新型纳米材料合成及其应用于葡萄生物传感器的研究

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1、摘要葡萄糖是动植物体内碳水化合物的主要组成部分，人体内血糖的检测，对于评估人们的健康状况，特别是对糖尿病人的临床诊断和治疗方法评价等有着至关重要的意义。糖尿病是一种多病因的代谢类疾病，是由于体内胰岛素不足和靶细胞对胰岛素敏感性降低、或者胰岛素本身存在结构缺陷而引起碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢紊乱的症状，其主要表现是高血糖、糖尿。随着人们生活水平的提高和老年人口的增加，糖尿病发病率呈上升趋势，我国的糖尿病患者已超过三千万人，而世界卫生组织预计到2025年全世界糖尿病患者将达到3亿。目前对糖尿病的治疗手段主要是通过频繁检测血糖浓

2、度及注射胰岛素实现对血糖浓度的紧密控制。医院临床诊断一般都采用有创血糖检测方法，但由于此方法需要采血，存在测量频率受限、易造成患者不适和感染及费用较高等诸多问题，无法满足实时和连续检测的需要。因此建立无创血糖检测的新方法具有十分重要的意义。生物传感器因其准确、灵敏、快速等优点，在化学、生物医学、食品和环境监测等领域得到了广泛的应用，已成为当代最活泼的研究领域之一。葡萄糖电化学生物传感器的工作原理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化酶(GlucoseOxidase，GOD)催化氧化葡萄糖时产生的过氧化氢电流的检测。纳米材料具有

3、表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，因此能够显示出独特的物理化学性质及良好的催化活性和生物兼容性，近年来被广泛应用于生物传感器的构造和生物芯片的开发等。基于纳米材料修饰的电化学生物传感器表现出较好的性能，如较大的电流响应、较高的灵敏度和较低的检测限，能够满足无创血糖检测的需要，在血糖的无创检测方面具有极大的应用前景。本论文利用水热法合成了树叶状CuO纳米材料、ZnO／Au复合纳米材料和纳米W03，并将其应用于葡萄糖生物传感器的研究与应用。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X．射线衍射光谱、电子衍射光谱和紫外

4、可见分光光度法对合成的纳米材料形貌和组成进行表征，利用循环伏安法、交流阻抗法、安培检测法等对葡萄糖的含量进行了检测和分析。在本论文中，葡萄糖生物传感器的灵敏度和稳定性都得到了很大提高，检测限低。基于酶与电极间直接电子传递的电流型生物传感器能够简单直接地获取信号，本论文对GOD与纳米材料间的直接电子传摘要递行为进行了考察，探讨了纳米材料对GOD直接电子传递行为的影响，并对葡萄糖氧化酶／纳米W03修饰的玻碳电极(GCE厂W03／GOD)检测葡萄糖的机理进行了讨论。本论文共分为四章：。第一章绪论本章内容主要包括无创血糖检测方法的研

5、究意义、血糖检测技术的研究现状、葡萄糖生物传感器的发展、纳米材料的性能和制备方法及其在电化学生物传感器中的应用。文中简要地介绍了无创血糖检测方法的研究意义；概括了现有的血糖检测方法的机理；对葡萄糖生物传感器的研究进展做了较为详细的概括，同时对纳米材料的性质与制备方法及其在电化学生物传感器中的应用进行了系统的综述。第二章树叶状CuO纳米材料修饰电极对葡萄糖的快速安培检测本章利用水热合成法制备了树叶状CuO纳米粒子，利用其增强酶活性中心与电极之间电子传递并催化氧化葡萄糖检测的中间产物H202，以构造葡萄糖电化学生物传感器。这种由

6、水热法单步合成的树叶状CuO纳米颗粒，用X射线衍射(Ⅺ①)，扫描电子显微镜镜(sEM)和透射电子显微镜(TEM)进行表征以研究其形貌和尺寸。在实验中我们考察了工作电位和pH值对检测结果的影响，选择了最佳实验条件。用此方法制备的葡萄糖生物传感器在对葡萄糖的检测中展示了优良的性能，具有较宽的线性范围(1．0．170gM)、较短的检测时间(5s)、低检测限(O．911．tM)、高灵敏度(246[．tA／mM／em2)和良好的稳定性。利用该树叶状CuO纳米材料构造的葡萄糖生物传感器具有制备过程简单的特点，在葡萄糖的临床检测方面具有良

7、好的应用前景。第三章ZnO／Au复合材料的合成、性能表征及其应用于葡萄糖的检测研究本章采用水热合成的方法制备了氧化锌纳米棒，结合金纳米粒子合成了氧化锌／金(ZnO／Au)纳米复合材料，并且将其应用于制备葡萄糖生物传感器对葡萄糖进行检测。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV二Ⅵs)和X射线衍射()am)对合成的ZnO／Au复合材料的形貌和组成进行表征。由于小尺寸的金纳米粒子负载于ZnO表面，大大加速了电子传递的速率，ZnO／Au修饰的葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测显示出更好的电化学性能

8、，对于低浓度的葡萄糖的检测具有检测限低(10nM)，线性范围宽(O．12摘要laM．33．0p．M，R2=0．9924)，响应速度快(<5s)，重现性好，生物兼容性好等优点。第四章GCE／WOJGOD／Nafion电极对葡萄糖的电催化响应本章采用水热合成的方法制备了W03纳米材料，并通过透