聚吡咯纳米电极电化学生物传感器的研究

论文摘要

本论文对导电聚合物在纳米材料领域的应用、聚吡咯纳米复合材料电化学生物传感器的研究进展进行了较为细致的综述，在此基础上，开展了以导电聚吡咯及过氧化聚吡咯和金属纳米复合材料为体系的系列纳米电极电化学传感器的研制、表征与应用研究。主要借助扫描电镜、X-射线光电子能谱及X-射线粉末衍射等表面分析技术以及各种电化学手段，对电极表面构筑的纳米结构及其传感性能进行了研究与表征，并应用于燃料电池（包括甲醇、乙醇、甲醛和O2）、单胺类神经递质（包括多巴胺、肾上腺素和5-羟色胺）以及其它一些重要的生物活性物质（包括抗坏血酸、尿酸、葡萄糖、还原型辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、肼、羟胺和NO2-）的电化学催化与传感测定。详细内容包括如下：以无模板直接电化学法在玻碳电极（GCE）表面制备聚吡咯（PPy）纳米线，得到PPy／GCE。在PPy／GCE上电化学沉积Pt，制备了100 nm大小的Pt纳米簇嵌入在PPy纳米线中的多孔结构复合膜修饰电极，PPy-Pt／GCE。研究发现，PPy-Pt／GCE对甲醇、乙醇、甲醛、O2和NO2-都有很高的电化学催化性能，可望用于制作高灵敏的氧传感器、NO2-传感器和高效的氢-氧燃料电池电极。该电极对甲醇的催化氧化，最大电流密度达17．8 mA／cm2，比Pt／GCE提高50％，而且抗COads中毒能力也大大提高。在H2SO4溶液中对O2的催化还原，电流密度达1．3 mA／cm2，还原电位在0．518 V，与Pt／GCE相比，显著提高了催化性能。进而，以PPy-Pt／GCE为基底，利用循环伏安法聚合邻氨基苯酚（OAP）共沉积葡萄糖氧化酶（GOD），制备了葡萄糖传感器（POAP-GOD／PPy-Pt／GCE）。该传感器具有十分优异的生物响应特性，响应时间约7 s，检测限为4．5×10-7mol／L，米氏常数为23．9 mmol／L，酶催化反应的表观活化能为25．9 kJ／mol，最大响应电流密度达378μA／cm2。由于采用PPy-Pt和POAP-GOD双层纳米复合膜结构，很好地保持了酶的活性，具有良好的灵敏度、重现性和稳定性，能够完全消除抗坏血酸、尿酸和对乙酰氨基酚的干扰。在PPy／GCE上，电化学沉积Au，得到了15 nm大小的Au纳米粒子均匀地分散在PPy纳米线上的Au／PPy纳米复合膜修饰电极，Au／PPy／GCE。该纳米电极对肼、羟胺和NO2-都有显著的电催化氧化作用，线性响应范围宽，灵敏度高，检测限低，可用于这三种物质的传感分析。将PPy／GCE在NaOH溶液中过氧化处理得到了过氧化聚吡咯膜修饰电极，PPyox／GCE。以PPyox膜为模板电化学沉积Au，得到了Au纳米阵列电极，nano-Au／PPyox／GCE。以肾上腺素（EP）、多巴胺（DA）、5-羟色胺（5-HT）和尿酸（UA）为分析对象，研究了修饰电极的伏安传感性能，发现纳米Au和PPyox膜的协同效应，使修饰电极对EP、DA、5-HT和UA有较高的电流灵敏度和选择性，对AA有极强的电流抑制作用，因而可以在大量AA存在下，进行选择性测定。最后，在PPyox／GCE上研究了邻苯二酚的电化学行为，并以邻苯二酚为电子媒介体，电催化氧化还原型辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，UA的存在不干扰测定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 纳米材料简介
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 纳米材料的结构与应用
• 1.1.3 纳米复合材料的定义和分类
• 1.1.4 纳米复合材料的制备
• 1.1.5 纳米复合材料的发展前景
• 1.2 导电聚合物研究简介
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 导电聚合物的分类
• 1.2.3 导电聚合物的结构特征和导电机理
• 1.2.4 导电聚合物的基本性能和应用前景
• 1.2.5 导电聚合物的合成
• 1.2.6 导电聚合物研究中存在的问题
• 1.2.7 导电聚合物的发展方向
• 1.3 导电聚吡咯
• 1.3.1 引言
• 1.3.2 聚吡咯的结构和掺杂
• 1.3.3 影响聚吡咯导电性的因素
• 1.3.4 过氧化聚吡咯
• 1.4 聚吡咯纳米线（管）
• 1.4.1 引言
• 1.4.2 模板法制备聚吡咯纳米线（管）
• 1.4.3 非模板法制备聚吡咯纳米线（管）
• 1.5 聚吡咯在分析化学中的应用
• 1.5.1 生物传感器
• 1.5.2 气体传感器
• 1.5.3 化学传感器
• 1.5.4 伏安分析或溶出分析
• 1.5.5 其他应用
• 1.6 本论文的研究意义和思路
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 玻碳电极的预处理
• 2.4 电化学实验
• 第3章 聚吡咯-铂纳米复合材料的制备与应用
• 3.1 聚吡咯-铂纳米复合材料的制备与表征
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 修饰电极的制备
• 3.1.3 结果与讨论
• 3.1.4 本节小结
• 3.2 甲醇在修饰电极上的电催化氧化
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 修饰电极的制备
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.4 本节小结
• 3.3 氧在修饰电极上的电催化还原
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 修饰电极的制备
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.4 本节小结
• 3.4 亚硝酸根在修饰电极上的电催化还原
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.4.3 本节小结
• 3.5 本章小结
• 第4章 聚吡咯-铂纳米复合材料构建葡萄糖传感器
• 4.1 引言
• 4.2 修饰电极的制备
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 邻氨基苯酚的电化学聚合和葡萄糖氧化酶的固定
• 4.3.2 聚合条件对传感器性能的影响
• 4.3.3 葡萄糖检测条件的选择
• 4.3.4 传感器对葡萄糖的检测性能
• 4.3.5 葡萄糖传感器的动力学研究
• 4.3.6 葡萄糖传感器的抗干扰性能测试
• 4.3.7 葡萄糖传感器的重现性和稳定性
• 4.4 本章小结
• 第5章 金/聚吡咯纳米复合材料的制备与应用
• 5.1 引言
• 5.2 修饰电极的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 金/聚吡咯纳米复合材料的结构表征
• 5.3.2 实验条件的优化
• 5.3.3 修饰电极对肼的电催化氧化和检测
• 5.3.4 修饰电极对羟胺的电催化氧化和检测
• 5.3.5 修饰电极对亚硝酸根的电催化氧化和检测
• 5.4 本章小结
• 第6章 纳米金/过氧化聚吡咯复合膜传感器的制备与应用
• 6.1 引言
• 6.2 修饰电极的制备
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 纳米金/过氧化聚吡咯复合膜的结构表征
• 6.3.2 修饰电极的电化学性质研究
• 6.3.3 EP、UA和AA在修饰电极上的电化学响应
• 6.3.4 DA和5-HT在修饰电极上的电化学响应
• 6.4 本章小结
• 第7章 NADH在过氧化聚吡咯修饰电极上的电催化氧化
• 7.1 引言
• 7.2 修饰电极的制备
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 邻苯二酚在修饰电极上的电催化氧化
• 7.3.2 辅酶NADH的电催化氧化
• 7.3.3 实验条件的优化
• 7.3.4 修饰电极对HADH的检测性能
• 7.3.5 干扰实验
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 全文总结
• 附录 主要缩略语
• 附录 图表
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果