基于一维纳米结构的电化学传感器研究

论文摘要

本论文工作主要包括基于一维纳米结构的化学与生物传感器的设计与研究,具体工作包括以下几个方面:第一,基于束状硅纳米线的谷胱甘肽电化学传感器的研究。利用去除氧化层的硅纳米线表面对金属离子的还原性,将三价金离子还原在硅纳米线表面,在硅纳米线表面形成稳定均匀的金纳米颗粒,并且利用金纳米颗粒易于与巯基反应的特点,将氨基为末端的有机小分子巯基乙胺修饰在金纳米颗粒表面。修饰后的硅纳米线由于其独特的成束性、较大的比表面积、金颗粒的修饰对硅纳米线传导性增强的特点,与化学修饰后所具有的氨基末端与三肽生物分子谷胱甘肽末端的羧基的相互作用,被用作检测谷胱甘肽的直接电化学传感器。实验结果表明,基于硅纳米线的谷胱甘肽传感器具有低浓度线性响应（0.33-2.97μM）、灵敏度高（48.5 mA.mmol-1）、以及检测底限浓度较低（0.33μM,measured）的优点。第二,硅纳米线在溶液中的分散与葡萄糖电化学传感器的研究。分别以磷酸缓冲溶液、乙醇溶液与水溶性全氟取代聚合物Nafion溶液作为溶剂,研究了硅纳米线在溶液中的分散。实验结果表明,去除掉氧化层的硅纳米线与金纳米颗粒修饰的硅纳米线在Nafion溶液中可以形成稳定均匀的分散液,在其它溶剂中难以分散;而未经表面处理的硅纳米线在几种溶液中均难以形成分散液。金纳米颗粒修饰的硅纳米线分散液被用于酶电极的修饰,制备了葡萄糖电化学传感器,电化学实验结果表明,硅纳米线的修饰对葡萄糖的传感具有明显的增强作用。根据实验结果,我们提出了去掉氧化层的硅纳米线由于表面的Si-H与Nafion的磺酸基之间的作用而使之易于溶剂化进而在溶液中分散的机理。第三,基于硅纳米线阵列的细胞色素c电化学传感器的研究。利用化学刻蚀法由硅片制备了硅纳米线阵列,经过表面去氧化层处理后,制备了检测蛋白质细胞色素c的电化学传感器。实验表明,硅纳米线阵列电极对细胞色素c有良好的电化学响应,并且在低浓度条件下具备线性响应的特点,灵敏度为2.75μA.mM-1。根据与未经表面处理的硅纳米线阵列电极的实验结果相对比,提出了细胞色素c所具备的羧基末端与硅纳米线阵列电极表面的Si-H相互作用从而改善传感性能的检测机理。第四,基于表面修饰ZnO纳米管阵列的葡萄糖电化学传感器的研究。在本实验室发展的电化学沉积法制备氧化锌纳米管阵列的基础上,利用氧化锌表面与葡萄糖氧化酶（GOx）之间的静电吸引作用,将GOx修饰在氧化锌纳米管阵列的表面,并引入Nafion以达到进一步固化GOx与增强传感器抗干扰能力的目的,制备了基于氧化锌纳米管阵列的葡萄糖电化学传感器。实验结果证明,由于ZnO纳米管的独特结构使其比表面积相对较大,电化学沉积的方法使ZnO纳米管与基底电极ITO玻璃之间的接触较好,可以改善ZnO结构与基底电极之间的电子传输效率,传感器具备灵敏度高（30.85μA.cm-2.mM-1）,线性范围较宽（10μM-4.2 mM）,检测底限浓度较低（10μM,measured）,响应时间较短（<5s）等优点。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 文献综述
• 1.1 生物传感器概述
• 1.2 基于酶修饰电极的电化学生物传感器
• 1.2.1 酶电极的三个发展阶段
• 1.2.2 改善酶电极性能的方法
• 1.3 蛋白质的直接电化学传感器
• 1.3.1 直接蛋白质电化学传感器的特点
• 1.3.2 进行直接电化学反应的酶和蛋白质类化合物
• 1.4 纳米结构在电化学生物传感器中的应用
• 1.4.1 纳米结构可应用于传感器中的特点
• 1.4.2 纳米颗粒在电化学传感器中的应用
• 1.4.3 一维纳米结构在电化学传感器中的应用
• 1.5 本论文的选题思路与工作构思
• 参考文献
• 第二章 基于化学修饰束状硅纳米线的谷胱甘肽电化学传感器
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和仪器
• 2.2.2 硅纳米线的制备与表面修饰
• 2.2.3 硅纳米线电极的制备
• 2.2.4 三电极系统的组装
• 2.2.5 谷胱甘肽的检测
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 硅纳米线修饰前后的表征
• 2.3.2 修饰硅纳米线电极对谷胱甘肽的检测结果讨论
• 2.3.3 谷胱甘肽分子与硅纳米线电极作用机制的讨论
• 2.4 结论与展望
• 参考文献
• 第三章 硅纳米线的分散与葡萄糖传感器的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和仪器
• 3.2.2 硅纳米线的制备、处理、修饰及分散
• 3.2.3 硅纳米线的表征
• 3.2.4 硅纳米线修饰电极的电化学测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 硅纳米线的修饰与分散
• 3.3.2 硅纳米线在Nafion 溶液中的分散机制
• 3.3.3 硅纳米线的葡萄糖电化学传感器
• 3.4 结论与展望
• 参考文献
• 第四章 硅纳米线阵列电极作为细胞色素C 传感器的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 硅纳米线阵列的制备
• 4.2.3 硅纳米线阵列的后处理及作为细胞色素c 检测的电极
• 4.2.4 细胞色素c 的电化学检测
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 化学刻蚀法制备的硅纳米线阵列
• 4.3.2 细胞色素c 的电化学测量
• 4.3.3 细胞色素c 在硅纳米线阵列表面的电化学作用过程
• 4.4 结论与展望
• 参考文献
• 第五章 基于表面修饰ZnO 纳米管阵列的葡萄糖传感器
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和仪器
• 5.2.2 ZnO 纳米管阵列的制备
• 5.2.3 ZnO 纳米管阵列的表面修饰
• 5.2.4 三电极系统的组装
• 5.2.5 葡萄糖的检测
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 ZnO 纳米管阵列修饰前后的表征
• 5.3.2 表面修饰ZnO 纳米管阵列电极对葡萄糖的检测
• 5.3.3 Nafion/GOx/ZNTs/ITO 电极与葡萄糖作用机制
• 5.4 结论与展望
• 参考文献
• 第六章 结论
• 发表文章
• 致谢