功能型纳米材料建设之新式酶生物传感器及应用研究

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1、功能型纳米材料建设之新式酶生物传感器及应用研究第一章绪论进入21世纪以来，在分析科学、信息科学、系统科学、物理科学等学科发展的基础之上，生命科学取得了丰硕的创新成就。尤其是生命科学前沿领域的许多研究成果在医学领域的直接应用，在病理学研究和临床预防、诊断、治疗等领域引发了革命性的变化，如：系统生物学在疾病病理学研究中的应用；基因治疗法在肿瘤、艾滋病、遗传性疾病等领域的应用。这些成功鞭策着生命科学谋求更大的发展与进步。由此生命科学向分析科学提出了更高、更新、更具体的要求：即在获得高灵敏度、高选择性的同时实现对分析检测样品的原位（insitu)、在体(invivo

2、)、实时（real　　功能型纳米材料建设之新式酶生物传感器及应用研究第一章绪论进入21世纪以来，在分析科学、信息科学、系统科学、物理科学等学科发展的基础之上，生命科学取得了丰硕的创新成就。尤其是生命科学前沿领域的许多研究成果在医学领域的直接应用，在病理学研究和临床预防、诊断、治疗等领域引发了革命性的变化，如：系统生物学在疾病病理学研究中的应用；基因治疗法在肿瘤、艾滋病、遗传性疾病等领域的应用。这些成功鞭策着生命科学谋求更大的发展与进步。由此生命科学向分析科学提出了更高、更新、更具体的要求：即在获得高灵敏度、高选择性的同时实现对分析检测样品的原位（insitu

3、)、在体(invivo)、实时（realline)、在线(online)检测并提供高通量、多水平的数据和信息。这同时也是现代分析科学自身发展的趋势，电化学传感器、生物传感器、电化学生物传感器等检测技术也朝着这一趋势发展。生物传感器，是一种结合生物技术与信息技术，用于监测生命体系或与之相关的生物基元的分析检测装置，通常是由识别元件和理化换能器两部分组成；涉及化学、生物学等多个学科以及食品检测和环境保护等领域有着广阔的应用前景。生物传感器往往具有特异性生物识别功能，分析速率快，可与多种现代检测技术联用等优点，可构建一些灵敏度高、专一性好、成本低廉的快速检测方法，

4、是当前生命分析科学研究领域中的研究热点。电分析化学是分析科学的主要分支，研究工通过电化学手段对蛋白质和酶的电子传递过程进行研究，研究证明存在于检测体系中的氧化还原和电极之间的电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型[4]。由于电化学生物传感器往往比较容易实现生命分析所期望的微型化、集成化及原位、在体、实时、在线的检测，因此在包括临床诊断、环境监测和工业生产流程控制等多个与生命科学密切相关的领域中得以应用。纳米材料在光学性能、电学性能、磁学性能、力学性能、化学活性、生物兼容性等方面表现出了独特的性能。将纳米技术与生物传感技术相结合，可增强传感器的电流响应，

5、提高灵敏度，降低检测限，为生物传感器的制备及应用提供了丰富的材料。临床中常常以体液中某些酶的活性作为人体营养健康、疾病诊断的重要指标，而这些酶的含量往往较低。因此酶的检测分析一直是生命科学、临床医学和化学研究中的重要课题，需要既了解酶的结构与性能之间的关系、酶的形态及其与小分子的相互作用，又能够对实际样品中微量酶进行含量、活性等检测。酶活性的测定是酶的研究、生产和应用过程中不可缺少的环节，是确定酶含量多少的技术保障，在开展酶学研究过程中的重要基础。基于光辅助的电分析方法（光电分析方法）的出现，为酶活力检测研究开辟了一条新的道路；尤其是基于半导体纳米材料的光电

6、分析体系的构建及在酶活力检测中的应用，为研究酶反应动力学进行了全新的尝试。半导体功能材料以及相关改性方法、加工技术的不断涌现，为光电分析体系的构建提供了丰富的光敏活性材料，有望实现对复杂体系中酶活力的高灵敏度、快速检测。本文以金纳米粒子(GNPs)、银纳米粒子（AgNPs)、二氧化铁（Ti02)，氧化锌（ZnO)等多种纳米材料作为氧化还原反应界面，构建了可以加速蛋白质（酶）与电极间电子转移过程的纳米材料修饰电极，讨论了蛋白质（酶）在修饰电极上的电化学行为，构建了用于蛋白质（酶）及其活性快速检测的新策略和新方法，为研究生命过程中蛋白质（酶）电子传递，活性变化，

7、临床检验中生物分子的快速、灵敏、简易测定提供科学理论基础。通过对贵金属纳米粒子沉积、非金属元素掺杂、金属氧化稱合等方法对半导体纳米材料（Ti02)进行表面改性修饰及功能化，提高其光电转换效率和催化效能。并基于半导体纳米复合材料构建了光电分析体系，建立了以酶活性变化为检验标准的酶抑制剂蹄选动态模型，研究了内源性神经毒素、镉离子、氯氮平等物质对乙酰胆碱酯酶活性的影响。本章将对电化学生物传感器、半导体纳米材料、光电分析以及乙酰胆碱酯酶活性研究等领域的现状和进展作一综述。第二章基于可见光激发的光电化学传感器制备及其应用第一节光电化学传感器用于内源性神经毒素损伤乙醜胆

8、碱酯酶活性研究在众多材料中，具有较窄禁带宽度的半导体