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 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。

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 ）。 SWNTs MWNTs

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): E. Katz, I. Willner. [J]. ChemPhysChem, 2004, 5(8): J. Wang. [J]. Electroanalysis, 2005, 17(1):7-14.

H 2 O 2 生物传感器的研究意义： GOD(OX)+glucose+H 2 O→GOD(RED) + gluconic acid+ H 2 O 2 H 2 O 2 +HRP→H 2 O+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 H 2 O 2 ，因此建立 H 2 O 2 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。 L-lactate+O 2 +LOD(OX)→pyruvate+H 2 O 2 +LOD(RED)

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。

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 H 2 O 2 传感器。

传感器制作流程图

Chitosan Structure: Raw material of Chitosan

Nafion Thionine Structure: Methylene Blue

结果与讨论： MWNTs 的物理表征 传感器对 H 2 O 2 的响应 条件实验 传感器的性能

图 1 MWNTs 的物理表征

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

图 3 传感器对 H 2 O 2 响应的 CV 曲线

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

图 4 静电作用时间与峰电流关系曲线 (n=3)

图 5 扫描速率与峰电流关系

图 6 pH 对响应电流的影响 ( C H 2 O 2 =0.1mmol/L, n=6 ）

图 7 工作电位的选择 （ C H 2 O 2 =0.1mmol/L, n=6 ）

图 8 酶用量影响 （ C H 2 O 2 =0.1mmol/L, n=6 ）

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 。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 ）

图 9 传感器增敏效应的机理探讨 （ C H 2 O 2 =0.5mmol/L ）

传感器增敏效应的机理探讨 由图可见 I A >>I B +I C 。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 H 2 O 2 起到富集作用； 4. MWNTs 对 H 2 O 2 具有催化作用。

增敏效应机理 示意图

图 10 传感器的响应时间 （ C H 2 O 2 =0.5mmol/L ）

图 11 传感器的工作曲线 1E-4M per step

图 12 传感器的米氏常数计算

图 13 传感器寿命曲线 （ C H 2 O 2 =0.1mmol/L, n=6 ）

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。

本论文的创新点 1. 首次利用 Thi 作为介体制作 CNTs 生物传感器； 2. 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； 3. 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。 HRP recognition

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

Thanks