基于新型半导体金属纳米材料的电化学生物传感器

纳米材料独特的性质（如大的比表面积，高的催化效率，强的吸附能力等），使其在生物传感分析领域得到了广泛的应用。基于纳米材料构建的电化学生物传感器，不仅有效地解决敏感材料的固定及再生问题，而且极大地提升了传感器的检测性能，同时也使仪器易于微型化和多功能化。本论文制备了多种半导体纳米粒子，并将其修饰到电极表面，构建了三种新型的电化学生物传感器，应用于了大肠杆菌DNA、李斯特菌DNA和生物活性还原剂没食子酸的检测。
　　(1)通过控制Cd2+与硫脲的比例，合成了三种不同形貌（无规则块状、棒状和六棱锥型）的硫化镉(CdS)纳米材料。采用扫描电镜(SEM)和X—射线衍射(XRD)进行样品进行了表征，并推测了样品的生长机理。电化学表征实验表明六棱锥型的CdS(eh-CdS)纳米粒子较另外两种CdS具有更好的电催化性能。进一步采用循环伏安法在eh-CdS修饰玻碳电极表面聚合上一层异烟酸(IS)聚合膜(PIA)，并利用PIA膜上的功能基团(-COOH)与5'-NH2修饰大肠杆菌特征DNA反应，构建了一种新型的DNA电化学传感器。以亚甲基蓝(MB)为电化学探针考察了探针DNA在电极表面的固定效果和杂交性能。结果表明，探针DNA能有效固定在PIA-eh-CdS/GCE修饰电极表面，固定量为3.0×10-10mol/cm2。所制备传感器能在1.0×10-14～1.0×10-9mol/L范围内对目标DNA进行检测，检测了限达到了3.9×10-15mol/L。
　　(2)采用水热合成法合成了一种蕨叶状的Fe2O3纳米粒子。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X—射线衍射(XRD)对产物的形貌、结构及元素组成进行了表征。利用CS良好的成膜能力，将纳米Fe2O3固载到玻碳电极表面，得到CS-Fe2O3修饰玻碳电极。然后以对苯二甲醛(TPA)为双功能手臂分子将5'-NH2修饰的李斯特菌特征DNA片段固定在CS-Fe2O3修饰电极表面，从而制备了一种新型DNA生物传感器。电化学表征实验表明Fe2O3能显著增大电极的有效面积和电催化活性。以[Fe(CN)6]3-/4-为探针，采用阻抗法考察了传感器的杂交性能，结果表明传感器可在1.0×10-14～1.0×10-9mol/L浓度范围内实现对李斯特菌目标基因浓度的定量检测，检测限为5.6×10-15mol/L。此外，传感器的杂交特异性实验表明能准确区分DNA互补序列、非互补序列及碱基错配序列。
　　(3)采用水热合成法制备了一种新型的鱼骨状Fe2O3(fFe2O3)纳米材料，并将其掺合到氧化石墨烯(GO)和壳聚糖的混合液中，制备了一种新型的杂化材料(CS-fFe2O3-GO)。将CS-fFe2O3-GO修饰于玻碳电极表面，并采用电化学方法杂化材料中的的GO还原为石墨烯(ERGO)，得到了一种高催化活性、高比表面积、高稳定性的修饰膜。实验表明，修饰电极（CS-fFe2O3-ERGO/GCE）在酸性条件下对没食子酸(GA)具有良好的催化活性。在最佳实验条件下，GA氧化峰电流与其浓度在1.0×10-6～1.0×10-4mol/L范围内呈现良好的线性关系。根据三倍信噪比计算得传感器对GA检测限为1.3×10-7mol/L。另外，该电极能对葡萄酒和绿茶提取液实际样品中GA的检测，结果令人满意。