基于纳米材料构建的生物传感器应用于多组分小分子检测的研究

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1、西南大学硕士学位论文第一章第一章绪论弟一早三酉比1．1生物传感器简介随着社会的发展，人类生活质量的不断提高。在食品加工，临床检测及环境监测等领域，都存在大量样品需要快速、灵敏、高效检测。在这一背景下，生物传感器因其选择性高、分析耗时短、操作简单、成本低廉且能在线连续分析等优点而备受关注。1．1．1生物传感器的结构生物传感器因其制备方法不同可分为：电化学、光学、热学及压电晶体生物传感器等不同类型。无论什么类型的生物传感器都主要由两部分组成，即感应器和物理换能器。其中关键部分便是由具有识别能力的生物活性物质构成的感应器。由于这些生物活性物质能够识别对应的生物分子，使得所制备的生物传感器对

2、目标分子具有很高的选择性【·】。目前构成敏感膜的生物活性物质有酶、抗原和抗体、细菌、组织、植物凝血素等。1．1．2生物传感器的原理被测目标物扩撒进入敏感膜，经分子识别，生化反应后，期间所产生的信息，如消耗或生成的物质，产生的光、热等，被相应的物理换能器转换成与目标物浓度相关的电信号。最后，将电信号通过电子系统放大、处理后，在仪器上显示、记录下来，实现对目标物的检测分析。1．1．3生物传感器的分类由于生物传感器中组成感应器的生物活性物质不同检测的目标物则不同。因此，根据感应器组成材料分为酶传感器、免疫传感器、组织传感器、微生物传感器等。1．2电化学生物传感器1．2．1电化学生物传感器概

3、述电化学生物传感器是电化学分析的重要组成部分，也是生物传感器中研究较多的一种类型。电化学生物传感器将具有识别能力的生物活性的物质作为分子识别原件构成感应器，并与物理换能器主要有惰性金属电极、碳电极、气敏电极等相结合而组成传感器。由于其敏感膜具有分子识别功能，具有专一性和高效性，使得其与传统分析方法相比具有构造简单、选择性好、灵敏度高、样品预处理简便等优点。此外，电化学生物传感器易于小型化、微型化，可用于连续的实体检测，西南大学硕士学位论文第一章更适合临床和现场即时分析检测【2】。1．2．2化学修饰电极在生物传感器中的应用由于固体电极不具备分子识别功能，且许多物质在裸电极上具有较高的过

4、电位。为了满足快速、灵敏、准确、高效检测，就必须在裸电极上人工设计制作具有特殊功能表面微结构。这样由于电极表面修饰的材料不同，也就给化学修饰电极带来了特殊功能用以实现对目标物的选择性检测，极大的提高电极的灵敏度和准确性【3】。1．3电化学方法检测生物小分子的研究概况生物小分子在人体新陈代谢及生命过程中起着重要作用，与人类的健康息息相关f4】。这些具有不同活性的生物小分子在细胞间生命信号传递，控制人类情感及行为和调节新陈代谢等机体生命活动上相互影响，共同调节生命机体的平衡。例如，多巴胺(DA)在中枢神经系统的信息传递过程中作为重要的神经递质，它对调节中枢神经、心血管系统的功能起到重要的

5、作用。DA含量的失衡会导致精神分裂，老年痴呆症和帕金森综合症等【5】。抗坏血酸(AA)又称维生素C，是人类饮食中的一种重要成分，可以促进神经递质的合成、抗体形成、抗生素的产生，同时还能参与人体胶原蛋白的合成，有助于人体创伤的愈合等功能。此外AA还是一种抗氧化剂能清除体内自由基，防止由于体内过氧化作用而产生有毒物质，维持酶的活性，保持各部位的正常功能运作延长寿命。体内AA的缺失会导致白内障、坏血病、动脉硬化等病症【s】。尿酸(UA)是嘌呤新陈代谢的主要终产物。尿酸浓度含量的失常会导致一些疾病的产生，例如痛风、高尿酸血症等【7】。色氨酸(Trp)是人体内一种必需的氨基酸。一旦人们不能正常

6、代谢Trp，有可能导致精神分裂症。近几年来，许多杂志报道了NO在中枢神经系统中扮演神经递质或者神经调节物质的角色。虽然NO对大脑皮层中DA的释放的影响的结果是有争议的，但是毫无疑问的是NO在生物体内几秒钟就可以被氧化为NOz’。因此临床检测体内这类小分子的含量，对生理功能和疾病早期诊断具有重要意义。在过去的几十年中，电化学方法由于其灵敏度高、响应快、操作简单、费用低等优点在生物小分子的定量检测中备受关注【s】。国内外研究者对它们的电化学行为进行诸多探究。虽然像AA、DA、UA这类生物小分子都具有电活性，能直接在电极上发生电化学反应。然而，他们都共存于生物基质中，要达到简单、快速、灵敏

7、、高选择性的对实际样品的进行检测，就不得不考虑他们的相互干扰问题。尤其是AA、DA、UA这些物质在裸电极上的氧化电位相近，使得电信号重叠，相互干扰，很难将其分离。同时，裸电极表面也很容易吸附电化学氧化产物污染而污染电极，使得电极选择性和重现性较差。为了克服这个难题，就必须对电极加以2西南大学硕士学位论文第一章修饰，来提高电极对这些生物小分子的选择性、灵敏度及电极的稳定性等。例如，LanqunMao等用层层自组装方法在玻碳电极表面自组装上，聚苯乙烯磺酸钠与碳