TiO2纳米管阵列修饰电极的制备及其在电化学生物传感器中的研究

论文摘要

一维TiO2纳米管由于具有独特的结构和物理化学性质,在光电、催化、传感及生物医学等领域具有重要的应用前景,已成为国内外研究的热点之一。采用阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列因其具有大的比表面积、高度定向的结构和良好的生物相容性,是构建生物传感器的理想材料。本论文研究以TiO2纳米管阵列电极作为传感支持电极,通过纳米材料修饰TiO2纳米管阵列电极,改善TiO2纳米管的电催化性能并用于构建电化学生物传感器。本论文主要分为四个部分:①采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列（TNTs）修饰电极,然后通过脉冲电沉积法将Ni纳米颗粒负载于TNTs电极（Ni-NPs/TNTs电极）上,并用SEM、XRD和XPS对制备的电极形貌、晶型、表面成分进行了分析。结果表明,Ni纳米颗粒均匀地分散于二氧化钛纳米管内壁,其组成成分为金属镍和氢氧化镍。另外,还探讨了不同沉积时间对Ni颗粒大小的影响。②首次将Ni-NPs/TNTs电极作为新型的非酶葡萄糖生物传感器并详细考察了其传感性能。结果表明,Ni-NPs/TNTs电极对葡萄糖的电催化作用明显,其作用主要是依赖于电极表面上活性点Ni（Ⅱ）/Ni（Ⅲ）氧化还原对的介导氧化,并与Ni颗粒的尺寸大小以及量相关。当沉积的镍纳米颗粒尺寸为40nm左右时,制备的电极对葡萄糖催化作用最明显。在优化实验条件下,该葡萄糖生物传感器灵敏度高达2043μA/（mM·cm2）,线性范围为2μmol/L5.5mmol/L,检测限低（1μmol/L）,响应快（响应时间小于5s）和选择性较高。③在含有[Fe（SCN）6]3-的溶液中,采用循环伏安法将Ni-NPs/TNTs电极表面上的Ni纳米颗粒转化为铁氰化镍过渡金属化合物,得到电极为纳米铁氰化镍修饰TiO2纳米管阵列（NiHCF/TNTs）电极。铁氰化物由于具有优良的电催化性能且化学性质稳定,将其作为传感材料以提高传感电极的稳定性。本文对NiHCF/TNTs电极用于非酶葡萄糖生物传感器的传感性能进行了研究。结果表明,该修饰电极对葡萄糖有很高的催化作用,线性范围宽,上限检测浓度达到23mmol/L,检测限为0.5μmmol/L,稳定性和重现性好。另外,实验制备传感电极的方法比较简单,成本低,有望成为测定葡萄糖的一种新方法。④首次利用阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列电极直接用于分析和检测生物小分子。实验比较了基于KF和HF两种电解液体系制备的TiO2纳米管阵列电极对多巴胺的传感性能。结果表明,TiO2纳米管阵列电极能实现对多巴胺的直接电化学,并且基于KF电解液体系制备的TiO2纳米管电极对多巴胺的催化作用更明显,还能实现存在抗坏血酸的条件下选择性检测多巴胺。该生物传感器对多巴胺的检测线性范围为5×10–6mol/L2×10-4mol/L,最低检测限为2.0×10–6mol/L。总之,该多巴胺生物传感器具有高灵敏度及抗干扰能力,使得TiO2纳米管阵列电极在电分析和生物传感器领域中具有潜在的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.2 纳米材料修饰电极的类型及在生物传感器的应用
• 1.2.1 碳纳米管修饰电极
• 1.2.2 金属纳米材料修饰电极
• 1.2.3 纳米半导体材料修饰电极
• 1.3 非酶葡萄糖生物传感器的应用研究
• 1.3.1 生物传感器简介
• 1.3.2 生物传感器工作原理
• 1.3.3 非酶葡萄糖电化学生物传感器
• 1.3.4 非酶葡萄糖电化学传感器的发展趋势
• 2 纳米管及在生物传感器的研究'>1.4 TiO₂纳米管及在生物传感器的研究
• 2 纳米管简介'>1.4.1 TiO₂纳米管简介
• 2 纳米管阵列在生物传感器的应用'>1.4.2 TiO₂纳米管阵列在生物传感器的应用
• 1.5 本研究论文的研究意义及主要内容
• 2 纳米管阵列电极的制备及表征'>2 Ni 纳米颗粒修饰 TiO₂纳米管阵列电极的制备及表征
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.2 实验方法及步骤
• 2 纳米管电极的制备'>2.2.1 TiO₂纳米管电极的制备
• 2 纳米管阵列电极（Ni-NPs/TNTs）的制备'>2.2.2 Ni 纳米颗粒修饰TiO₂纳米管阵列电极（Ni-NPs/TNTs）的制备
• 2.3 脉冲电沉积金属纳米镍的基本原理
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 SEM 分析
• 2.4.2 XRD 分析
• 2.4.3 XPS 分析
• 2.4.4 沉积时间的对沉积Ni 颗粒的影响
• 2.5 小结
• 3 基于 Ni-NPs/TNTs 修饰电极的非酶葡萄糖生物传感器
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂与仪器
• 3.2.2 测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 TNTs 电极的电化学表征
• 3.3.2 Ni-NPs/TNTs 修饰电极的电化学特性
• 3.3.3 TNTs 电极和Ni-NPs /TNTs 修饰电极对葡萄糖的电催化作用
• 3.3.4 Ni-NPs/TNTs 修饰电极对葡萄糖的电催化氧化机理分析
• 3.3.5 不同pH 电解质溶液的影响
• 3.3.6 不同电极对葡萄糖的催化性能研究
• 3.3.7 不同沉积时间下制备的电极的影响
• 3.3.8 不同初始电压的影响
• 3.3.9 响应范围和检测限
• 3.3.10 不同电极传感性能比较
• 3.3.11 干扰、稳定性和重现性实验
• 3.4 小结
• 2纳米管阵列电极的非酶葡萄糖生物传感器'>4 基于纳米铁氰化镍修饰 TiO₂纳米管阵列电极的非酶葡萄糖生物传感器
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 NiHCF/TNTs 修饰电极的制备
• 4.2.2 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 NiHCF/TNTs 修饰电极的制备和表征
• 4.3.2 峰电流与扫描速率的关系
• 4.3.3 NiHCF/TNTs 修饰电极对葡萄糖的电催化作用
• 4.3.4 非酶葡萄糖传感器的性能
• 4.4 小结
• 2 纳米管阵列电极对多巴胺的传感性能研究'>5 TiO₂纳米管阵列电极对多巴胺的传感性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验试剂及仪器
• 5.3 实验部分
• 2 纳米管阵列电极的制备'>5.3.1 TiO₂纳米管阵列电极的制备
• 5.3.2 测试方法
• 5.4 结果与讨论
• 2 纳米管电极的循环伏安特性测试'>5.4.1 TiO₂纳米管电极的循环伏安特性测试
• 2 纳米管电极对多巴胺的电化学行为'>5.4.2 TiO₂纳米管电极对多巴胺的电化学行为
• 5.4.3 溶液pH 值的影响
• 5.4.4 在抗坏血酸共存下测定多巴胺
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目