TiO2的绿色仿生合成与改性及其在直接电化学生物传感上的应用研究

生物传感器在临床诊断、工业控制、食品药物分析、环保和生物技术等领域有着广泛的应用前景。直接电化学型生物传感器因选择性好、灵敏度高和抗干扰能力强备受关注，但大多数蛋白的活性位深埋在肽链的内部，使蛋白与电极间的直接电子传递很难实现，且易失活。本项目拟将仿生合成引入到TiO2的制备中，通过调节生物模板剂的大小和种类实现对TiO2的初期"剪裁"，合成出生物相容性好、表面积大的多孔TiO2，用于固定蛋白，改善电子传递能力，克服其易失活，寿命短的缺陷；进一步与石墨烯复合，制备出疏松多孔的目标材料，借助石墨烯优异的导电性和超薄的特性，提高材料的导电性和以其为基础的生物传感器的灵敏度。通过大量试验，考察电极修饰材料的组成、粒径大小、微观结构、表面态、形貌特征等与电化学性能之间的关系，寻找到理想的TiO2基生物传感器电极修饰材料；总结规律，为制备选择性好、灵敏度高和寿命长的直接电化学生物传感器提供技术支持。

酶类型电化学生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、可在复杂体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其很受关注，应用前景广泛。但大多数蛋白的氧化还原中心深埋在肽链的内部，使氧化还原蛋白与电极之间的直接电子传递很难实现，迄今为止只有少数氧化还原蛋白能够在裸固体电极上表现出电化学活性。纳米技术为酶类型电化学生物传感器的发展提供了新的契机。本项目将仿生合成引入到二氧化钛的制备中，通过调节模板剂的大小和种类实现了对TiO2的形貌和晶体结构的有效“剪裁”。通过绿色仿生合成的TiO2具有良好的生物相容性，可以有效的保持酶的生物活性和提高酶的稳定性。但是TiO2是半导体，不利于电子在酶与集流体间的有效转移，因此我们进一步引入比表面积大和导电性高的石墨烯对TiO2进行改性，制备了不同的石墨烯@TiO2复合材料，这些复合材料作为酶类型电化学生物传感器的修饰电极材料，明显提高了蛋白酶的固定效果和生物催化能力。为了更好的实现酶的有效固定，我们还开发了一系列石墨烯基气凝胶和氧化钨气凝胶，通过大量实验研究发现，气凝胶材料相对于小尺寸纳米材料虽然可以有效的提高酶蛋白的固定量并使传感器的使用寿命得到延长，但是电流响应值并没有因为酶蛋白固定量的提高而增加。这是由于生物传感器整体性能的提高不依赖于酶蛋白固定化总量的提高，而是建立在纳米级厚度薄膜表面每一活力单位酶分子被充分利用的基础上。因此我们采用原位固定法和层层组装修饰电极的手段，在电极的表面层构建纳米级酶蛋白富集区，在集流体和表面酶蛋白层之间构建畅通的电子转移渠道，有效提高了直接电化学型生物传感器的综合性能。此外为了更好的实现项目目标，我们还开展了无酶生物传感的研究，从电催化的角度探索了不同物质组成的纳米材料在生物电分析中起的作用，并得到一些有意义的结果。在完成本项目期间，发表SCI论文30篇；会议论文14篇；申请专利4项，其中一项已授权；培养毕业硕士研究生7人，目前在读硕士研究生8人；参加国内外相关学术会议34人次，圆满完成项目目标。