基于碳纳米管的电化学生物传感研究.rar
基于碳纳米管的电化学生物传感研究,ii摘要化学修饰电极是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，将具有优良物理/化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，从而具有某种特定的化学和物理性质的一类电极，其应用已涉及到化学、生命科学、医学、环境、食品和军事等诸多领域。另一方面，碳纳米管由于其特殊的纳米一维管状结构、优良的力学、电学和电化学性质，在物理、化...
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内容介绍
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II
摘要
化学修饰电极是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，将
具有优良物理/化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，从而具
有某种特定的化学和物理性质的一类电极，其应用已涉及到化学、生命
科学、医学、环境、食品和军事等诸多领域。另一方面，碳纳米管由于
其特殊的纳米一维管状结构、优良的力学、电学和电化学性质，在物理、
化学、材料学等许多领域具有广阔的应用前景。基于碳纳米管为载体支
撑纳米颗粒的复合材料成为近年来化学修饰电极的研究热点之一。同时，
掺入杂原子的碳纳米管由于其缺陷位置和富氧基团增多，增加了表面反
应活性点，使得其电化学活性增强。本文构筑了碳纳米管/金属氧化物纳
米颗粒复合材料修饰电极和硼掺杂碳纳米管修饰电极，将其用于生物活
性分子的检测。主要研究工作如下：
(1)通过在碳纳米管（CNTs）修饰石墨（PG）电极上用循环伏安法（CV）
电化学沉积氧化钴纳米颗粒（CoOx-NPs），构筑了CNTs/CoOx-NPs纳
米复合材料修饰电极，用扫描电子显微镜（SEM）表征复合材料微观
形貌。用CV研究了PG/CNTs/CoOx-NPs电极电化学性质和其在碱性
溶液中对葡萄糖的直接电催化氧化能力。将其用于葡萄糖的非酶检
测，在+0.40V检测电位下在PG/CNT/CoOx-NPs电极上得到的葡萄糖
的电流响应高于CNT或CoOx-NPs修饰电极。另外，该
P G/CN T/Co Ox-NP s电极也表现出高灵敏度（3.8 1μA cm-2 mM-1），低检
测限（3μM,S/N=3），宽的线性范围（6μM~1.2mM）和良好的稳定性。
该修饰电极对于非酶检测葡萄糖有着很大的潜力。
(2)将硼掺杂碳纳米管（BCNTs）用于构筑电流型传感器。由于硼的掺杂
引起的缺陷位置上有大量的边缘位点和富氧基团，硼掺杂碳纳米管
（BCNTs）修饰玻碳（GC）电极对H2O2的氧化比未掺杂碳纳米管
（CNTs）修饰电极表现出更高的电催化活性。以葡萄糖氧化酶（GOD）
为模型，在GC/BCNTs电极上采用电化学共聚的方法将GOD包埋于
聚邻氨基酚膜中，构建了葡萄糖传感器。用电化学方法研究该传感器
的性能。在最优电位和pH条件下，该传感器表现出良好的特性，如：
高灵敏度（171.2nA mM
-1
）、低检测限（3.6μM）、宽线性范围（至8 mM）、短的响应时间（6s内）、令人满意的抗干扰能力以及良好的
稳定性。固定的GOD表观米氏常数Km
a p p
为15.19mM。另外，考查了
该酶电极在实际样品（人血浆）中的应用。
(3)构筑了GC/BCNTs电极，用CV法研究了修饰电极的电化学性质和对
L-半胱氨酸的催化氧化性能。G C/BC N Ts电极制备简单，稳定性好，
通过选择合适的电位可以使电极不被半胱氨酸氧化的副产物污染，而
且相比于CNTs修饰GC电极，对半胱氨酸的安培检测表现出更好的
特性：宽的线性范围（0.78μM~0.50mM），高灵敏度（25.3 nA mM-1）。
此外该电极对半胱氨酸的检测有低的检测下限（0.26μM）和短的响应
时间（7s内），其他可氧化氨基酸（色氨酸和酪氨酸）在测量电位下
对半胱氨酸检测几乎不产生干扰信号。
关键词：化学修饰电极；碳纳米管；电流型传感器；非酶检测；氧化钴
纳米颗粒；硼掺杂碳纳米管；葡萄糖氧化酶；半胱氨酸
VI
摘要.....................................................................
Ab stra ct...................................................................
第1章绪论.............................................................
1.1化学修饰电极...............................................
1.1.1化学修饰电极的发展过程.....................
1.1.2化学修饰电极的制备...........................
1.1.3化学修饰电极在电催化及生物传感器中的
1.2纳米材料及其性质........................................
1.3碳纳米管......................................................
1.3.1碳纳米管的制备..................................
1.3.2碳纳米管的基本性质...........................
1.3.3碳纳米管的电化学性质........................
1.3.4碳纳米管在电分析化学中的应用..........
1.3.5掺杂碳纳米管......................................
1.4纳米颗粒......................................................
1.5本文构思......................................................
第2章葡萄糖在碳纳米管/氧化钴纳米颗粒修饰电极上
2.1引言.............................................................
2.2实验............................................................
2.2.1实验药品.............................................
2.2.2实验仪器.............................................
2.2.3 P G/CN Ts/C o Ox-NPs电极的制备...........
2.3结果和讨论..................................................
2.3.1修饰电极的表征...................................
2.3.2 P G/CN Ts/C o Ox-NPs电极对葡萄糖的电化
2.3.3 P G/CN Ts/C o Ox-NPs电极的循环稳定性和
2.4本章小结......................................................
第3章基于硼掺杂碳纳米管修饰电极的电流型葡萄糖
3.1引言............................................................
3.2实验............................................................3.2.1实验药品.............................................
3.2.2实验仪器.............................................
3.2.3步骤...................................................
3.3结果和讨论..................................................
3.3.1 B C N Ts修饰电极对过氧化氢的催化性能
3.3.2在BCNTs修饰的G C电极上电化学共聚
3.3.3 pH值和测量电位对GC/BCNTs/POAP-GOD
3.3.4 G C/B CNTs/PO A P-G OD电极对葡萄糖的电
3.3.5 G C/B CNTs/PO A P-G OD电极的抗干扰能力
3.3.6长期稳定性和实际样品分析.................
3.4本章小结......
摘要
化学修饰电极是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，将
具有优良物理/化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，从而具
有某种特定的化学和物理性质的一类电极，其应用已涉及到化学、生命
科学、医学、环境、食品和军事等诸多领域。另一方面，碳纳米管由于
其特殊的纳米一维管状结构、优良的力学、电学和电化学性质，在物理、
化学、材料学等许多领域具有广阔的应用前景。基于碳纳米管为载体支
撑纳米颗粒的复合材料成为近年来化学修饰电极的研究热点之一。同时，
掺入杂原子的碳纳米管由于其缺陷位置和富氧基团增多，增加了表面反
应活性点，使得其电化学活性增强。本文构筑了碳纳米管/金属氧化物纳
米颗粒复合材料修饰电极和硼掺杂碳纳米管修饰电极，将其用于生物活
性分子的检测。主要研究工作如下：
(1)通过在碳纳米管（CNTs）修饰石墨（PG）电极上用循环伏安法（CV）
电化学沉积氧化钴纳米颗粒（CoOx-NPs），构筑了CNTs/CoOx-NPs纳
米复合材料修饰电极，用扫描电子显微镜（SEM）表征复合材料微观
形貌。用CV研究了PG/CNTs/CoOx-NPs电极电化学性质和其在碱性
溶液中对葡萄糖的直接电催化氧化能力。将其用于葡萄糖的非酶检
测，在+0.40V检测电位下在PG/CNT/CoOx-NPs电极上得到的葡萄糖
的电流响应高于CNT或CoOx-NPs修饰电极。另外，该
P G/CN T/Co Ox-NP s电极也表现出高灵敏度（3.8 1μA cm-2 mM-1），低检
测限（3μM,S/N=3），宽的线性范围（6μM~1.2mM）和良好的稳定性。
该修饰电极对于非酶检测葡萄糖有着很大的潜力。
(2)将硼掺杂碳纳米管（BCNTs）用于构筑电流型传感器。由于硼的掺杂
引起的缺陷位置上有大量的边缘位点和富氧基团，硼掺杂碳纳米管
（BCNTs）修饰玻碳（GC）电极对H2O2的氧化比未掺杂碳纳米管
（CNTs）修饰电极表现出更高的电催化活性。以葡萄糖氧化酶（GOD）
为模型，在GC/BCNTs电极上采用电化学共聚的方法将GOD包埋于
聚邻氨基酚膜中，构建了葡萄糖传感器。用电化学方法研究该传感器
的性能。在最优电位和pH条件下，该传感器表现出良好的特性，如：
高灵敏度（171.2nA mM
-1
）、低检测限（3.6μM）、宽线性范围（至8 mM）、短的响应时间（6s内）、令人满意的抗干扰能力以及良好的
稳定性。固定的GOD表观米氏常数Km
a p p
为15.19mM。另外，考查了
该酶电极在实际样品（人血浆）中的应用。
(3)构筑了GC/BCNTs电极，用CV法研究了修饰电极的电化学性质和对
L-半胱氨酸的催化氧化性能。G C/BC N Ts电极制备简单，稳定性好，
通过选择合适的电位可以使电极不被半胱氨酸氧化的副产物污染，而
且相比于CNTs修饰GC电极，对半胱氨酸的安培检测表现出更好的
特性：宽的线性范围（0.78μM~0.50mM），高灵敏度（25.3 nA mM-1）。
此外该电极对半胱氨酸的检测有低的检测下限（0.26μM）和短的响应
时间（7s内），其他可氧化氨基酸（色氨酸和酪氨酸）在测量电位下
对半胱氨酸检测几乎不产生干扰信号。
关键词：化学修饰电极；碳纳米管；电流型传感器；非酶检测；氧化钴
纳米颗粒；硼掺杂碳纳米管；葡萄糖氧化酶；半胱氨酸
VI
摘要.....................................................................
Ab stra ct...................................................................
第1章绪论.............................................................
1.1化学修饰电极...............................................
1.1.1化学修饰电极的发展过程.....................
1.1.2化学修饰电极的制备...........................
1.1.3化学修饰电极在电催化及生物传感器中的
1.2纳米材料及其性质........................................
1.3碳纳米管......................................................
1.3.1碳纳米管的制备..................................
1.3.2碳纳米管的基本性质...........................
1.3.3碳纳米管的电化学性质........................
1.3.4碳纳米管在电分析化学中的应用..........
1.3.5掺杂碳纳米管......................................
1.4纳米颗粒......................................................
1.5本文构思......................................................
第2章葡萄糖在碳纳米管/氧化钴纳米颗粒修饰电极上
2.1引言.............................................................
2.2实验............................................................
2.2.1实验药品.............................................
2.2.2实验仪器.............................................
2.2.3 P G/CN Ts/C o Ox-NPs电极的制备...........
2.3结果和讨论..................................................
2.3.1修饰电极的表征...................................
2.3.2 P G/CN Ts/C o Ox-NPs电极对葡萄糖的电化
2.3.3 P G/CN Ts/C o Ox-NPs电极的循环稳定性和
2.4本章小结......................................................
第3章基于硼掺杂碳纳米管修饰电极的电流型葡萄糖
3.1引言............................................................
3.2实验............................................................3.2.1实验药品.............................................
3.2.2实验仪器.............................................
3.2.3步骤...................................................
3.3结果和讨论..................................................
3.3.1 B C N Ts修饰电极对过氧化氢的催化性能
3.3.2在BCNTs修饰的G C电极上电化学共聚
3.3.3 pH值和测量电位对GC/BCNTs/POAP-GOD
3.3.4 G C/B CNTs/PO A P-G OD电极对葡萄糖的电
3.3.5 G C/B CNTs/PO A P-G OD电极的抗干扰能力
3.3.6长期稳定性和实际样品分析.................
3.4本章小结......
