基于复合纳米材料的电化学和电致化学发光传感平台的构建

论文摘要

由金属、碳材料、半导体或聚合物制得的复合纳米材料已经被广泛地应用于电化学和电致化学发光（ECL）领域。在电化学方面，电极的性能与电极材料的表面性质密切相关。复合纳米材料不仅具备了单一纳米材料的出色性能，还因为材料之间的整合，而表现出独特的电学、光学和催化性能。本论文通过化学合成方法和电化学沉积法制备出了新的纳米钯复合材料修饰的电极，应用电化学方法对有机小分子（甲醛、甲醇、乙醇等）的氧化过程进行研究。甲醛是工业生产中的重要原料之一，因此人们在生活中常常会接触到。纳米钯复合材料构建的电化学传感器实现了对甲醛的快速、灵敏、简便的检测。而甲醇和乙醇被作为燃料应用在直接醇类燃料电池中，选用纳米钯复合材料作为阳极催化剂，提高现有的直接醇类燃料电池阳极的利用率、催化活性和抗毒化能力。在ECL生物传感器方面，纳米材料可用于制作修饰电极，ECL标志物的载体和ECL的发光物质等。酪氨酸酶是儿茶酚胺的关键酶，肾上腺素就属于儿茶酚胺类物质，而且是哺乳类动物中枢神经系统信号传递过程中的重要物质之一。于是，我们构建了基于纳米碳化硅的电致化学发光的肾上腺素生物传感器。本论文大致可以分为以下四个章节：第一章：简介纳米材料中的贵金属纳米材料和碳纳米材料，对贵金属碳纳米复合材料的合成方法进行简单的介绍，最后是复合纳米材料在电化学和电致化学发光方面应用的综述。第二章：研制了基于钯纳米粒子和石墨烯修饰的复合电极（PdNPs/Graphene/GCE），采用环境扫描电镜（SEM）对复合电极表面进行表征，并用电化学手段研究了甲醛在复合电极上的电催化氧化作用。对复合电极的制备和实验条件进行了优化，建立了一种检测甲醛浓度的方法。第三章：通过化学还原法制备了纳米碳化硅负载钯纳米粒子（PdNPs/SiC/GCE）的新型复合材料电极，并对甲醇和乙醇的电催化氧化进行研究，通过透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对复合膜进行表征，电化学性能检测结果表明，这种复合电极在碱性环境中，能够催化甲醇和乙醇的氧化反应。第四章：基于碳化硅纳米粒子的优异性能构建了过氧化氢ECL传感器，利用酪氨酸酶与肾上腺素反应产生过氧化氢，制备了肾上腺素的ECL生物传感器。这种生物传感器的电致化学发光强度与肾上腺素的浓度在1×10-9-5×10-6M范围内呈线性关系，检测限为8×10-10M。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 贵金属纳米材料
• 1.1.1 金纳米粒子
• 1.1.2 银纳米粒子
• 1.1.3 铂族金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂）
• 1.1.4 碳纳米材料
• 1.1.4.1 石墨烯
• 1.1.4.2 碳化硅（SiC）
• 1.2 复合纳米材料
• 1.2.1 金属/碳纳米复合材料的合成
• 1.2.1.1 电化学沉积法
• 1.2.1.2 化学沉积
• 1.2.1.3 修饰碳基质固载金属纳米颗粒
• 1.2.1.4 物理吸附
• 1.2.2 贵金属/碳纳米复合材料的应用
• 1.2.2.1 电化学应用
• 1.2.2.2 电致化学发光应用
• 1.3 本论文拟要开展的研究工作
• 第二章 甲醛在纳米钯粒子/石墨烯修饰的玻碳电极上的氧化行为
• 2.1 引言
• 2.2 试剂和仪器
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 修饰电极的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 修饰电极的电化学行为
• 2.3.2 电化学阻抗
• 2.3.3 电极表征
• 2.3.4 PdNPs-CS-G 修饰的玻碳电极对甲醛氧化的电化学催化作用
• 2.3.5 钯纳米粒子的不同负载量对修饰电极的甲醛电化学氧化的影响
• 2.3.6 扫速和 pH 的影响
• 2.3.7 甲醛浓度的计时电流法检测
• 2.4 本章小结
• 第三章 甲醇和乙醇在金刚砂负载钯纳米粒子的玻碳电极上的电催化氧化
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 修饰电极的准备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电极性能
• 3.3.2 修饰电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安图
• 3.3.3 PdNPs‐SiC‐Nafion‐GCE 对甲醇和乙醇氧化的循环伏安响应
• 3.3.4 Pd 纳米粒子的不同负载量对电极性能的影响
• 3.3.5 扫速对峰电流和峰电位的影响
• 3.3.6 KOH 浓度对甲醇和乙醇的电化学氧化的影响
• 3.3.7 甲醇、乙醇和异丙醇在复合电极上的循环伏安行为
• 3.4 本章小结
• 第四章 SiC/Nafion/ Tyrosinase 修饰玻碳电极用于构建肾上腺素的传感器
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 SiC/CS 修饰电极的制备
• 4.2.3 酪氨酸酶在修饰电极上的固定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CS-SiC 修饰电极的电化学行为
• 4.3.2 新型过氧化氢传感器条件优化
• 4.3.2.1 SiC‐CS 电沉积时间的影响
• 4.3.2.2 0.5%壳聚糖中不同的 SiC 含量的影响
• 4.3.2.3 电化学参数的选择
• 4.3.2.4 扫速的影响
• 4.3.3 修饰电极的稳定性与重现性
• 4.3.4 光泽精的 ECL 光谱图
• 4.3.5 CS-SiC-GCE 上过氧化氢的电化学发光检测行为
• 4.3.6 肾上腺素的 ECL 生物传感器的构建
• 4.3.6.1 肾上腺素的 ECL 生物传感器的电化学和 ECL 行为
• 4.3.6.2 酪氨酸酶负载量优化
• 4.3.6.3 干扰物的影响
• 4.3.7 肾上腺素的检测
• 4.3.8 肾上腺素注射液实际样品分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历和在读期间已发表的论文