management of diabetes related to the normal life of hundreds of millions of patients. Continuous glucose monitoring is becoming an important means of managing chronic disease of diabetes, it can real-time, accurate detection and control of blood glucose, insulin dose. In order to achieve these goals better, need to study the preparation has higher sensitivity, faster response speed, wider linear range, more glucose biosensor with high stability, and can be used for the preparation of vector treatment of diabetes related drug release and controllable loads. Therefore, we do research in the following three aspects: (1) the preparation of new materials. Starting from the selection and preparation of new material method, we prepared three yuan of metal oxide nano materials were prepared, including KNbO3, LiNbO3, NiCo2O4 and CoFe2O4 nano materials, and The performance of three yuan of metal oxide based biosensor improved by gold nanoparticles. Firstly, we use water thermal method of KNbO3 nano needle was prepared, and its application in separation of hydrogen peroxide enzyme detection.KNbO3 nano needle perovskite non centrosymmetric structure can effectively promote the carrier. The bonding between the surface formed by niobium ion eg orbitals and surface adsorbed oxygen intermediates, can achieve KNbO3 and horseradish peroxidase on the catalytic hydrogen peroxide. The detection sensitivity of KNbO3 nano needle to build a hydrogen peroxide biosensor enzyme reached 750 A - mM-1 - cm-2 based on the linear range of 0.04 ~ 6mM, and can be in 1 ~ 2 s in the fast response the hydrogen peroxide. After modified gold nanoparticles in KNbO3 nano needles, gold nanoparticles can effectively promote the electron transfer and charge separation. Non enzymatic hydrogen peroxide biosensor prepared The detection sensitivity of 318.2 A - mM-1 - cm-2, which compared to the KNbO3 nano needle enzyme biosensor of hydrogen peroxide enhance the detection sensitivity of 64%.. Secondly, we use molten salt method and biological template method respectively to prepare LiNbO3 nanoparticles and nanotubes, and applied to the maximum self polarization glucose biological enzyme.LiNbO3 has a sensor, can better promote the separation of carriers. Compared with biological template preparation of LiNbO3 nanotubes in LiNbO3 nano particles have more surface area, mesoporous and fold, in favor of the enzyme molecules fixed, provide a suitable microenvironment for maintaining enzyme activity at the same time, it also has one-dimensional tubular structure for full contact between the reactants and enzyme molecules, so based on the performance of the LiNbO3 nanotubes construction of glucose biosensor has better, its detection sensitivity reached 52.4 A - mM-1 Cm-2, this is compared to lithium niobate nanoparticles to enhance the 86.5%. and the linear range was 0.3 ~ 3.3 mM, fast response and can achieve glucose within the 2S. Once again, our hydrothermal method NiCo2O4 synthesis of nano materials on titanium substrate, and its application in glucose biosensor with free enzyme. The increase of hydrothermal temperature, morphology of NiCo2O4 nano materials from nanosheets nanowires to gradually change, respectively, the detection performance of the glucose biosensor are found, nanosheets nanowires of NiCo2O4 have the maximum glucose detection sensitivity, a staggering 1530 A - mM-1 - cm-2. on the basis of this, increasing the concentration of added F- ion in the preparation process, detection sensitivity to glucose biosensor system by up to 2387 A - mM-1 - cm-2, for up to 1.23 times than before. The nano NiCo2O4 modified gold Nano particles were prepared after the detection sensitivity of non enzymatic glucose biosensor is 2979 A - mM-1 - cm-2, compared the detection sensitivity of nano NiCo2O4 glucose biosensor and enhance the 24.8%. finally, we use the hydrothermal method of hollow porous CoFe2O4 microspheres were synthesized, and its application in glucose biosensor is through. A series of experimental control of the reaction time, the growth process of hollow porous CoFe2O4 microspheres can be explained by in situ dissolution recrystallization. Measured by TMB reagent at 652 nm visible light absorption peak intensity, we implement CoFe2O4 on glucose is detected, the linear range was 0.67 ~ 6.67 mM. (2) of sensor integration. We combine optical conversion, energy storage and biosensor prepared by glucose biosensor NiCo2O4/SnO2 full solid self driving. Under the condition of illumination, the light with the current With the increase of glucose concentration decreases linearly, the linear range of detection was 2 ~ 40mM. in no light condition, the storage electrode chemical energy stored in the oxidation of glucose can change, open circuit voltage and glucose concentration showed a good linear relationship, the linear range of detection was 2~12 mM. (3) and the release of drug loading we prepared hollow porous CoFe2O4 microspheres prepared with high specific surface area, its drug loading efficiency was 88.6%, per gram of CoFe2O4 microspheres can load 118.1 mg DOX drugs. In acidic pH, CoFe2O4 microspheres DOX load faster drug release rate and cumulative drug release more.CoFe2O4 microspheres with strong magnetism can be controlled on the release of the drug in alternating magnetic field. With the increase of magnetic field intensity and frequency, the same time, the cumulative drug CoFe2O4 drug carrier increased release. The research work of phase CoFe2O4 drug carrier has established the foundation for the study of insulin load and release in the future.

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R587.1;TB383.1

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