凹陷型纳米电极阵列上酶的直接电化学

有关酶的直接电化学已有大量文献报道。基于不同的材料和修饰过程，即使同一种酶经常呈现出不同的电化学行为。新近出现的纳米电极阵列体系由于具有高信/噪比、低速度的电子传输、可自行设计、简易表征等特点而备受青睐，但较难得到重现性高、性能好的纳米电极阵列。因此本项目提出利用自组装技术制备的模板和现场合成的金纳米粒子实现实时制备纳米电极阵列，力图解决纳米电极阵列构筑过程中易毒化和钝化的难题，拟得到高质量的凹陷型纳米电极阵列；将利用凹陷做为人工合成的分子陷阱来捕获酶分子从而实现它们的直接电化学和催化能力，构建具有应用前景的高灵敏度、高选择性、低检测限的生物传感器件，并应用于活体分析和临床分析；还将研究在纳米电极阵列上电活性物质在有/无支持电解质溶液/体系中的电极过程动力学，根据实验结果修正已有的纳米电化学理论，并尝试建立与纳米电极阵列相关的在无支持电解质溶液/体系中的纳米电化学新理论。

项目系统研究了基于巯基化合物自组装膜和金纳米粒子（AuNPs）的凹陷型纳米金阵列电极的构建、研究了这些阵列上几种酶的直接电化学行为、及固定在电极阵列上的酶对生物小分子的高效电催化检测。使用的巯基化合物包括巯基丙酸（MPA），巯基丁二酸（MSA）和2,3-二巯基丁二酸（DMSA）等；采用湿法还原和现场电化学沉积等方法、在单独和混合自组装膜的表面制备了几种凹陷型纳米金电极阵列；并利用SEM、AFM、交流阻抗等电化学方法对这些电极阵列进行了详细的表征；通过滴涂、化学键合（酰胺缩合反应）、化学交联（使用戊二醛或壳聚糖等交联剂）等手段将辣根过氧化氢酶（HRP）、过氧化物酶（CAT）、葡萄糖氧化酶（GOD）等固定到电极阵列的表面，实现了酶的直接电化学。比如在AuNPs/DMSA/Au纳米金电极阵列上，成功实现了HRP、CAT、GOD三种酶的直接电化学。利用固定的酶实现了对生物小分子的高效率电催化检测。比如在HRP/AuNPs/MPA/Au纳米金电极阵列上，H2O2的检测线性范围为0.48 μmol/L ~ 1.18mmol/L，获得了311.72 µA•(mmol/L)-1•cm-2的高灵敏度和0.16 µmol/L的低检测限；在GOD/AuNPs/DMPA/Au纳米金电极阵列上，可检测的葡萄糖浓度范围为8.0×10-7~2.64×10-3 mol/L，检出限为3.0×10-7 mol/L，米氏常数Km为5.2 mmol/L。我们还研究和比较了GOD在不同巯基化合物自组装膜上构建的纳米金电极阵列上对葡萄糖催化氧化的能力。结果显示支链越多的巯基（比如DMSA）自组装膜显示出了对酶的固定和对葡萄糖的电催化更多的优越性。能获得这些结果的根本原因是在这些凹陷型纳米金电极阵列上，酶既保持了高的生物活性，又能让酶的活性中心充分暴露。我们还合成了新型多孔材料（V2O5-CeO2-SBA-15），并把它固定在电极上，构建了另外一种新型凹陷型纳米电极阵列。在这个电极阵列上成功实现了HRP直接电化学，测得酶的米氏常数KM为0.018 mmol/L。我们还尝试采用静电纺丝技术构筑新型三维凹陷型纳米电极阵列，并将其用于酶的直接电化学和无酶辅助的过氧化氢检测，效果良好。总而言之，凹陷型纳米电极阵列，尤其是基于自组装膜和电化学沉积金纳米粒子构建的纳米金电极阵列，是一种优良的、多用途的生物酶载体。