铂纳米颗粒增效的电流型L-乳酸生物传感器
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基于酶电极的乳酸检测生物传感器研究进展摘要:过氧化物在化学、医药、生物、食品、环境等行业广泛应用与存在,过氧化氢以及其它有机过氧化物对人体具有严重的危害,主要表现为:进入人体内转化为过氧化自由基,可激活酪氨酸氧化酶或直接催化酪氨酸产生黑色素,加速机体的衰老;自由基可通过损伤DNA导致肿瘤的发生;可导致血脂增高,血管内壁增厚,最终导致动脉粥样硬化的发生,因此准确、快速测定食品、环境、医药中的过氧化物含量水平具有重要的现实意采用过氧化物酶电极法分析过氧化物是近年来研究的热点,已广泛用于生化、环境、食品等领域,但研究大多集中于水相介质。
制约酶电极在有机相中应用,主要是由于酶电极在有机相溶剂中的电化学催化反应特性与水相中的酶化反应是完全不同的,其催化反应机制要复杂得多,涉及到固定化酶存在形式、固定化载体的状态、酶与底物之间催化反应机理、电极表面与酶活性中心之间的电子传递速率、底物在有机相和酶修饰膜层的传质动力学、有机溶剂本身性质等诸多因素。
基于此,本篇文章对基于酶电极的乳酸检测生物传感器研究进展进行研究,以供参考。
关键词:酶电极;乳酸检测;生物传感器;研究进展引言乳酸是人体能量代谢过程的中间产物,它与糖、脂、蛋白质代谢以及细胞内的能量代谢有着密切的关系。
乳酸广泛应用于临床医学,作为糖尿病等多种代谢性疾病及脓毒症、感染性休克、急性心衰、恶性肿瘤等多种危重疾病治疗和诊断的指标,可用于确定疾病的严重程度及评估对治疗干预的反应,也广泛应用于运动医学的人体乳酸代谢研究。
近年随着研究的深入,乳酸可能是三羧酸循环最主要的能量物质原料,也有认为乳酸的升高不仅是指导疾病治疗的指标,它还很可能为人体最重要的能量载体和癌细胞最重要的直接营养来源,其含量监测可能为癌症等疾病的研究打开新的思路,也有研究表明乳酸也是一种重要的临床信号分子。
因此临床乳酸含量准确检测能为疾病的诊断、治疗、转归预测以及肿瘤学代谢等研究提供有效的参考。
目前化学实验室常用乳酸检测方法有滴定法、气相色谱法、液相色谱法,主要应用于食品添加剂中乳酸的检测;临床实验室基于快速检测需要常用的乳酸检测方法反应机理有乳酸氧化酶和乳酸脱氢酶法,检测方法有电化学法和光学法等,测量样本对象包括血清、全血、尿液、脑脊液等。
基于多壁碳纳米管-铂纳米颗粒纳米复合材料的乙醇生物传感器∗苗智颖;念陈;邵学广;陈强【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2017(030)001【摘要】MWCNTs ̄PtNPs nano composite was prepared by ultrasonic method,and its modified to ethanol biosensor showed good performance. The experimental results show that the minimum detection limit of the sensor is 0. 02 mmol/L,the linear range is 0.25 mmol/L~3.0 mmol/L,the sensitivity is 0.923 32 μA/(mmol/L),and has high stability and good reproducibility.%采用超声法制备了多壁碳纳米管-铂纳米颗粒( MWCNTs ̄PtNPs)纳米复合材料,并将其修饰于乙醇生物传感器,表现出良好的检测性能。
实验结果表明:传感器最低检测限为0.02 mmol/L,线性范围为0.25 mmol/L~3.00 mmol/L,灵敏度为0.92332μA/( mmol/L),并且具有高稳定性和良好的重现性。
【总页数】4页(P16-19)【作者】苗智颖;念陈;邵学广;陈强【作者单位】华北理工大学基础医学院,河北唐山063000;海南医学院,海口571199;南开大学药物化学生物学国家重点实验室,天津300071;南开大学生物活性材料教育部重点实验室,天津300071【正文语种】中文【中图分类】TP212.2【相关文献】1.基于Sol-gel膜和多壁碳纳米管/铂纳米颗粒增效的电流型L-乳酸生物传感器 [J], 贺晓蕊;于华;葛慎光;张秀明;林青;朱晗;封烁;袁靓;黄加栋2.基于多壁碳纳米管的三电极血乙醇生物传感器的研究 [J], 甄生航;郑军;邹超世;王艳;朱洋;邓世雄;谢国明;王箭3.基于铂纳米颗粒电沉积镁铝水滑石修饰电极的电化学葡萄糖生物传感器 [J], 徐亮;林有芹;陈旭;路艳罗;杨文胜4.基于静电沉积壳聚糖铂纳米颗粒复合膜构建葡萄糖生物传感器 [J], 范增杰;马莉萍;李云霞;刘国汉;李工农;韩根亮5.铂纳米颗粒/石墨烯功能化的场效应晶体管生物传感器高灵敏检测前列腺癌 [J], 雷用敏;杨晓东;孙玉洁因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@. cn纳米电化学生物传感器*杨海朋**陈仕国李春辉陈东成戈早川(深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信号的分析器件。
本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。
关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207Nanomaterials Based Electrochemical BiosensorsY ang Haipeng**Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering,Shenzhen University, Shenzhen 518060, ChinaAbstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials.Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ationContents1 Introduction to biosensors2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2.3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors2. 3. 2 Nanowires and nanorods based electrochemical biosensors2. 3. 3 Carbon nanomaterials basedelectrochemicalbiosensors2. 3. 4 Nano array based electrochemical biosensors 2. 3. 5 Nanosheets based electrochemical biosensors 3 Concluding remarks第21卷第1期2009年1月化学进展PRO G RESS I N C HE M IST RYVol. 21No. 1 Jan. , 20091 生物传感器概述生物传感器通常由生物识别元件(bioreceptor 和信号转换器件(transducer 两个部分组成:生物识别单元具有专一的选择性, 可以获得极其高的灵敏度; 而信号转换器通常是一个独立的化学或物理敏感元件, 可采用电化学、光学、热学、压电等多种不同原理工作。
开发与创新化工之友 2007.NO.09(3)优化方案三适用场合:要求灵敏度较高的定量检测采用方法:固相微萃取+反相色谱或离子对色谱+原子吸收光谱对于有机锡含量较少,对灵敏度要求较高的检测样本。
固相微萃取能比较有效地减少富集过程中的损耗,而反相色谱和离子对色谱的应用也是基于此考虑。
原子吸收光谱的适用考虑同前不再赘述。
(4)优化方案四适用场合:要求对有机锡形态做出具体判断采用方法:固相微萃取+气相色谱—质谱联用+其他有机官能团结构检测手段有机锡的有机官能团(R)可以进行一些有机的常规检测,如红外光谱等。
对R与Sn的结合状态,因为R-Sn易断裂则需要采用质谱发结合其他谱图的数据进行推断。
考虑色谱—质谱的仪器较为常用。
因此利用色谱质谱联用合并完成分裂和检验步骤是可行的。
通过各有机R官能团分子量,与分子离子峰m/z的对照解析。
参考文献[1] 胡冠九有机锡化合物的性质、环境污染来源及测定方法.[A].环境监测管理与技术,2000(12):14 ̄16.[2] 张建梅.有机锡化合物的形态分析方法进展 [A].通州师范学院学报,2005(26):65 ̄69.[3] 秦晓光等.天然水体中有机锡的富集分离方法 [A].海洋环境科学,2001(20):60~66.[4] 刘俊亭.新一代萃取分离技术———固相微萃取[J].色谱,1997,15(3):118-119.[5] 袁玲玲.工业 品及环境中的有机锡的分析方法的研究[D].青岛:中国海洋大学,2006.[6] 江桂斌.气相色谱-表面发射火焰光度检测法测定有机锡和有机锗化合物 [A].环境化学.1997(16):103 ̄107.[7] 杨传孝等.双硫腙分光光度法测定水样中的三苯基锡[A].华侨大学学报(自然科学版),2005(26):141 ̄144.[8] 徐福正等.锡与有机锡的分光光度法研究[A].光谱实验室,1999(16):247 ̄250.[9] 何滨等.涂锆石墨管石墨炉原子吸收法测定水样中的有机锡和无机锡[A].光谱学与光谱分析,1999(19):718 ̄720.[10] 臧树良等.增敏溶出伏安法测定防污漆中的有机锡含量. [A].辽宁大学学报(自然科学版),2004(3):199 ̄205.DNA传感器是当今生物传感器中的前沿性研究课题,加强对DNA传感器的研究和应用开发具有重要的科学意义和应用价值。
生物传感器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。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能,只对特定反应起催化活化作用,因此生物传感器具有非常高的选择性。
缺点是生物固化膜不稳定。
生物传感器涉及的是生物物质,主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。
生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在未来21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
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。
智能化集成化未来的生物传感器必定与计算机紧密结合,自动采集数据、处理数据,更科学、更准确地提供结果,实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。
同时,芯片技术将愈加进入传感器,实现检测系统的集成化、一体化。
低成本高灵敏度高稳定性高寿命生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本,提高灵敏度、稳定性和寿命。
这些特性的改善也会加速生物传感器市场化,商品化的进程。
在不久的将来,生物传感器会给人们的生活带来巨大的变化,它具有广阔的应用前景,必将在市场上大放异彩。
生物传感器实用性是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、DNA) 或生物体本身(细胞、细胞器、组织),它们能特异地识别各种被测物质并与之反应;后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管(ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体(PZ) 等,其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。
甘蔗糖业2008年第3期 Sugarcane and Canesugar 2008年6月纳米颗粒复合材料增强的蔗糖、葡萄糖双功能生物传感器黄智航1李忠彦1刘仲明2(1华南理工大学轻工与食品学院,广州 510641;2广州军区总医院医学实验科,广州 510010)摘要采用憎水纳米二氧化硅溶胶(Nano-SiO2)增稳、亲水纳米金(Nano-Au)溶胶增敏,利用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)包埋,将蔗糖转化酶(INV)、变旋酶(MUT)、葡萄糖氧化酶(GOD)共固定于铂电极表面,通过时间电流法对目标样品中的蔗糖和葡萄糖含量进行测量:响应时间13 s;蔗糖在0~300 mg/L、葡萄糖在0~180 mg/L范围内有良好的线性关系;蔗糖测定回收率为94.84%~105.21%;蔗糖酶膜连续使用寿命约为1个月。
关键词纳米颗粒;复合酶电极;蔗糖;葡萄糖0 前言制糖工业是一个比较老的行业,而锅炉爆管事故在制糖生产中是经常发生的。
锅炉事故产生可由多种因素造成,其中锅炉水的蔗糖含量对其有重大的影响。
在制糖过程的加热、蒸发、结晶等工段都要使用大量的蒸汽。
锅炉的给水绝大部分出于回收利用热能的目的而把来自蒸发的冷凝水循环送入锅炉再产生蒸汽。
糖分可能通过汁汽的雾沫夹带或加热表面的缺损处泄漏到多效蒸发器的冷凝水里面从而带入锅炉。
带入的微量蔗糖等有机物受热浓缩、分解成低分子有机酸和二氧化碳,这些成分新产生的酸性物质与水中阳离子作用形成盐类,使得炉水中含盐量增加,从而导致电导率升高。
电导率升高会引起含杂质的水在传热管结垢和垢下腐蚀。
此外,水垢的产生和增厚常常会引起积垢龟裂,导致裂缝处的管壁和积垢对传热的效率出现差异,酿成爆管等严重事故。
因此,对锅炉水中蔗糖含量的检测对制糖企业的安全正常 生产有重要的意义。
目前锅炉水蔗糖含量的行业安全标准为0~50ppm,而在现有的报道中,在线检测多采用测量电导的方法测量锅炉水微糖含量,由于测量因素实际是灰分而不是蔗糖,检测结果不直接,需作进一步经验推算,检测灵敏度也不高[1-4],达不到实际生产的要求。
基于Sol-gel膜和多壁碳纳米管/铂纳米颗粒增效的电流型L-乳酸生物传感器(作者:___________单位: ___________邮编: ___________)作者:贺晓蕊于京华葛慎光张秀明林青朱晗封烁袁靓黄加栋【摘要】构建了基于多壁碳纳米管(Multi-walled carbon)和铂纳米颗粒(Pt-nano)的电流型L-乳酸生nanotubes,MWCNTs物传感器。
将Sol-gel膜覆盖在L-乳酸氧化酶(L-lactate oxidase,LOD)和MWCNTs/Pt-nano修饰的电极表面。
实验结果表明:传感器的最佳工作条件为:检测电压0.5 V;缓冲液pH 6.4;检测温度25 ℃。
此传感器的响应时间为 5 s,灵敏度是 6.36 μA/(mmol/L)。
连续检测4星期其活性仍保持90%,线性范围为0.2~2.0 mmol/L,且抗干扰能力强。
在实际血样的检测中,此传感器与传统的分光光度法具有很好的一致性。
【关键词】生物传感器; L-乳酸;溶胶-凝胶;铂纳米颗粒;多壁碳纳米管Abstract An electrochemical L-lactate biosensor wasfabricated by combining Platinum nanoparticles(Pt-nano) withmulti-walled carbon nanotubes(MWCNTs).L-lactate oxidase(LOD)was immobilized on the surface of the glassy carbonand Pt-nano.The surface of electrode(GCE) modified with MWCNTsresulting LOD/MWCNTs/Pt-nano electrode was covered by a thinlayer of sol-gel to avoid the loss of LOD and to improve theanti-interference ability.The cyclic voltammetric results indicated that MWCNTs/Pt-nano catalyst displayed a higher performance than MWCNTs.Under the optimized conditions,i.e.,applied potential of 0.5 V,pH 6.4,25 ℃,the proposed biosensor’s determination range was 0.2-2.0 mmol/L,response time was within 5 s,and the sensitivity was 6.36 μA/(mmol/L).It still kept 90% activity after 4 weeks.The fabricated biosensor had practically good selectivity against interferences.The results for whole blood samples analyzed by the present biosensor showed a good agreement with those analyzed by spectrophotometric method.Keywords Biosensor; L-lactate;Sol-gel;Platinum nanoparticles;Multi-walled carbon nanotubes1 引言临床医学、牛奶工业、葡萄酒工业、生物技术和运动医学等领域都需要灵敏、快速的L-乳酸检测方法。
特别是血乳酸水平能够反映人体的多种病理状态。
传统的L-乳酸的检测主要采用分光光度计法〖1〗。
但这种方法过程复杂、成本高。
生物传感器因其选择性高、响应快和重复性好等优点被认为是最适合的生化分析仪器之一。
目前,关于检测乳酸含量的电化学传感器已有报道〖2,3〗。
但简便、便宜和选择性高的L-乳酸传感器依然是目前研究的热点。
碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)拥有许多特殊性质,如高电导性、高化学稳定性,以及非常高的机械强度和系数〖4,5〗。
CNTs包括单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,SWCNTs))。
当被和多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs用作电化学反应的电极材料时,SWCNTs和MWCNTs都有提高电子转移反应的能力。
研究表明:MWCNTs可增强电极表面的电催化活性和增大其表面积〖6〗。
文献〖7~9〗表明:CNTs修饰的电极能够显著增强儿茶酚胺神经传递素、细胞色素C、抗坏血酸、NADH和肼复合物的电化学性能。
CNTs能够提高NADH和H2O2的电子转移反应,这表明它在基于脱氢酶和氧化酶的电流型生物传感器方面有广阔的应用前景〖10〗。
铂纳米颗粒(Patinum nanoparticles,Pt-nano)是一种有效的酶传感器的构建材料。
它具有很好的生物相容性、大的表面积及对H2O2的催化能力强〖11〗。
本研究构建了基于MWCNTs和Pt-nano的电流型L-乳酸生物传感器。
为阻止电极表面上的酶分子的丢失和提高传感器的抗干扰能力,采用Sol-gel膜〖12,13〗覆盖LOD/MWCNTs/Pt-nano电极表面。
对构建的生物传感器的检测范围、响应时间、敏感性和稳定性进行了研究。
考察了pH值、电位、温度和电活性干扰物对传感器电流的影响,并将此传感器应用于全血分析。
2 实验部分2.1 试剂与仪器L-乳酸氧化酶(LOD,E.C.1.1.3.2,34 units/mg,from Pediococcus species)、二甲基亚砜(DMSO)、正硅酸四乙酯(TEOS,99%)、Triton X 100均购自Sigma公司;L-乳酸、L-乳酸锂购自Fluka,直径约15 nm,纯度95%,中科院成公司;多壁碳纳米管(MWCNTs都有机化学研究所);氧化铝粉末(Merck公司);H2PtCl6·6H2O(天津市第二化学试剂有限公司);磷酸盐缓冲液(0.05 mol/L KH2PO4,0.05 mol/L K2HPO4,0.1 mol/L KCl)作为支持电解质。
其它试剂均为分析纯,无需纯化直接使用。
实验用水为去离子水。
电化学测试在283电化学工作站(EG G,USA)上进行,使用270软件。
采用传统的三电极体系:Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰的玻璃碳电极(Glass carbon electrode,GCE,Φ=3 mm)作为工作电极,铂片作为对电极,Ag/AgCl作为参比电极。
电流的测定是在搅拌的条件下进行的。
2.2 Sol-gel标准溶液、纳米铂溶液和MWCNTs标准溶液的配制在烧杯中按照一定的比例加入TEOS,H2O和0.1 mol/L HCl,不停地搅拌该混合溶液直到溶液变清澈,即得Sol-gel储备溶液。
此储备溶液被应用于整个实验中,并可根据需要对其进行稀释。
根据文献〖14〗制备Pt-nano溶液。
将 4 mL 5% H2PtCl6·6H2O 溶液加入到340 mL蒸馏水中,在80 ℃下边搅拌边加热。
加入60 mL1%柠檬酸钠溶液后,在(80±0.5)℃保温4 h。
此过程通过吸附光谱记录。
当PtCl2-6的吸附带消失的时候,表明反应结束。
图1 Pt-nano的TEM图(放大倍数100000)(略)Fig.1 Transmission electron micrograph of platinum nanoparticles(Pt-nano)(×100000)将2 mg MWCNTs加入到1 mL二甲基亚砜溶液中,超声搅拌,制备成黑色悬浊液状的MWCNTs溶液。
2.3 制备Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰的酶电极用0.05 μm A l2O3粉打磨玻碳电极,超声清洗,再分别用1 mol/L HNO3和1 mol/L NaOH清洗,然后用双蒸水彻底清洗。
20 μL MWCNTs 和20 μL铂纳米颗粒混合制成贮备溶液,超声40 min,得到均匀分散的MWCNTs和Pt-nano溶液。
将10 μL MWCNTs和Pt-nano溶液滴加到玻璃碳电极的表面,使之均匀分布在电极的整个表面上,然后将电极在室温下干燥30 min。
再用2 μL LOD溶液覆盖MWCNTs和Pt-nano复合膜修饰的电极表面。
在室温下干燥20 min后,加6 μL Sol-gel储备溶液到酶层的表面,然后在室温下干燥。
最后,将酶电极浸入到pH 6.8的缓冲液中,保存在4 ℃的冰箱中过夜,以便除去电极表面过量的L-乳酸氧化酶。
用去离子水彻底清洗电极,即得Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰的电极。
3 结果与讨论3.1 Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰电极的电化学特性研究了MWCNTs/Pt-nano和MWCNTs修饰的电极对L-乳酸的电催化行为。
由图2可见,MWCNTs/Pt-nano和MWCNTs都能增加传感器的电流响应。
图2 裸电极(a)、MWCNTs修饰的电极(b)、MWCNTs/Pt-nano 修饰的电极(c)的CV图(略)Fig.2 Cyclic voltammograms of L-lactate on bare GCE(a),MWCNTs m odified electrode(b),MWCNTs/Pt-nano modified electrode(c)1 mmol/L L-乳酸(L-lactate),扫描速率(Scanning rate) 50 mV/s,0.1 mol/L PBS,电压(Polential) 5 V,pH 6.4.但是MWCNTs/Pt-nano修饰的电极显示出比MWCNTs修饰的电极有更好的电流增效作用。
由图2中曲线b和c可见,MWCNTs/Pt-nano修饰的电极对L-乳酸的电催化活性比MWCNTs修饰的电极强。
因为MWCNTs/Pt-nano修饰电极的电化学性能得到了提高,电子能够更容易快速地在酶和MWCNTs/Pt-nano层之间传递。
3.2 pH值对传感器响应的影响研究了pH值在5.6~8.0范围内变化对传感器电流响应的影响(图3)。
不同pH值的L-乳酸标准溶液的浓度均为 1 mmol/L。