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摘 要

壳聚糖是天然生物高分子甲壳素的衍生物，近年来被广泛应用于生物传感器中作为酶、抗体等生物大分子的固定材料。壳聚糖-纳米金复合材料具有导电性强，生物相容性好，催化活性高等优点，在构建传感器方面得到了广泛的应用。本文采用电化学法，在低电位下壳聚糖与氯金酸混合为电解液，直接共沉积，制备出金-壳聚糖纳米复合膜修饰的ITO电极，构建出一种无酶传感器，实现对过氧化氢（H₂O₂）的灵敏检测。在优化的实验条件下，该传感器对H₂O₂的检测范围为0.1-61.5 mmol/L，检出限为0.05 mmol/L。该传感器具有响应快、灵敏度高、稳定性好的特点。

关键词：壳聚糖；纳米金；生物传感器；过氧化氢

Electrochemical Biosensor based on Electrodeposited Gold Nanoparticles/Chitosan Composite Film

ABSTRACT

Chitosan is a natural biopolymer chitin derivatives are widely used in biological sensors in recent years as the fixing material of enzymes, antibodies and other biological macromolecules. Chitosan-gold nanoparticle composite materials with good conductivity, biocompatibility and highly catalytic activity, have a wide range of applications in relation to the construction of biosensor. Using electrochemical method, the mixture of chitosan and gold chloride acid could be deposited on the surface of ITO electrode to fabricate gold-chitosan nano-composite modification, which could enable the non-enzymatic detection of hydrogen peroxide（H₂O₂）. Under the optimized experimental conditions, the detection range of H₂O₂ was 0.1-61.5 mmol/L. The proposed sensor possessed fast response, high sensitivity and good stability.

Keywords: Chitosan; Gold nanoparticles; Electrochemical biosensor; Non-enzymatic; Hydrogen peroxide

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章文献综述 4

1.1前言 4

1.2 基于壳聚糖-纳米金粒子复合材料的生物传感器的应用 5

1.2.1葡萄糖生物传感器 5

1.2.2 H₂O₂生物传感器 6

1.2.3 免疫传感器 6

1.2.4 其他方面的应用 7

1.3本课题主要研究的内容和意义 7

第二章壳聚糖-金纳米粒子复合材料及其生物传感器的制备 9

2.1前言 9

2.2 实验部分 9

2.2.1实验仪器 9

2.2.2实验试剂 10

2.2.3壳聚糖-金纳米复合材料的制备 10

2.2.4 生物传感器的制备 10

第三章结果与讨论 12

3.1 壳聚糖-金纳米的结构形态表征 12

3.2壳聚糖-金纳米的电化学表征 12

3.2.1循环伏安法 12

3.2.2电化学阻抗 13

3.3实验条件的优化 14

3.3.1 pH的选择 14

3.3.2工作电位的优化 15

3.4壳聚糖-纳米金复合材料/ITO对H₂O₂的电催化还原 16

第四章结论与展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章文献综述

1.1前言

生物传感器（biosensor）是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。一般由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统（图1.1）。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

图1.1生物传感器示意图

壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，其化学结构如图1.2所示。壳聚糖是天然生物高分子甲壳素的衍生物，具有可降解性、良好的成膜性、良好的生物相容性、很好的化学修饰能力等性能，近年来被广泛应用于生物传感器中作为酶、抗体等生物大分子的固定材料。

图1.2壳聚糖的化学结构

金是化学性质最稳定的元素之一，但是纳米级的金粒子却具有特殊的物理化学性能。早在1857年，Faraday用磷将AuCh-水溶液还原，得到了呈深红色的金纳米粒子胶体溶液，这一现象打破了人们对金颜色的认识。1908年，Mie对金的表面等离子共振进行了解释，通过求解Maxwell方程对球形金纳米粒子的表面等离子共振进行了定量描述。正是因为金纳米粒子具有比表面积大，生物亲和性高的特点，使其在生物传感器、光化学与电化学催化、光电子器件等领域有着极其广阔的应用前景。金纳米粒子作为一种新型催化剂在催化氧化反应中有着很高的催化活性，而担载金纳米粒子后，TiO₂薄膜的光催化活性极大提高。

1.2 基于壳聚糖-纳米金粒子复合材料的生物传感器的应用

1.2.1葡萄糖生物传感器

2004年陈洪渊院士等的研究结果表明,随着葡萄糖的加人量不断增多，氧化电流不断增高，在7 s内达到了稳定响应状态的95%。在葡糖浓度为5.0 µmol/L-2.4 mmol/L范围内，该传感器呈极好的线性响应，而且其检测限仅为 2.7 µmol/ L ^[1]。2007年邹小勇等制得了检测限为 0.2 µmol/ L、检测线性范围为0.001-7.0 mmol/L的葡萄糖生物传感器^[2]。此外，徐静娟^[3]、陈强^[4]、朱俊杰^[5]等也都对基于壳聚糖-纳米金粒子复合材料的葡萄糖生物传感器作了较深入的研究。葡萄糖生物传感器的发展基于两个方面的技术基础：第一，葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物的主要组成部分，葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要的位置，其分析方法的研究一直引起人们的关注。特别是临床检验中对血糖分析技术的需求，促进了葡萄糖酶分析方法建立；第二，1954年，Clark建立了氧电极分析方法。1956年又对极谱式氧电极进行了重大改进，使活体组织氧分压的无损测量成为可能，并首次提出了氧电极与酶的电化学反应理论。根据Clark电极理论，自20世纪60年代开始，各国科学家纷纷开始葡萄糖传感器的研究。经过近半个世纪的努力，葡萄糖传感器的研究和应用已有了很大的发展，在食品分析、发酵控制、临床检验等方面发挥着重要的作用。

1.2.2 H₂O₂生物传感器

对于H₂O₂生物传感器的应用研究多集中在近两年内。2008年袁若等获得了检测线性范围为1.4×10^-7-6.6×10^-3mol/L的H₂O₂生物传感器，当信噪比为3时，其检测限为4.5×10^-8 mol/L^[6]。在同一年，邹小勇等也开展了有关H₂O₂生物传感器的研究工作^[7]。在早期研究工作中，Esurn等用硼氢化钠还原了金粒子，并将壳聚糖吸附在金粒子上，用自旋捕捉技术检验了其抗氧化能力。结果表明，该复合材料比抗坏血酸抗氧化能力高80倍^[8]。周庆美等人用壳聚糖-纳米金复合膜固定血红蛋白分子，制备了高灵敏度H₂O₂传感器^[9]。其他相关研究工作还有许多^[10,11,12]，这里不再一一列举。

1.2.3免疫传感器

与葡萄糖生物传感器及H₂O₂传感器不同，免疫传感器的构造是将抗体结合到电极表面实现的，结合抗体的多样性决定了该传感器的检测对象十分广泛，免疫传感器的原理如图1.3所示。从沈国励教授的人血清白蛋白抗原传感器^[13]到袁若教授的癌胚抗原传感器再到俞汝勤教授的日本血吸虫抗原传感器^[14]，不胜枚举。近年来，壳聚糖-纳米金粒子复合材料在免疫传感器方面的应用有很多。汤俊琪等人在玻碳电极表面修饰壳聚糖和纳米金，以纳米金对抗体等生物分子的良好亲和性，固定酪蛋白抗体制得酪蛋白免疫传感器。该免疫传感器制作简单，成本较低，操作方便，可应用于牛奶质量和非乳蛋白掺杂使假的检测^[15]。杨光明等人采用电化学法，在低电位下壳聚糖与氯金酸混合为电解液，直接共沉积，制备金-壳聚糖纳米复合膜修饰的电极，并用此膜成功固定了人类绒毛促性腺素抗体，研制成无电子媒介的人类绒毛膜促性腺激素免疫传感器。该传感器在人类绒毛促性腺激素为0.2~100 mIU/mL的范围内有良的线性关系，且检测限较低^[16]。

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