基于SERS和电化学方法实现微痕量葡萄糖的定量检测研究
葡萄糖是人体内经氧化后可以提供能量的一种十分重要的物质，但当体内葡萄糖浓度过高时人就会得糖尿病，糖尿病会对人体产生极大伤害并引发一些并发症。而且，葡萄糖在化工产业、发酵工艺、食品工业中都占据着极为重要的地位。因此能够快速、痕量、定量、在线检测出葡萄糖浓度对于人体健康和工业生产都具有重要意义。 表面增强拉曼散射(SERS)方法由于其相较于色谱、质谱法具有快速、便捷的优势，被广泛应用于生物、医学、化学、食品安全等多个领域来实现对一些反应中物质快速定量检测。由于葡萄糖的拉曼散射截面小且与基底吸附作用弱，难以直接进行SERS定量检测，因此本文利用SERS方法通过酶促反应间接实现对葡萄糖浓度的快速定量检测，有酶法对于检测成分复杂过程中的葡萄糖浓度具有重要意义。无酶法具有较强的稳定性、成本低等优点，能够满足日常的使用要求，因此探究一种无酶的检测方法也显得格外重要。电化学传感器可以将某些物质直接氧化，根据对不同浓度物质的电流响应来对其进行定量检测，避免了酶的参与。因此，本论文同时采用了电化学无酶方法实现了对葡萄糖浓度的快速定量检测。 本论文制备了具有高SERS增强性能和电化学性能的泡沫金基底，在利用有酶法对葡萄糖进行快速定量检测后，又利用无酶法实现了对葡萄糖浓度的快速定量检测，主要研究内容如下: 一、比表面积大、SERS增强性能好的泡沫金基底的制备、表征与结构优化。本文先通过化学还原的方法将金还原到硅片上得到Au/Si基底，其既作为后面实验的导电电极同时也作为金晶种实现泡沫金的生成。再通过电化学沉积方法，在Au/Si基底两端加上负电压，使得电解液中的H2SO4和NH4Cl在电极表面产生气泡，同时金被还原并以气泡为模板形成泡沫金基底。通过对电解液的成分进行优化，发现当电解液为NH4Cl、H2SO4、HAuCl4时，泡沫金基底的纳米孔大小均匀，形貌最好，并且SERS增强性能也最好。利用该泡沫金作为SERS基底，以R6G分子作为染料分子进行拉曼测试，能够检测到1×10-7M的R6G溶液信号，证明其有较强的SERS检测精度和增强性能。 二、利用SERS方法，有酶法条件下实现对1×10-7至1.5×10-2M的葡萄糖的快速、定量检测。由于直接检测葡萄糖的SERS信号较弱，我们探索出了一种将葡萄糖的拉曼信号进行转化和放大的新方法。具体在第一步中先将葡萄糖氧化生成H2O2，再利用H2O2将四甲基联苯胺(TMB)氧化为四甲基联苯胺的电荷转移络合物(CTC)。CTC的拉曼信号强且易被检测，可将检测葡萄糖间接转换为检测CTC信号，即通过CTC的量间接测得葡萄糖的浓度。研究过程中先排除掉了可能影响CTC检测的因素，如:酶、葡萄糖酸内酯、H2O2、TMB等。找到了第二步反应中H2O2浓度和CTC拉曼特征峰积分面积之间的线性关系，这为找到葡萄糖浓度和CTC信号强度之间的线性关系提供基础。通过将两个反应结合，最终确定出葡萄糖浓度和CTC拉曼特征峰积分面积之间的线性关系，葡萄糖的检测限为1×10-7M，并对建立的该线性关系实现葡萄糖的精准检测进行了验证。结果表明，利用SERS方法采用间接的方法可以快速、灵敏、准确地定量检测葡萄糖的浓度。 三、利用电化学方法，无酶条件下实现对5×10-7至1.2×10-2M的葡萄糖的快速、定量检测。由于酶的活性易受环境的影响，这就会影响到葡萄糖检测的精度，所以本论文进一步又采用电化学，在无酶条件下快速定量检测葡萄糖浓度的研究方法。无酶条件下先检测了泡沫金电极、Au/Si电极、Si电极在H2SO4、NaOH、葡萄糖溶液中的电化学活性。泡沫金由于其独特结构，而拥有大的表面积，使其可以吸附更多的葡萄糖分子形成更多的氧化葡萄糖的催化物质AuOH，这也导致其具有较强的电化学活性，并且能够氧化葡萄糖。之后本文对葡萄糖的电流响应进行了检测，发现不同的葡萄糖浓度对应于不同的电流响应，建立了具有快速、灵敏、准确特性的i-t曲线。利用该曲线实验室建立了葡萄糖浓度与电流响应之间的线性关系，并确定了葡萄糖的检测限为0.14μM。综合进一步对该泡沫金葡萄糖传感器进行选择性、稳定性、重现性等研究，结果表明，该传感器对于无酶条件下葡萄糖的检测具有良好的选择性、长时间稳定性，以及较好重现性。而且，本课题还将该葡萄糖生物传感器应用于人体血清中葡萄糖浓度的检测，获得了精准的精测数据。利用SERS方法和电化学方法分别检测三个浓度的样品，并与商业传感器的结果进行了比较后表明，该泡沫金传感器的检测准确度很好，可以应用于实际中的葡萄糖定量检测，具有良好的应用前景。
葡萄糖;定量检测;表面增强拉曼散射;电化学方法;泡沫金;有酶法
北京化工大学
硕士
物理学
张鑫
2019
中文
O657.37
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）