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基于laponite-石墨烯复合膜的生物电极构筑及其传感性能研究

作　者: 顾培
导　师: 薛怀国
学　校: 扬州大学
专　业: 物理化学
关键词: laponite-石墨烯生物传感器多酚氧化酶葡萄糖氧化酶黄嘌呤氧化酶
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

1.基于laponite-石墨烯复合膜的酚生物传感器无机粘土laponite在水介质中形成带负电的胶体,成膜后具有溶胀性与多孔性,吸附性能、生物相容性好。石墨烯(graphene)是厚度仅是一个原子的二维材料,具有独特的力学性质以及良好的导电性。通过结合这两种材料的优点,本文采用石墨烯与laponite复合材料固定多酚氧化酶(PPO)制备安培酚类生物传感器。采用等温滴定微量热法研究了石墨烯与laponite之间的相互作用,采用接触角、交流阻抗等手段研究了复合材料的表面和电化学性质,采用红外光谱、扫描电镜对复合材料的结构、形貌进行了表征。Laponite-G/PPO生物电极具有优异的电化学响应,检测灵敏度高达5072.2mA M-1cm-2,酶催化反应表观米氏常数为0.082mM,表观活化能为17.79kJ mol-1,传感器检测下限为20nM(按照信噪比3：1计算)；并且具备线性范围宽,响应时间快等优点。此外,本文还系统的探究了传感器的最佳构筑参数(如,各物质的使用比例、生物酶含量)和溶液的pH值、外加电位以及实验温度等外界因素对生物传感器响应的影响。2.基于laponite-石墨烯复合膜的葡萄糖生物传感器采用laponite-石墨烯复合材料将葡萄糖氧化酶(GOD)固定在铂电极上,从而构筑了葡萄糖生物传感器。复合材料的多孔结构有利于酶固定量的提高,较好的生物相容性使生物电极具有较好的稳定性,良好的导电性促进了快速的响应和高的灵敏度。研究了复合材料的配比、复合材料与酶的配比、酶含量等生物电极的构筑参数,探讨了溶液的pH值、操作电位以及系统温度等外界因素对传感器电流响应的影响。结果表明：该生物电极在操作电位为0.6V,pH7.0的0.1M磷酸缓冲液中,显示出比单一材料优越的电化学响应特性,灵敏度为124.84mA M-1cm-2,线性检测范围为0.2μM-3mM,表观米氏常数为0.39mM,催化反应活化能为17.21kJ mo1-1。同时,该生物传感器具有良好的抗电活性物质干扰性能,以及较好的稳定性。3.基于laponite-石墨烯复合膜的黄嘌呤生物传感器以laponite-石墨烯复合材料为载体,来固定黄嘌呤氧化酶(XnOx),制备了黄嘌呤生物传感器。通过扫描电镜、红外光谱、交流阻抗等对复合膜进行表征,结果表明：该载体材料对黄嘌呤氧化酶起到了有效的固定作用,酶的原始结构与活性得到了很好的保持,同时生物膜表面呈现多孔状,有利于底物在膜中的快速扩散和产物在电极界面的电子转移。研究了该生物电极的构筑条件以及外界条件对传感器响应电流的影响,确定了该传感器的最佳构筑参数和操作条件。在最优化条件下,该生物传感器显示出较优异的电化学分析性能：高灵敏度(139mA M-1cm-2),宽广的检测线性范围(0.49nM-0.02μM),较好的制作重现性；该生物传感器储存30天后,其活性仍保持原来的72%。

全文目录

中文摘要  6-8
Abstract  8-10
绪论  10-24
  1.1 生物传感器简介  10-13
    1.1.1 生物传感器的发展  10-11
    1.1.2 生物传感器的工作原理及特点  11-12
    1.1.3 生物传感器的分类  12
    1.1.4 生物传感器的应用及前景  12-13
  1.2 酶生物传感器简介  13-19
    1.2.1 酶生物传感器的固定化方法  14-15
    1.2.2 酶生物传感器的固定化材料  15-19
      1.2.2.1 laponite  16-17
      1.2.2.2 石墨烯  17-19
      1.2.2.3 laponite/石墨烯复合材料  19
  1.3 本论文的研究内容与创新之处  19-20
  参考文献  20-24
第二章基于laponite-石墨烯复合膜的酚生物传感器  24-46
  2.1 引言  24-25
  2.2 实验  25-27
    2.2.1 试剂与药品  25
    2.2.2 酶电极的制备  25-26
    2.2.3 仪器  26
    2.2.4 生物传感器响应电流的测定原理  26-27
  2.3 结果与讨论  27-44
    2.3.1 复合薄膜的表征  27-32
      2.3.1.1 复合膜的SEM图  27-28
      2.3.1.2 接触角(CA)图像  28-29
      2.3.1.3 等温滴定微量热(ITC)测定  29-30
      2.3.1.4 laponite-G/PPO酶电极交流阻抗研究  30-31
      2.3.1.5 laponite-G、PPO、laponite-G/PPO的红外光谱(FTIR)图  31-32
    2.3.2 生物传感器最佳条件的优化  32-34
      2.3.2.1 laponite/G质量比对酶电极响应的影响  32-33
      2.3.2.2 PPO/laponite质量比对酶电极响应的影响  33
      2.3.2.3 生物膜厚度对酶电极响应的影响  33-34
    2.3.3 生物传感器工作条件的优化  34-38
      2.3.3.1 溶液pH值对酶电极响应性能的影响  34-35
      2.3.3.2 操作电位对酶电极响应性能的影响  35-36
      2.3.3.3 温度对酶电极响应性能的影响  36-38
    2.3.4 底物浓度对生物传感器性能的影响  38-41
    2.3.5 生物传感器对不同酚类化合物的安培响应特性  41-42
    2.3.6 laponite-G/PPO酶电极的操作稳定性和寿命研究  42-44
  2.4 结论  44
  参考文献  44-46
第三章基于laponite-石墨烯复合膜的葡萄糖生物传感器  46-65
  3.1 引言  46-47
  3.2 实验  47-48
    3.2.1 试剂与药品  47
    3.2.2 酶电极的制备  47
    3.2.3 仪器  47-48
    3.2.4 生物传感器响应电流的测定原理  48
  3.3 结果与讨论  48-63
    3.3.1 复合薄膜的表征  48-52
      3.3.1.1 复合膜的SEM图  48-49
      3.3.1.2 laponite-G、GOD、laponite-G/GOD的红外光谱(FTIR)图  49-50
      3.3.1.3 laponite-G、GOD、laponite-G/GOD的紫外光谱(UV)图  50-51
      3.3.1.4 laponite-G/GOD酶电极交流阻抗研究  51-52
    3.3.2 生物传感器最佳条件的优化  52-54
      3.3.2.1 laponite/G质量比对酶电极响应的影响  52-53
      3.3.2.2 GOD/laponite质量比对酶电极响应的影响  53
      3.3.2.3 生物膜厚度对酶电极响应的影响  53-54
    3.3.3 生物传感器工作条件的优化  54-57
      3.3.3.1 溶液pH值对酶电极响应的影响  54-55
      3.3.3.2 操作电位对酶电极响应的影响  55-56
      3.3.3.3 温度对酶电极响应的影响  56-57
    3.3.4 酶电极的电化学响应特性  57-60
    3.3.5 laponite-G/GOD酶电极的选择性和抗干扰能力  60-61
    3.3.6 laponite-G/GOD酶电极的操作稳定性和寿命研究  61-63
  3.4 结论  63
  参考文献  63-65
第四章基于laponite-石墨烯复合膜的黄嘌呤生物传感器  65-84
  4.1 引言  65-66
  4.2 实验  66-68
    4.2.1 试剂与药品  66
    4.2.2 酶电极的制备  66-67
    4.2.3 仪器  67
    4.2.4 生物传感器响应电流的测定原理  67-68
  4.3 结果与讨论  68-81
    4.3.1 复合薄膜的表征  68-70
      4.3.1.1 复合膜的SEM图  68-69
      4.3.1.2 laponite-G/XnOx的红外光谱(FTIR)图  69
      4.3.1.3 laponite-G/XnOx酶电极交流阻抗研究  69-70
    4.3.2 生物传感器最佳条件的优化  70-73
      4.3.2.1 laponite/G质量比对酶电极响应的影响  70-71
      4.3.2.2 XnOx/laponite质量比对酶电极响应的影响  71-72
      4.3.2.3 生物膜厚度对酶电极响应的影响  72-73
    4.3.3 生物传感器工作条件的优化  73-77
      4.3.3.1 溶液pH值对酶电极响应的影响  73-74
      4.3.3.2 操作电位对酶电极响应的影响  74-75
      4.3.3.3 温度对酶电极响应的影响  75-77
    4.3.4 底物浓度对laponite-G/XnOx酶电极响应电流的影响  77-79
    4.3.5 laponite-G/XnOx的干扰测定  79-80
    4.3.6 laponite-G/XnOx的重现性与寿命测定  80-81
  4.4 结论  81
  参考文献  81-84
结论  84-85
硕士期间发表的论文及成果  85-86
致谢  86-87

基于laponite-石墨烯复合膜的生物电极构筑及其传感性能研究

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