發(fā)布時間：2020-10-09 01:42

　　 酶型電化學(xué)生物傳感器作為最早發(fā)展起來的檢測生物活性分子的可靠方式,具有成熟的電極修飾與制備方法、電化學(xué)測試方法等。同時酶的特異性識別作用提高了電極的靈敏度和對特異性分子的選擇作用,使其在生物傳感器領(lǐng)域具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價值。有機(jī)電化學(xué)晶體管(OECT)作為新興的傳感器以其高的信號放大能力與酶型電化學(xué)生物傳感器相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)傳感器的高選擇性和高靈敏度,成為可能替代傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器并實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用的一類新型傳感器。然而,將此基于OECT的酶型電化學(xué)生物傳感器應(yīng)用于含有多種生物分子的待測液時,存在對特異性分子識別能力下降、選擇性降低等問題。為了實(shí)現(xiàn)基于OECT的酶型傳感器的高選擇性、高靈敏度檢測,并且將其應(yīng)用于檢測鼠腦透析液中生物分子的研究,需要在酶的修飾和半導(dǎo)體膜的修飾兩方面著手。本論文主要研究的是改進(jìn)電極的修飾方法、選取最合適電位,得到可以長時間檢測,并且具有高靈敏度和選擇性的傳感器,我們將其應(yīng)用于鼠腦透析液中葡萄糖和谷氨酸的特異性檢測,具體研究結(jié)果概括為:(1)首先研究了基于葡萄糖氧化酶和谷氨酸氧化酶,并以二茂鐵為介體分子制作的二代生物傳感器作為OECT柵電極,使用PEDOT:PSS作為場效應(yīng)晶體管的溝道半導(dǎo)體材料的有機(jī)電化學(xué)晶體管型傳感器。研究了此種傳感器對底物(葡萄糖或谷氨酸)的催化反應(yīng)活性以及在復(fù)雜體系中的選擇性。發(fā)現(xiàn)了在柵電極選擇性不變的情況下,將柵電壓降為0 V時電極對待測物仍有明顯催化,此時決定整個有機(jī)電化學(xué)晶體管選擇性的是源極和漏極之間覆蓋的半導(dǎo)體膜,對應(yīng)用于活體研究提出了新的挑戰(zhàn)和解決思路。(2)為了實(shí)現(xiàn)高靈敏和高選擇性檢測復(fù)雜樣品(如鼠腦透析液)中的待測物(如葡萄糖)同時避免具有電活性的分子的影響,選用分別帶正電和負(fù)電的高分子聚合物自組裝在電極和半導(dǎo)體膜表面,找到最適配比和濃度,保證電極高靈敏的同時,實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜樣品中的高效選擇性。在燒杯中實(shí)驗(yàn)條件充分可重復(fù)的情況下,將制備的電極用來檢測正常大鼠腦透析液中葡萄糖的濃度,得到葡萄濃度范圍在450~500μM,與文獻(xiàn)提供區(qū)間相符。證明所制備傳感器可以用于檢測復(fù)雜樣品中待測物的濃度。(3)基于改造后的高選擇性酶型電化學(xué)傳感器體系,結(jié)合一種最近報道的谷氨酸合成酶(Fd-GltS)修飾OECT柵電極,我們首先研究了谷氨酸合成酶用于以二茂鐵為介體分子的生物傳感器催化氧化谷氨酸的可行性。而且該谷氨酸傳感器具有氧氣不依賴、檢測期間酶催化活性高等谷氨酸氧化酶型傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn),將其修飾在有機(jī)電化學(xué)傳感器的柵電極上,實(shí)現(xiàn)了對谷氨酸的高選擇性高靈敏度檢測,并且有望應(yīng)用于活體在線檢測。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TN386;O657.1
【部分圖文】：

新型功能材料。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)半導(dǎo)體材料的更新與發(fā)展，同樣半導(dǎo)體材料在不同領(lǐng)域以及交叉領(lǐng)域的應(yīng)用更是為生物電子、化學(xué)生物學(xué)等學(xué)科提供了新的平臺和可能。半導(dǎo)體材料對晶體管的研究至關(guān)重要，尤其是有機(jī)場效應(yīng)晶體 管 (organic field-effect transistor, OFET) 和 有 機(jī) 電 化 學(xué) 晶 體 管 (organicelectrochemical transistor, OECT)，半導(dǎo)體的更新和性能優(yōu)化直接推進(jìn)有機(jī)電子(organic electronics)[1]領(lǐng)域的發(fā)展，引導(dǎo)著有機(jī)電子器件的研究[2]。本論文主要研究的是酶型有機(jī)電化學(xué)晶體管傳感器，通過器件優(yōu)化、膜的修飾提高傳感器性能。所以我們需要從認(rèn)識半導(dǎo)體開始，對不同半導(dǎo)體特征和應(yīng)用加以區(qū)分，以充分認(rèn)識我們所使用的半導(dǎo)體在整個半導(dǎo)體以及晶體管領(lǐng)域所具有的特別之處，進(jìn)而深度開發(fā)、重新設(shè)計反應(yīng)界面。1.1.1 本征半導(dǎo)體與非本征半導(dǎo)體根據(jù)晶體的純凈程度，半導(dǎo)體可以分為本征半導(dǎo)體 (intrinsic semiconductor)和非本征半導(dǎo)體 (extrinsic semiconductor)。在固體中 (圖 1.1 A)，原子軌道匯集成分子軌道，非常接近的分子軌道會形成能帶 (energy band)，價帶 (valance band)(A) (B)

1.1.2 無機(jī)半導(dǎo)體與有機(jī)半導(dǎo)體根據(jù)半導(dǎo)體材料不同可以將其分為無機(jī)半導(dǎo)體 (inorganic semiconductor) 和有機(jī)半導(dǎo)體 (organic semiconductor)。無機(jī)半導(dǎo)體主要為由單一元素構(gòu)成晶格的元素半導(dǎo)體以及兩種或多種不同元素組成的化合物半導(dǎo)體 (圖 1.2 A)。有機(jī)半導(dǎo)體一般為具有 p-π 共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物和金屬有機(jī)化合物，隨著有機(jī)導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，有機(jī)半導(dǎo)體逐漸延伸它的應(yīng)用領(lǐng)域，值得注意的是在晶體管器件上的應(yīng)用正在促進(jìn)著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，以晶體管為基礎(chǔ)的有機(jī)場效應(yīng)晶體管和有機(jī)電化學(xué)晶體管正在引領(lǐng)著生物電子領(lǐng)域的發(fā)展。按照載流子傳輸方式來分類，有機(jī)半導(dǎo)體材料可以分為主要傳輸空穴的 p型半導(dǎo)體和主要傳輸電子的 n 型半導(dǎo)體。其中 p 型有機(jī)半導(dǎo)體一般為具有共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子 (圖 1.2 B)，n 型有機(jī)半導(dǎo)體材料一般為具有吸電子基團(tuán)的有機(jī)小分子[7](圖 1.2 B)。與無機(jī)半導(dǎo)體材料相比有機(jī)半導(dǎo)體材料更易獲得、成本低，成膜技術(shù)相對簡單容易操作，利用它較好的生物相容性和柔韌性可以制備更適用于生物活體層次的場效應(yīng)器件；現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的為 p 型有機(jī)半導(dǎo)體材料，

它們在不同電解質(zhì)中的穩(wěn)定性和成膜性更好，導(dǎo)電率更高更有利于在大的電壓跨度下調(diào)節(jié)晶體管性能，然而現(xiàn)階段獲得的材料還不能滿足所有領(lǐng)域的應(yīng)用，為了獲得更加理想的導(dǎo)電材料，人們正不斷對有機(jī)分子進(jìn)行化學(xué)改進(jìn)和摻雜，如 p(gNDI-T2)[8]、P-90[9]等新型 n 型半導(dǎo)體材料[10]。1.2 有機(jī)場效應(yīng)晶體管簡介有機(jī)場效應(yīng)晶體管 (OFET) 與場效應(yīng)晶體管不同之處在于 OFET用有機(jī)半導(dǎo)體材料作為導(dǎo)電溝道材料。自上世紀(jì) 30 年代[11]晶體管的提出開始 (圖 1.3)，這種具有放大信號作用的器件一直活躍在研究信息傳輸?shù)那把仡I(lǐng)域，19世紀(jì) 70年代有機(jī)半導(dǎo)體材料與晶體管的結(jié)合，為場效應(yīng)晶體管的研究打開了新世界的大門，場效應(yīng)晶體管不再局限于固體物理器件的范疇[12]。

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本文編號：2833047