定向碳纳米管阵列电极的制备及应用研究

论文摘要

近年来为了了解蛋白质的结构,蛋白质发生电子传递的机理,以及在电极表面模拟生物体内的电子传递过程,基于氧化还原蛋白直接电化学的生物传感器受到了广泛的关注和研究。但生物活性物质的电活性中心多被包埋在多肽链中,同时它也容易在电极表面强烈吸附造成电极的钝化,因此在裸电极表面难以实现其直接电子转移。碳纳米管以其特有的力学、电学和化学性质以及独特的管状分子结构和应用价值,已成为研究热点。碳纳米管由于易于表面功能化、大的比表面积、促进电子传递反应效应,能提高生物电化学传感器电极的灵敏度；其良好生物相容性,有利于保持固定化的生物体的活性。在引进其他纳米材料如金属纳米颗粒、量子点等后亦能进一步促进生物活性物质和传感器电极的电子传递速率,更持久地保持生物体的活性,为开发更高效,简便,耐用的生物电化学传感器提供新的思路。本文利用定向碳纳米管阵列优良的物理、化学、电催化性能以及它们良好的生物兼容性,结合纳米颗粒的量子效应和大的比表面积效应,制备了2种不同类型的定向碳纳米管阵列修饰电极。采用化学气相沉积法在石英基底上成功制备了大面积的定向碳纳米管阵列,并将其制成定向碳纳米管阵列电极,将血红蛋白、葡萄糖氧化酶采用多种方法固定到阵列电极界面上,制备的生物传感器具有较高的灵敏度、较低的检测下限以及快的响应速度等优势。第一章绪论首先系统介绍了碳纳米管的发现及应用研究,包括碳纳米管的结构和分类、性质、制备方法、分离和纯化以及应用现状。着重介绍定向碳纳米管阵列在生物和化学传感器中的研究进展。第二章常压下单控温化学气相沉积法制备定向碳纳米管阵列本实验以石英为基底,以金属有机化合物酞菁铁为原料,利用其高温裂解可同时产生碳源和催化剂,采用常压下单控温方式在最高温890℃时制备了大面积的定向碳纳米管阵列,实现了在常压条件下,仅控制单一温度就可以进行化学气相沉积制备定向碳纳米管阵列,有效地降低了实验成本,简化了实验器材。通过对工艺参数的改进和优化,利用化学气相沉积法成功实现了定向碳纳米管阵列的批量制备,获得了大面积的、高度定向排列的碳纳米管,实验制备的定向碳纳米管阵列管长均匀约10μm,管径约50-70 nm。实验探讨了电阻炉最高炉温、升华区位置和酞菁铁用量、载气流速和比例等制备参数以及不同基底上定向碳纳米管阵列生长的情况,对碳纳米管的制备和实际应用研究具有重要意义。第三章葡萄糖氧化酶/CdS纳米颗粒／壳聚糖/Pt纳米颗粒修饰定向碳纳米管阵列电极的直接电化学研究本章采用化学气相沉积法,以酞菁铁为原料,在石英基底上制备了大面积的定向碳纳米管阵列。将制得的定向碳纳米管阵列表面喷金处理后,用40%的HF溶液使得定向碳纳米管阵列和石英片基片相互分离,制成ACNTs工作电极。场发射扫描电镜图表明,制备的定向碳纳米管阵列生长密度高、排列紧密、长度接近、直径均匀、定向性好。使用了铂和CdS两种类型的纳米颗粒及葡萄糖氧化酶（GOD）对定向碳纳米管阵列电极进行修饰并以此电极作为工作电极：首先在定向碳纳米管阵列上电沉积的铂纳米颗粒（Ptnano）；当溶液pH值大于壳聚糖的pKa时,葡萄糖氧化酶（GOD）、CdS纳米颗粒和壳聚糖（CS）的混合溶液电沉积到ACNTs-Ptnano电极表面。实验表明,铂纳米粒子能有效地增加电极表面积、提高电极的电子传递速率；CdS纳米粒子能有效地促进葡萄糖氧化酶与定向碳纳米管阵列电极之间的直接电子传递,实现了葡萄糖氧化酶的活性中心FAD/FADH2的直接电化学。这种基于CS-GOD-CdS/ACNTs-Ptnano电极的葡萄糖生物传感器显示了良好的传感性能,其检测线性范围为0.4 mmol/L-21.2 mmol/L,最低检测限为46.8μmol/L （S/N=3），表观米氏常数Kmapp为11.86mmol/L。电极保存2个星期后,该传感器仍保持了良好的选择性、重复性和稳定的电化学信号。第四章血红蛋白在重氮化修饰定向碳纳米管阵列电极上的直接电化学及电催化性质研究本章通过在溶液中电化学还原4-羧基苯基重氮盐,对定向碳纳米管阵列电极进行功能化修饰,得到基于表面羧基化的定向碳纳米管阵列电极,并且成功地将血红蛋白（Hb）分子固定在定向碳纳米管阵列电极表面。制备的定向碳纳米管阵列电极具有良好的生物兼容性和导电性,电极表面的羧基提供了更多的蛋白质结合位点,使得血红蛋白分子在此功能界面上可实现直接电子转移。采用循环伏安法和计时电流法对Hb分子的直接电化学和生物电催化活性进行监测。结果表明,在0.1mol/L pH=7.0的PBS溶液中,Hb的式量电位为-0.312 V （vs.Ag/AgCl）,异相电子传递速率常数为0.95±0.05 cm/s。该电极对H202有很好的电催化还原作用,其表观米氏常数Kmapp为0.15 mmol/L。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 碳纳米管概述
• 2 碳纳米管的结构与分类
• 3 碳纳米管的性质
• 4 碳纳米管的制备、分离与纯化
• 4.1 碳纳米管的制备
• 4.2 碳纳米管的分离
• 4.3 碳纳米管的纯化
• 5 碳纳米管的应用
• 5.1 碳纳米管在分离领域的应用
• 5.2 碳纳米管在新能源中的应用
• 5.3 碳纳米管在微器件中的应用
• 5.4 碳纳米管在复合材料中的应用
• 5.5 碳纳米管在传感器中的应用
• 6 本论文的研究目的及意义
• 参考文献
• 第二章 常压下单控温化学气相沉积法制备定向碳纳米管阵列
• 摘要
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 实验过程
• 3 结果与讨论
• 3.1 定向碳纳米管阵列的表征
• 3.2 电阻炉最高炉温的确定
• 3.3 升华区位置和酞菁铁用量的确定
• 3.4 载气流量的确定
• 3.5 定向碳纳米管阵列在不同基底上的生长情况
• 4 结论
• 参考文献
• 第三章 葡萄糖氧化酶/CdS纳米颗粒/壳聚糖/Pt纳米颗粒修饰定向碳纳米管阵列电极的直接电化学研究
• 摘要
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 实验过程
• 3 结果与讨论
• 3.1 定向碳纳米管阵列的表征
• nano电极的表征'>3.2 CS-GOD-CdS/ACNTs-Pt_nano电极的表征
• nano电极上葡萄糖氧化酶的直接电化学'>3.3 CS-GOD-CdS/ACNTs-Pt_nano电极上葡萄糖氧化酶的直接电化学
• nano电极对葡萄糖的电催化活性研究'>3.4 CS-GOD-CdS/ACNTs-Pt_nano电极对葡萄糖的电催化活性研究
• 4 结论
• 参考文献
• 第四章 血红蛋白在重氮化修饰定向碳纳米管阵列电极上的直接电化学及电催化性质研究
• 摘要
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 实验过程
• 3 结果与讨论
• 3.1 4-羧基苯基修饰的ACNTs（4CP-ACNTs）阵列电极的电化学特性
• 3.2 Hb-ACNTs薄膜的表征
• 3.3 Hb-ACNTs电极的电化学性质研究
• 2O₂的电催化还原'>3.4 Hb-ACNTs电极对H₂O₂的电催化还原
• 3.5 Hb-ACNTs电极的重现性和稳定性
• 4 结论
• 参考文献
• 附录:硕士期间论文发表情况
• 致谢