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A Carbon Nanotube Based Hydrogen Peroxide Biosensor

A Carbon Nanotube Based Hydrogen Peroxide Biosensor. 基于碳纳米管的安培型 H 2 O 2 生物传感器的研究. 报告人：麦智彬 导师：邹小勇副教授. 目录. 选题背景及意义 仪器和试剂 实验方法 结果与讨论 结论 创新点 致谢. 选题背景及意义. 生物传感器是当今电分析化学的研究前沿，新型材料 （如纳米材料，杂化材料等）在生物传感器中的应用是 当今的科研热点之一。本研究工作充分利用当今材料 科学的新成果和新技术（ CNTs ），探索 H 2 O 2 安培

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A Carbon Nanotube Based Hydrogen Peroxide Biosensor

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Presentation Transcript

  1. A Carbon Nanotube Based Hydrogen Peroxide Biosensor

  2. 基于碳纳米管的安培型H2O2生物传感器的研究 报告人：麦智彬 导师：邹小勇副教授

  3. 目录 • 选题背景及意义 • 仪器和试剂 • 实验方法 • 结果与讨论 • 结论 • 创新点 • 致谢

  4. 选题背景及意义 生物传感器是当今电分析化学的研究前沿，新型材料 （如纳米材料，杂化材料等）在生物传感器中的应用是 当今的科研热点之一。本研究工作充分利用当今材料 科学的新成果和新技术（CNTs），探索H2O2安培 传感器的制作方法，把分析科学与材料科学、生命科学 有机的结合起来。

  5. 碳纳米管(CNTs)及CNTs生物传感器的研究进展 自从Lijima于1991年发现CNTs以来，CNTs便由于独特的理化性质： 如导体和半导体性质，极高的机械强度，良好的吸附能力，较大的 比表面积和长径比，较多的催化位点等而备受科学家们的关注，从 结构上来说CNTs可以分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米 管（MWNTs）。 MWNTs SWNTs

  6. 碳纳米管(CNTs)及CNTs生物传感器的研究进展 由于CNTs本身较大的比表面积，良好的吸附能力，用于电分析化学中则表现为电催化效应（增敏作用和电位降）。因此CNTs电化学生物传感器中具有更为广阔的应用前景。 近3年来国内外有关CNTs生物传感器的综述就有10篇之多。 References: 1. K. Balasubramanian, M. Burghard. [J]. Small, 2005,1(2):180-192. 2. E. Katz, I. Willner. [J]. ChemPhysChem, 2004, 5(8):1084-1104. 3. J. Wang. [J]. Electroanalysis, 2005, 17(1):7-14.

  7. H2O2生物传感器的研究意义： GOD(OX)+glucose+H2O→GOD(RED) + gluconic acid+ H2O2 L-lactate+O2 +LOD(OX)→pyruvate+H2O2+LOD(RED) H2O2+HRP→H2O+HRP-I 氧化还原代谢是生物体内最重要的代谢类型之一，许多 氧化还原代谢的产物都包含H2O2，因此建立H2O2的准 确，快速的分析方法对于监测生物体内的代谢过程、生 物制剂的研发、环境分析、食品检验等方面具有重要意 义。

  8. 仪器和试剂 • 电化学实验在CHI660a电化学工作站中进行，采用三电极系统，传感器作为工作电极，铂丝作为辅助电极，Ag/AgCl作为参比电极。 • 扫描电镜（SEM）照片采自日本电子株式会社场发射扫描电子显微镜（型号：JSM-6330F），透射电镜（TEM）照片采自日本电子株式会社透射电子显微镜（型号：JEM-2010HR）。红外光谱采用德国Bruker公司傅里叶变换红外光谱-红外显微镜联用仪（型号：EQUINOX 55）制作。 • HRP购自国药集团化学试剂有限公司，规格：>250units/mg • 所有溶液均用二次水配制, 所有实验均在0.05mol/L pH6.5 PBS中进行。

  9. 本论文的实验方法 1 利用Nafion（一种阳离子交换树脂）修饰玻碳电极 (GC)。 2 通过其磺酸基所带的负电荷静电吸附Thi（硫堇，结构 类似亚甲蓝，可用作电子媒介体）构成传感器底层。 3 电极外层使用CHIT（壳聚糖，一种生物相容性高分子） 混合包埋MWNTs和HRP。制成以Thi为介体的H2O2 传感器。

  10. 传感器制作流程图

  11. Structure: Raw material of Chitosan Chitosan

  12. Structure: Nafion Thionine Methylene Blue

  13. 结果与讨论： • MWNTs的物理表征 • 传感器对H2O2的响应 • 条件实验 • 传感器的性能

  14. 图1 MWNTs的物理表征

  15. 图2 MWNTs的物理表征 H2O与CHIT对MWNTs 分散效果的比较 MWNTs-COOH的IR图

  16. 图3 传感器对H2O2响应的CV曲线

  17. 条件实验： • 静电吸附时间选择 • 扫描速率选择 • pH选择 • 工作电位选择 • 酶用量选择

  18. 图4静电作用时间与峰电流关系曲线(n=3)

  19. 图5扫描速率与峰电流关系

  20. 图6 pH对响应电流的影响 (CH2O2=0.1mmol/L, n=6）

  21. 图7工作电位的选择（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）

  22. 图8酶用量影响（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）

  23. 传感器性能 • 传感器增敏效应的机理探讨 • 传感器的响应时间 • 传感器的工作曲线（线性范围为30μmol/L~5.5mmol/L ；相关系数为0.9995。在S/N=3的情况下，检出限为19μmol/L ） • 米氏常数（米氏常数为1.93mmol/L） • 传感器工作寿命研究（四天后电流下降了6.3%，之后保持稳定 ）

  24. 图9传感器增敏效应的机理探讨（CH2O2=0.5mmol/L）图9传感器增敏效应的机理探讨（CH2O2=0.5mmol/L）

  25. 传感器增敏效应的机理探讨 由图可见IA>>IB+IC。传感器具有明显的增敏现象。 原因可以从几方面来考虑： 1. HRP可以有效地吸附在MWNTs管壁上； 2. MWNTs也可以利用其独特的三维网络结构深入HRP的 活性中心； 3. MWNTs较大的比表面积也可以对H2O2起到富集作用； 4. MWNTs 对H2O2具有催化作用。

  26. 增敏效应机理 示意图

  27. 图10 传感器的响应时间（CH2O2=0.5mmol/L）

  28. 图11传感器的工作曲线 1E-4M per step

  29. 图12传感器的米氏常数计算

  30. 图13 传感器寿命曲线（CH2O2=0.1mmol/L, n=6）

  31. 结论： • 传感器具有较好的线性范围和检测限，且具有较长的寿命； • CNTs的空间和电子效应导致传感器具有特殊的增敏效应； • 该传感器为制作双酶体系传感器奠定基础。

  32. 本论文的创新点 • 首次利用Thi作为介体制作CNTs生物传感器； • 利用非生物活性的CNTs固定具有生物活性的HRP，实现对生物体系的检测，体现了材料化学和分析化学以及生物分析的相互结合； • 结合CNTs的空间结构和电子性质，提出了CNTs对生物传感器增敏效应的假设。 recognition HRP

  33. 致谢感谢2004年度中山大学化学学院创新基金 对本项目的资助

  34. Thanks

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