（分析化学专业论文）基于两类新型复合材料的电化学传感器研究.pdf

西北人学硕上学位论文摘要 基于两类新型复合材料的电化学传感器研究 ( 摘要) 应用纳米材料等新型材料，构建高灵敏、高选择性的电化学传感器以提高其 分析性能和扩大应用范围，已成为电分析化学研究的热点问题之一。本论文基于 铜纳米粒子、透磷钙石等新型材料，构置了两种无酶葡萄糖传感器和一种含酶过 氧化氢传感器，采用循环伏安法、差示脉冲伏安法、计时安培法等电化学手段分 别研究了它们的性能。该研究为探索纳米复合材料在电化学传感器中的应用提供 新思路，对于发展酶的新固定化方式具有一定的指导意义。全文共分三章，主要 内容包括以下几方面： l 、综述了电化学传感器及其研究进展，引用参考文献1 2 1 篇。 2 、采用离子液体( i l ) 作为黏合剂，将铜纳米粒子( c un p s ) 与多壁碳纳米管 ( m w n t s ) 结合，构置了一种新型无酶葡萄糖传感器，研究了葡萄糖的氧化行为。 研究表明，该传感器对葡萄糖检测的线性范围为3 0 x 1 0 。6 2 0 x 1 0 。3m o l l - 1 ( r = 0 9 9 5 9 ) ，灵敏度为1 0 2 3g a m m 一，检出限为9 3 x 1 0 m o l l 。 = 3 ) ，达到9 5 的稳态响应电流的时间小于3s 。该研究可为低成本构置其它碳水化合物无酶传 感器提供参考。 3 、采用电化学方法，构置了一种基于铜纳米粒子聚苯胺多壁碳纳米管复合 材料修饰玻碳电极的新型无酶葡萄糖传感器，建立了葡萄糖含量测定的新方法。 研究结果表明，该传感器检测葡萄糖线性范围为5 0 x 1 0 2 0 x 1 0 一m o l l 。( r = 0 9 9 5 5 ) ，灵敏度为1 3 4 6 心m m ，检出限为1 9 x 1 0 m o l l 1 ( s n = 3 ) ，响应时 间小于2s 。该研究可为快速构置高灵敏检测葡萄糖及其它碳水化合物的无酶传 感器提供新思路。 4 、以铂电极为基体电极，采用恒电位法电沉积透磷钙石，同时将辣根过氧 化物酶( h r p ) n 定在修饰电极表面，从而构置了一种新型的过氧化氢传感器。研 究表明，该传感器检测过氧化氢的线性范围为2 0 x 1 0 一5 7 x 1 0 4m o l l 。( r = 0 9 9 8 5 ) ，灵敏度为3 5 7g a m m 一，检出限为6 7 x 1 0 击m o l l - 1 = 3 ) ，米氏常数 k m 为o 2 0m m o l l 。该方法简单、快速、易操作，为固定其它生物分子制备生 物传感器提供了新思路。 关键词：无酶传感器；碳纳米管；葡萄糖；过氧化氢；透磷钙石；铜 西北大学硕上学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ne l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rb a s e do nt w o t y p e s o fn e w c o m p o s i t em a t e r i a l s ( a b s t r a c t ) u s i n gn e wm a t e r i a l ss u c ha sn a n o m a t e r i a l s ，i nc o n s t r u c t i o no fh i 曲l ys e n s i t i v e a n ds e l e c t i v ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r si no r d e rt oi m p r o v et h ea n a l y s i sp e r f o r m a n c e a n de x p a n dt h e a p p l i c a t i o nr a n g e h a s a l r e a d yb e e nah o ti s s u eo fm o d e m e l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r ys t u d y i nt h i sp a p e r , t w ot y p e so fn o n - e n z y m a t i cg l u c o s e s e n s o ra n dah y d r o g e np e r o x i d es e n s o rw e r ep r e p a r e db a s e do nn e wm a t e r i a l ss u c ha s c o p p e rn a n o p a r t i c l e sa n db r u s h i t e t h ee l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d ss u c ha sc y c l i c v o l t a m m e t r y , d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r ya n dc h r o n o a m p e r o m e t r yw e r ea d o p t e dt o i n v e s t i g a t et h e i rp e r f o r m a n c e s t h i ss t u d yp r o v i d e dn e wi d e a st oe x p l o r et h e n a n o - c o m p o s i t em a t e r i a l si nt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s ，h a ds o m e g u i d a n c es i g n i f i c a n c e st od e v e l o pn o v e le n z y m ei m m o b i l i z a t i o nm e t h o d s t h i st h e s i s w a sd i v i d e di n t ot h r e ec h a p t e r s ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ： 1 t h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o ra n di t sr e s e a r c hp r o g r e s sw e r er e v i e w e d 、i t h121 r e f e r e n c e s 2 an o v e ln o n - e n z y m a t i cs e n s o rf o rg l u c o s eb a s e do ni o n i cl i q u i d ( i l ) a sa b i n d e rc o m b i n i n gc o p p e rn a n o p a r t i c l e s ( c un p s ) w i t hm u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ( m w n t s ) w a sd e v e l o p e da n di t se l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fg l u c o s eo x i d a t i o nh a d b e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e n s o rh a dag o o dl i n e a rd e p e n d e n c eo n t h eg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f3 0 x1 0 石t o2 0 1 0 。m o l l - 1 ( r = 0 9 9 5 9 ) w i t has e n s i t i v i t yo f10 2 3r t ar n m ，t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s9 3x10 m o l l 一( s n = 3 ) ， a n dt h es e n s o rr e a c h e d9 5 o ft h es t e a d y s t a t ec u r r e n tw i t h i n3 s t h es t u d ym i g h t p r o v i d e r e f e r e n c ef o r t h ef a b r i c a t i o no f n o n - e n z y m a t i cs e n s o r sf o ro t h e r c a r b o h y d r a t e s 3 an o v e ln o n - e n z y m a t i cs e n s o rf o rg l u c o s eb a s e do nc o p p e rn a n o p a r t i c l e s p o l y a n i l i n e m u l t i w a i l e d c a r b o nn a n o t u b e s c o m p o s i t e s m o d i f i e dg l a s s yc a r b o n e l e c t r o d ew a sp r e p a r e db ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d an e wm e t h o df o rg l u c o s e d e t e r m i n a t i o nw a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e n s o rh a dg o o dl i n e a r i i 西北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e l a t i o n s h i pw i t ht h eg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f5 0 xl0 一2 0 xlo 3t o o l l 。1 ( r = 0 9 9 5 5 ) w i t hah i g hs e n s i t i v i t yo f13 4 6p am m ，a n dt h ed e t e c t i o nl i m i tw a s 1 9 10 m o l l 。1 ( s n = 3 ) ，t h er e s p o n s et i m ew a ss h o r t e rt h a n2s t h i ss t u d yc o u l d p r o v i d ean e wi d e af o rr a p i dc o n s t r u c t i o no fh i g h l ys e n s i t i v en o n - e n z y m es e n s o r so f g l u c o s ea n do t h e rc a r b o h y d r a t e s 4 an o v e lh y d r o g e np e r o x i d eb i o s e n s o rw a sf a b r i c a t e db ye l e c t r o d e p o s i t i o no f b r u s h i t e f i l ma n de n c a p s u l a t e dh r po nap te l e c t r o d es i m u l t a n e o u s l y t h es e n s o r s h o w e dag o o dl i n e a r i t yi nt h er a n g eo f 2 0 x 1 0 弓- 5 7 x 1 0 。4m o l l - 1 ( r = 0 9 9 8 5 ) w i t ha s e n s i t i v i t yo f3 5 7 衅m m a n dt h ed e t e c t i o nl i m i to f6 6 7 x1 0 。6t o o l l 。1 ( s n = 3 ) f o r t h ed e t e c t i o no fh 2 0 2 t h ea p p a r e n tm i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n tk mw a so 2 0m m o l l 一t h i sm e t h o dh a dt h e a d v a n t a g es u c ha ss i m p l e ，f a s t ，e a s y t o o p e r a t e ， p r o v i d i n gan e ww a yf o rt h ep r e p a r a t i o no fb i o s e n s o r sb a s e do no t h e rb i o l o g i c a l m o l e c u l e s k e yw o r d s ：n o n e n z y m a t i cs e n s o r ；c a r b o nn a n o t u b e s ；g l u c o s e ；h y d r o g e np e r o x i d e ； b r u s h i t e ；c o p p e r i l l 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 霎主蓑萎嚣篓裹薹亍盟指导教师签名：三蚴学位论文作者签名：丕盘煎指导教师签名：塑冱盟兰乡 f 为i d 年0 月1 1 日- 刚d 年l ，月1 7 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： i o 年6 月i 日 西北大学硕七学位论文 第一章绪论 电化学传感器由于具有灵敏度高、选择性好、分析速度快、操作简易、仪器 价格低廉，能在复杂体系中进行在线监测甚至活体分析等独特的优越性，已成为 电分析化学中十分活跃的研究领域，并在临床检验、工业分析、食品和药品分析、 环境监测、生命科学等方面得到广泛应用。本章综述了电化学传感器及其研究进 展，简要介绍了本论文的研究内容和研究意义。 1 1 电化学传感器及其研究进展 化学传感器是通过某化学反应以选择性方式对特定物质产生响应，从而进行 定性或定量测定的一种装置【1 1 ，主要由识别系统和传导系统两部分组成。依据检 测原理，化学传感器可分为电化学式、光化学式及热化学式三类。其中，电化学 传感器是化学传感器一个非常重要的分支，也是目前研究最多、应用最广的一类。 本节将简要介绍电化学传感器的原理及分类，综述电化学传感器及其研究进展情 况。 1 1 1 电化学传感器的原理及分类 电化学传感器是指能感应生物或化学量，并按一定规律将其转换成电信号输 出的器件或装置f 2 1 。通常被检测的生物、化学量可通过不同的方式转变为电信号， 根据转变方式和输出信号不同，电化学传感器可分为电位型、电流型及电导型三 类p 1 。从传感器的制备过程中是否有酶参与，又可分为酶传感器和无酶传感器。 1 1 1 1 酶传感器 1 9 6 2 年，c l a r k 和l y o n s 等【4 】将一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧电极的表面， 通过检测溶液中溶解氧的消耗量来间接测定葡萄糖的含量，于是酶传感器的雏形 诞生了。然而，由于这类传感器所用的酶是溶解性的，难以重复使用。1 9 6 7 年， u p d i k e 等【5 1 将含有葡萄糖氧化酶的聚丙烯酰胺凝胶膜固定在氧电极上，制备了测 定生物组织和溶液中葡萄糖含量的第一支酶电极，该电极的问世标志着生物传感 第一章绪论 器的诞生。由于酶生物传感器利用酶与底物之间的特异性识别来对待测物进行检 测，具有非常好的选择性，已被广泛应用于医学【6 ，7 】、食品1 1 、环境监钡1 1 2 , 1 3 】 及农业科学 1 4 - 1 7 】等诸多领域。 糖尿病是个世界性的公共健康问题。数以百万计的糖尿病患者每日都要进行 血糖测试，致使全世界每年用于血糖测试的酶电极产量达到数十亿支，葡萄糖生 物传感器已占整个生物传感器市场的8 5 蜊1 8 】，如此庞大的市场规模使得葡萄糖 传感器的研究备受瞩目。自从1 9 6 2c l a r k 和l y o n s 提出葡萄糖酶电极的初步概念 后，各国科学家就纷纷着手于葡萄糖传感器的研究，经过近半个世纪的努力，葡 萄糖传感器的研究和应用已取得了很大的进展，在临床检验【1 9 2 0 l 、食品分析【2 l 】、 环境监测等方面均发挥着重要作用。迄今为止，葡萄糖传感器的发展主要经历了 三代。 第一代经典葡萄糖酶电极，通过检测氧气的减少量或h 2 0 2 的产生量间接 测定葡萄糖的含量。w h 等【冽将功能化的片层石墨和壳聚糖的混合物滴涂在玻碳 电极表面，在其上沉积铂纳米粒子，然后固载葡萄糖氧化酶，由此法制备的传感 器可通过石墨和铂纳米粒子对过氧化氢的协同电催化作用间接测定葡萄糖。由于 检测易受环境中氧分压波动的影响，此类传感器对葡萄糖测定的准确性及灵敏度 均不太高，从而限制了它的应用。 第二代媒介体传感器，通过引入电子传递媒介体氧化葡萄糖氧化酶，使之 再生后循环使用，而媒介体本身被还原，然后又在电极上被氧化，利用此氧化电 流可检测葡萄糖。由于此过程不涉及0 2 和h 2 0 2 ，且能降低氧化电位，可有效避 免其它电活性物质的干扰，从而大大提高检测的准确性和灵敏度。媒介体有很多 种，较为常用的有铁氰化钾亚铁氰化钾、二茂铁例及各类二茂铁类衍生物、亚 甲基蓝【2 4 1 、一些染料分子、金属卟啉、酞菁等。q i u 等【2 5 1 制备了羧基二茂铁和碳 纳米管的纳米复合材料，将其修饰在玻碳电极表面，并利用壳聚糖在电极表面固 载葡萄糖氧化酶，所制备的传感器利用纳米复合材料作为电子媒介体，可快速准 确地检测葡萄糖。 第三代直接葡萄糖氧化酶生物传感器，它利用酶与电极之间的直接电子传 递制备传感器。由于此过程中既无氧分子参与，也不需要媒介体，酶的活性中心 与电极表面接近，直接电子传递相对容易，致使传感器灵敏度更高、响应速度更 2 西北大学硕士学位论文 快，真正实现酶的专一和高效催化，是最理想的生物传感器。但由于一般酶的体 积比较庞大，扩展的三维空间结构致使其电活性中心包埋于分子内部不易暴露， 使其在电极上的直接电化学反应难以实现，并且吸附在电极表面的酶易变性，从 而影响其生物活性口6 1 ，因此，探索研究新型的具有生物相容性的材料，使其能 有效促进酶的活性中心与电极表面的直接电子传递成为当务之急。k a n g 等【2 7 】用 壳聚糖溶胶凝胶碳纳米管复合膜在玻碳电极表面固载辣根过氧化物酶( h r p ) ， 研究了酶在电极表面的直接电子转移与电催化，实验结果表明，三维多孔复合膜 能为酶的存在提供合适微环境，保持酶的天然结构，为其它基于氧化还原性酶传 感器的制备提供了新思路。 过氧化氢不仅是一些氧化酶的副产品，而且是工业、临床、药物、食品加工、 环境分析等许多领域中最为常见的中间体【2 s j ，因此，灵敏、快速地检测过氧化 氢至关重要。虽然有关过氧化氢的分析方法报道很多【2 9 1 ，但大部分都存在灵敏 度低、耗时、易受干扰、过程复杂或仪器昂贵等缺陷。电化学传感器已被证明是 方便、灵敏、可选择性测定h 2 0 2 最理想的工到3 0 , 3 1 。由于辣根过氧化物酶具有 成本低、纯度高、简单易得的特性，已被广泛用于制备过氧化氢生物传感器【3 2 。4 1 。 w a n g 3 5 1 等将金纳米粒子( a un p s ) 电沉积在i t o 玻璃表面，然后将其置于含有半 胱氨酸( c y s ) 的溶液中，通过化学吸附使其表面自组装单层的硫醇，然后将其置 于含有h r p 的溶液中，制备了h r p c y s a un p s i t o 修饰电极，研究了h r p 的 直接电化学，h r p 的米氏常数很小，基于此制备的h 2 0 2 传感器具有灵敏度高， 稳定性好等优点。 由于酶电极具有灵敏度高、选择性好等优点，目前，葡萄糖及过氧化氢传感 器的制备多基于此，而此类传感器的稳定性、选择性和灵敏度等主要性能取决于 酶的反应活性，而酶的反应活性又与固定化方法及所使用载体材料的性质密切相 关【3 6 1 ，所以，酶的固定化技术的选择至关重要。良好的酶的固定化方法应满足 以下条件：( 1 ) 酶固定化后仍能保持良好的生物活性；( 2 ) 固化层( 载体材料) 要有良 好的稳定性及耐用性；( 3 ) 能够固定不同种类的酶；( 4 ) 能够在不同材料的电极表面 进行固定。经典固定化酶的方法主要有吸附法1 3 7 , 3 8 】、包埋法f 3 9 , 4 0 1 、交联法1 4 1 1 、共 价键合法【4 2 】等。 吸附法是通过静电作用以及氢键等非共价作用将酶等生物分子固定在不溶 3 第一章绪论 性载体上。此法对酶活性影响较小，但对溶液p h 值变化、温度和基底电极较为 敏感，需对实验条件进行优化，且酶与载体作用力弱，易从电极表面脱落，影响 传感器的寿命，通过研究新型载体来固定酶可解决酶易脱落的问题。常用的吸附 载体有多孔碳【4 3 1 、多孔s i 0 2 4 4 1 等。l i 等【4 5 】合成了直径7g m 乙醛修饰过的聚甲 基丙烯酸甲酯微球，利用其作为载体，在其表面吸附胃蛋白酶，研究了吸附机理， 结果表明此类微球可作为吸附固载酶的一类理想载体。 包埋法是将酶分子包埋于高分子材料的三维网状结构中，形成敏感膜，从而 实现酶的固定化。此法一般很少改变酶的空间构象，可对膜的几何形状及孔径进 行人为控制，是目前最常用的一种酶的固定化方法。常用包埋酶的高分子材料主 要有天然高分子和合成高分子。天然高分子材料包括壳聚糖、琼脂糖凝胶、纤维 素及海藻酸钠等，其中壳聚糖是由甲壳素经化学改性后得到的天然多糖高分子材 料，具有显著的生物相容性、可降解性、高的机械强度、亲水性以及好的成膜能 力等优点1 4 6 1 ，酶在其上固定化后p h 适宜范围变宽、热稳定性提高，故在固定化 酶方面应用最为广泛【4 7 。5 1 1 。合成高分子材料由于具有结构预设性、合成灵活性、 且可为酶提供合适的微环境【5 2 】等优点，在酶的固定化方面发挥着重要作用。目 前，用于固定化酶的合成高分子报道较多的有聚邻苯二胺【5 3 , 5 4 1 、聚吡咯【5 5 巧8 1 、聚 丙烯酰胺【5 9 】、聚苯胺【6 0 。6 2 1 、聚乙烯醇蚓等。 交联法是借助交联剂( 具有两个或多个功能基的试剂) ，在酶分子之间以及酶 分子与载体之间通过交联作用形成网状结构而使酶固定化，常与其它方法结合使 用。戊二醛可在温和条件下与蛋白质的自由氨基反应，是最为常用的交联剂。由 于戊二醛的浓度较高时会使酶失活，可加入惰性蛋白质如牛血清蛋白( b s a ) 来结 合过量的戊二醛。g a d e 等【删在i t o 玻璃表面电化学合成具有多孔结构的聚吡咯 聚乙烯磺酸钠复合膜，再用戊二醛将葡萄糖氧化酶交联在复合膜上，以此制备 的葡萄糖传感器具有稳定性好，响应快等优点。 共价键合法是指酶分子上的官能团与不溶性载体通过共价键结合，从而使酶 分子固定的方法。此方法通常分为三个步骤：基底电极表面的活化，酶的共价键 合以及键合疏松的酶的除去。 虽然固定化酶常用的方法很多，但每种方法都存在着自身的优势与不足，影 响了传感器的灵敏度、重现性及再生性。所以，人们一直在努力探索酶固定化的 4 西北大学硕士学位论文 新方法，以达到高稳定固定、高活性保持、简单实用等目的。2 0 世纪末，出现 了一种新的固定化酶的方法一电化学聚合法。它是在酶、聚合单体同时存在时， 通过恒电位或循环伏安扫描法使单体电氧化或还原聚合在基体电极上，聚合过程 中酶等物质由于吸附或静电作用同时嵌入到聚合膜中。与传统固定化方法相比， 此法简单易行，且单体聚合和酶的固定化可同步完成，聚合膜的厚度及负载酶的 量可人为控制，还可通过改变聚合单体和聚合条件得到不同结构的修饰膜，并且 有些高分子膜具有选择透过性，可降低干扰，因而，此种固定化酶的方法得到了 研究者的广泛关注。 好的固定化方法既要保持酶的活性，又要避免在固定化过程中带来应用上的 缺陷，因此，人们一直致力于研究开发新的酶的固定化方法。s a h a 等【6 5 j 在铂电 极表面电沉积多孔的c e 0 2 纳米膜，再通过静电吸附作用在其表面固载葡萄糖氧 化酶，此传感器对葡萄糖有很好的响应，酶的米氏常数很小，表明纳米c e 0 2 的 多孔结构能很好地保持酶的活性。w a n g 等【6 6 】在硅胶与羟基磷灰石复合膜修饰的 玻碳电极表面固载h r p ，制备了过氧化氢传感器，实验结果表明羟基磷灰石作 为一种生物无机材料，具有很好的生物相容性，可以有效地保持酶的活性，为酶 的固载提供了新思路。除此之外，有文献报道了一种固载酶的新型材料一透磷钙 石【6 刀。它是一种固体电解质，含结晶水，可形成氢键，且可在其表面吸附水分 子，可促进质子迁移【6 8 1 ，尤其是它的多孔表面【6 9 1 可促进电子转移，可作为电极 材料，为生物传感器制备过程中酶的固定化提供了新的载体材料。为了平衡传统 单一固定化方法使用中的优缺点，目前酶的固定化多将几种固定方法联合使用， 以满足酶固载过程中高负载量，高稳定性的要求。 1 1 1 2 无酶传感器 由于酶对底物有特异性识别功能，具有专一性，故基于此制备的酶传感器具 有高度选择性。然而，酶的活性会受至l j p h 值、温度以及毒性等环境因素的影响【7 0 1 ， 且固载的酶可能会泄漏，从而影响了传感器的稳定性及使用寿命，大大缩小了此 类传感器的应用范围。无酶传感器因具有制备简单、便宜、稳定性好，可重复利 用等优点已被广泛研究i _ 7 1 j 。尤其是基于直接氧化葡萄糖的无酶传感器在实际应 用中备受青睐【7 2 1 。w u 等以聚乙烯亚胺功能化的碳纳米管为模板，原位生长铜 5 第一章绪论 纳米粒子，制备了一种无酶传感器，该传感器对葡萄糖测定具有灵敏度高，响应 快，稳定性好等优点。f e n g 等【j 7 4 】采用电沉积法在玻碳电极表面生成壳聚糖和金 纳米粒子复合膜，制备了一种无酶葡萄糖传感器，此传感器可用于动物血浆中葡 萄糖含量的测定。l i u 等f 7 5 1 在玻碳电极表面自组装普鲁士蓝纳米粒子，利用其人 工酶的特性催化过氧化氢，此法具有简单、易操作、且膜的厚度可控等优点。 z h u 等 7 6 l 制备了基于a u n p s 多壁碳纳米管一离子液体( 1 ( 4 磺酰基正丁基) 3 甲基 咪唑六氟磷酸盐) 复合材料的无酶葡萄糖传感器，此传感器具有很好的抗污染能 力，且可排除尿酸及抗坏血酸的干扰，能够对体液中葡萄糖进行灵敏快速地检测。 1 1 2 纳米材料及其在电化学传感器研究中的应用 广义而言，纳米材料指在三维空间中至少有一维是处于纳米尺寸( 1 1 0 0n m ) 范围内的材料7 7 1 。纳米材料由于其尺度恰好处于原子簇和宏观物体交界的过渡 区域，因而具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应四大效 应，在力学、光学、电学、热学和化学活性等方面产生了许多宏观体系所不具备 的特殊性质7 引。 纳米材料的制备方法很多，主要包括液相法、固相法和气相法。从制备过程 中是否使用模板考虑，又可分为两大类：模板法和非模板法。 模板法是指将具有纳米结构、形状易控的物质作为模板，将相关材料沉积到 模板的表面或孔中，脱去模板后，得到具有规范形貌的纳米材料的方法【7 9 】。由 于模板与纳米材料间有识别作用，模板对制备过程具有指导作用，使组装过程更 为完善。此法制备的纳米材料形貌受模板控制，粒子的尺寸和形状可控性均较好。 常用的模板主要有多孔阳极氧化铝模板、共聚物模板、中孔材料模板、生物模板、 表面活性剂模板等。s i n 曲等f 8 0 1 以聚二甲基硅氧烷为微反应器，在柠檬酸三钠存 在下，用n a b h 4 还原剂将金属盐溶液还原，制得了a un p s 和a gn p s ，纳米粒 子大小均一，稳定性好。 非模板法主要包括液相还原法、电化学沉积法、溶胶凝胶法、溶剂热法等。 其中，电化学沉积法是将电极置于电解液中，通过加恒电位或恒电流的方法，控 制条件，在电极表面合成纳米材料。由于沉积过程反应条件可人为控制，容易实 现计算机监控，此法为制备尺寸及形貌可控的纳米微粒提供了一种简单易行的方 6 西北大学硕士学位论文 法，有着较好的发展前景。 纳米材料具有比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效应 好等特性，将其引入到传感器的研究中，可提高传感器的电信号响应灵敏度及稳 定性。纳米材料在电化学传感器中的应用主要包括四方面t 固定生物分子； 标记生物分子；催化电化学反应；增强电子传递。在众多纳米材料中，碳纳 米管、金属及金属氧化物纳米材料的研究额外引人注目。 1 1 2 1 碳纳米管 碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成、具有纳米尺寸的管状物，可以 看作是片状石墨烯片卷成的圆筒。管子一般由单层或多层组成，相应的碳纳米管 就称为单壁碳纳米管( s w n t s ) 和多壁碳纳米管( m w n t s ) 。碳纳米管轴向长度可达 几十微米甚至更长，纵横比在1 0 0 1 0 0 0 范围内，被认为是一种典型的一维纳米 材料。自1 9 9 1 年i i j i m a 8 1 1 首次发现碳纳米管，1 9 9 2 年e b b e s e n t 8 2 1 等提出了实验 室规模合成碳纳米管的方法后，碳纳米管由于具有独特的结构和奇特的物理、化 学、电学特性剐以及在电子器件、复合材料、储氢材料等领域潜在的应用前景【8 4 弼1 引起了人们的广泛关注。随着结构的变化，碳纳米管的导电性表现为导体或半导 体型，甚至在同一根管的不同部位，由于结构变化，也可呈现出不同的导电性 1 8 7 , 8 8 。在电分析化学方面，由于碳纳米管具有比表面积大、吸附性好、电荷传递 能力及催化能力强等特性，已成为优良的电极材料。一般经过活化可在碳纳米管 表面引入一些电活性基团，包括羟基、羧基、羰基、酚类和醌类化合物等【8 9 1 ， 基于此制备的修饰电极，除了引入材料本身的物化特性外，还由于粒子表面带有 很多功能基团，可对某些物质的电化学行为产生特殊的催化效应即1 ，从而有效 降低过电位，提高电化学反应速率，改善电极的选择性及灵敏度等【9 1 1 。另外， 碳纳米管经常被作为固载酶的载体，其独特的结构可起到“分子导线 的作用， 缩短酶分子活性中心与电极表面的距离，将电子直接传递到酶的氧化还原中心， 大大加快了反应进程。w a n g 等【9 2 】用化学气相沉积法在电极表面制各了碳纳米管， 基于此制备的传感器持续暴露在n h 3 中后导电性会降低，从而达到对n h 3 灵敏 检测的目的。此后，基于碳纳米管【9 3 母5 1 及其复合材料1 9 6 母8 1 制备的电化学传感器均 被大量报道。 7 第一章绪论 1 1 2 2 金属及金属氧化物纳米材料 贵金属纳米材料因具有优良的物化性质在纳米电子器件、传感器的纳米电 极，燃料电池的催化剂等方面得到了广泛应用 9 9 , 1 0 0 】。纳米金胶因具有良好的生 物相容性1 0 1 , 1 0 2 】，常被用作蛋白质氧化还原的直接电子传递体1 0 3 , 1 0 4 1 n 备生物传 感器【1 0 5 1 嗍。其它许多金属纳米材料如银【1 1 0 1 、铂 1 1 1 , 1 1 2 】、金属氧化物纳米材料如 n i o 1 1 3 1 、f e 3 0 4 【1 1 4 1 、z n o 1 1 5 , 1 1 6 l 、s n 0 2 【1 17 1 、t i 0 2 【1 1 8 1 等也因具有独特的性质已被 广泛应用于电化学传感器。贵金属纳米材料虽然具有许多优异性质，但由于自然 界含量不多，本身价格较高，用于大规模的工业生产还有不足，而c u 作为一种 重要的金属元素，分布量大，价格低廉，已被证明可电化学氧化葡萄糖，增加响 应电流【1 1 9 1 ，故其对应的纳米材料在用作制备其它电化学传感器方面呈现出诱人 的发展前景【1 2 0 , 1 2 1 j 。 1 1 3 展望 纳米材料具有许多宏观物体不具备的奇特性质，将其应用到电化学传感器 中，可大大提高传感器的灵敏度、选择性等检测性能，使其成为新一代电化学传 感器的研究热点之一。可以预期，随着纳米材料等新型材料的出现以及新的修饰 电极构置方法的不断涌现，电化学传感器的分析性能将不断得以提高，其应用的 领域将不断扩大。 1 2 本论文研究内容 应用纳米材料等新型材料，构建高灵敏、高选择性的电化学传感器以提高 其分析性能和扩大应用范围，已成为电分析化学研究的热点问题之一。本论文 基于铜纳米粒子、透磷钙石等新型材料，构置了两种无酶葡萄糖传感器和一种 含酶过氧化氢传感器，采用循环伏安法、差示脉冲伏安法、计时安培法等电化 学手段分别研究了它们的性能。该研究为探索纳米复合材料在电化学传感器中 的应用提供新思路，对于发展酶的新固定化方式具有一定的指导意义。全文共 分三章，作者的主要研究工作包括两方面： 1 、构置了基于铜纳米粒子多壁碳纳米管离子液体复合材料( c u 8 西北大学硕士学位论文 n p s m w n t s i l ) 的电化学传感器和基于铜纳米粒子聚苯胺多壁碳纳米管( c u n p s p a n i m w n t s ) 复合材料修饰玻碳电极的电流型无酶葡萄糖电化学传感器， 建立了葡萄糖含量测定的新方法。 2 、以铂电极为基体电极，用恒电位法沉积透磷钙石，同时将辣根过氧化物 酶( h r p ) 固定在修饰电极表面，构置了一种新型的过氧化氢传感器。 参考文献 【1 】1布莱恩， 【2 】刘长春， 1 6 【3 】赵长文， 1 1 1 5 埃金斯，化学传感器与生物传感器 m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 5 ，2 - 3 崔大付，电化学传感器及其在芯片实验室中的应r e j 传感器技术，2 0 0 3 ，2 2 ( 7 ) ： 电化学传感器及其临床应用的进展【m 】国外医学：药学分册，1 9 9 3 ，2 0 ( 1 ) ： 【4 】c l a r kl c ，l y o n sc ，e l e c t r o d es y s t e m s f o rc o n t i n u o u s m o n i t o r i n gi n c a r d i o v a s c u l a r s u r g e r y j a n n a l so f t h en e wy - o r k a c a d e m yo f s c i e n c e s ，1 9 6 2 ，1 0 2 ( 1 ) ：2 9 - 3 2 【5 】u p d i k es j 。，h i c k sgp ，t h ee n z y m ee l e c t r o d e j n a t u r e ，19 6 7 ，214 ( 6 ) ：9 8 6 9 8 8 【6 】j o h n h a r w o o dgw ，p o u t o nc w ，a m p e r o m e t r i ee n z y m eb i o s e n s o r sf o rt h ea n a l y s i so f d r u g sa n dm e t a b o l i t e s j a d v a n c e dd r u gd e l i v e r yr e v i e w s ，1 9 9 6 ，1 8 ( 2 ) ：1 6 3 1 9 l 【刀n i k o l a u sn ，s 仃e h l i t zb ，a m p e r o m e t r i cl a c t a t eb i o s e n s o r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o ni n ( s p o r t s ) m e d i c i n e ，f o rl i f eq u a l i t ya n dw e l l b e i n g j m i c r o c h i m i c a a c t a , 2 0 0 8 ，1 6 0 ( 1 - 2 ) ：1 5 - 5 5 【8 】8 b a s ua k ，c h a t t o p a d h y a y 只，r o y c h o u d h u d u ，c h a k r a b o r t yr ，d e v e l o p m e n to f c h o l e s t e r o lb i o s e n s o rb a s e do ni m m o b i l i z e dc h o l e s t e r o lc s t e r a s ca n dc h o l e s t e r o lo x i d a s eo n o x y g e n e l e c t r o d ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft o t a lc h o l e s t e r o li nf o o d s a m p l e s j b i o e l e c t r o c h e m i s t r y , 2 0 0 7 ，7 0 ( 2 ) ：3 7 5 3 7 9 【9 】l a n g ej ，w i t t m a n nc ，e n z y m es e n s o ra r r a yf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fb i o g e n i ca m i n e si nf o o d s a m p l e s j a n a l y t i c a la n db i o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , 2 0 0 2 ，3 7 2 ( 2 ) ：2 7 6 2 8 3 ( 1 0 】b a s ua k ，c h a u o p a d h y a yp ，r o y c h u d h u r iu ，c h a k r a b o r t yr ，ab i o s e n s o rb a s e do n c o - i m m o b i l i z e dl - g l u t a m a t eo x i d a s ea n d l - g l u t a m a t ed e h y d r o g e n a s e f o r a n a l y s i s o f m o n o s o d i u mg l u t a m a t ei nf o o d j b i o s e n s o r sa n db i o e l e c t r o n i c s ，2 0 0 6 ，21 ( 10 ) ：19 6 8 - 19 7 2 【l l 】g o r i u s h k i n at b ，s o l d a t k i na p ，d z y a d e v y c hs v ，a p p l i c a t i o no fa m p e r o m e t r i ce n z y m e b i o s e n s o r sf o rw i n ea n dm u s ta n a l y s i s j p r o c e d i ac h e m i s t r y , 2 0 0 9 ，1 ( 1 ) ：2 7 7 2 8 0 12 】k u r o c h k i ni n ，e r e m e n k oa v ，m a k h a e v agf ，s i g o l a e v al v ，d u b a c h e v agg ， r i c h a r d s o nr j m u l t i s t r i p a s s a ya n dm u l t i m o d a ib i o s e n s o r sf o re n v i r o n m e n t a la n d m e d i c a lm o n i t o r i n go fn e u r o t o x i c a n t s j n a t os c i e n c ef o rp e a c ea n ds e c u r i t ys e r i e sa ： c h e m i s t r ya n db i o l o