纳米复合材料视角下电化学生物传感器分析

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1、纳米复合材料视角下电化学生物传感器分析1绪论电化学生物传感器是当代分析科学的重要研究方向之一。它具有灵敏度高、选择性好、设备简单、价格低廉、易微型化等特点。近年来，随着材料科学和纳米技术的发展，包括纳米碳材料、纳米金属材料、纳米氧化物材料和纳米高分子聚集体等在内的种类繁多的纳米材料逐渐被研发出来，由于其具有独特的电、光和催化等性质，将纳米技术与电化学传感技术相结合，发展出的新型纳米电化学传感器具有更好的稳定性、灵敏度及选择性等性能，从而在生物及医疗技术研究、食品生产及安全监测、制药工业及药物检测、临床检测、环境分析等领域都表现出了巨大的市场价值和喜人的应用前景。1.1电化学生物传感器

2、1.1.1电化学生物传感器的原理电化学生物传感器是一种以固定化的生物敏感材料为识别元件，以电化学电极为信号转换器，经电化学工作站信号放大装置输出，产生电化学特征检测信号从而实现对某些分子检测的分析系统。其中，生物敏感材料是生物传感器的核心部分，直接影响传感器的性能。生物敏感材料主要有固定化的酶、抗体/抗原、核酸、生物组织或细胞、微生物等。此外，随着生物学、材料学的不断发展，近年来逐渐出现了以模拟酶，及具有催化性能的无机材料、有机材料及其复合材料等作为识别元件的电化学传感器，使电化学生物传感器的概念范围进一步延伸[1~3]。目标底物分子在传感界面通过生物敏感材料的识别作用，如生物催化作

3、用和生物亲和作用，与分析物反应后经信号转换器得到电化学信号，此信号可以由生成产物产生，也可以由电化学反应直接产生；产生的电化学信号与被检测物浓度相关，可以是电流、电位、电容、阻抗等，并通过电化学工作站信号放大装置输出，最终实现对被分析物质的检测。电化学生物传感器工作原理如图1.1。1.1.1电化学生物传感器分类及应用电化学生物传感器可以从识别元件、电化学反应机理、输出信号的类型及检测物质类型的角度进行分类。如图1.2。基于生物催化作用的酶传感器是研究历史最长，技术最成熟的电化学生物传感器，它的输出信号以电流型为主，灵敏度相对较高且应用广泛。基于生物亲和作用的免疫传感器和DNA传感器近

4、几年发展迅速，其输出信号也以电流型为主，主要用于医学分析。随着生物技术的高速发展，生物组织、微生物、细胞器等也逐渐被用于电化学生物传感器的制作，他们多数基于自身的代谢、催化作用产生电化学信号，可实现实时在线的活体检测。近年来，由于多种新材料的普及和商品化，科研工将许多性能独特、导电性优良的新材料引入电化学传感器，创造了大量的新型电化学生物传感器，极大丰富了电化学生物传感领域的研究内容。电化学生物传感器作为研究最早、最为广泛的生物传感器，具有灵敏度高、选择性好、设备简单、价格低廉、易微型化等特点，在医学，工业，和环境监控等方面展现出了巨大的应用潜力，其研究内容十分丰富，科研成果层出不穷

5、。目前，电化学生物传感器作为例行试验和筛选的有力工具，已经应用于临床检测、环境分析等领域。1.1.3电化学酶生物传感器酶传感器是基于催化作用的一类电化学生物传感器，它的原理按照底物检测方法不同可分为直接催化型和间接抑制型两种，前者作用原理是根据酶的专一性和催化性，直接检测酶的特定底物经催化反应所产生电化学信号；后者是利用酶/抑制剂的相互作用，利用抑制剂加入前后电化学信号的变化间接对抑制剂进行检测。其原理如图1.3所示。其中辅助剂为保持或提高酶催化性能的固定基底材料。依据酶催化反应类型的不同可将酶分为六大类：氧化还原酶、水解酶、裂解酶、转移酶、异构酶和连接酶。氧化还原酶是电化学酶生物传

6、感器中应用得最多的一类酶[7]。常见的用于构建传感器的酶主要有过氧化物酶、乙酷胆碱酯酶、葡萄糖氧化酶、酪氨酸酶、乙醇脱氧酶、胆碱氧化酶等。从第一支Clark酶电极[8]至今，酶传感器已经发展了三代：第一代以氧为天然电子转移中介，第二代以媒介体辅助电子转移，第三代是发展酶的直接电子转移。2基于二氧化钛纳米管/石墨烯纳米带复合材料的半胱氨酸传感器2.1前言二氧化钛纳米材料（Ti02)具有良好的生物相容性和电、光催化活性，现已在电化学生物传感方面得到了广泛关注，但其导电性较差使其应用受到了限制。通过对二氧化钛纳米材料的表面改性或制备新型复合材料，能够有效改善其二氧化钛材料的导电性及催化性，

7、改善传感器的性能，提高灵敏度和选择性。目前，基于二氧化钛纳米管⑴、二氧化钛纳米阵列[2，3]、二氧化钛纳米棒[4]、二氧化钛纳米球[⑶、二氧化钛纳米片[7]、一.氧化钛表面片层中空微球[8]等复合材料已有大量文献研究。主要的研究集中在二氧化钛材料直接吸附固定酶等生物分子[8，9]，利用其多孔及大比表面积等特性增大负载量；纳米管表面沉积金属纳米粒子如金纳米粒子[1，1，11]、铂纳米粒子[3，12]等，进而增强其导电性和催化性；利用其管结构和吸附性制备普鲁士