基于碳布上生长氧化物纳米结构的柔性无酶生物传感器研究

发布时间：2017-06-22 02:11

  本文关键词：基于碳布上生长氧化物纳米结构的柔性无酶生物传感器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纤维布是一种“外柔内刚”的新型碳纤维材料,具有纤维固有的柔软性、良好的化学稳定性、高导电性和三维的多孔道结构。凭借固有的物理化学性质,碳纤维布在多方面领域被广泛使用,比如,锂离子电池、传感器和超级电容器等,它可直接制备成独立电极。由于高比表面积的纳米结构阵列和多孔通道的碳纤维布的协同作用,对于电化学性能测试中的稳定性和电子传输能力有很大的提高。因此,本文在碳布表面上直接生长氧化物纳米结构来构建了新型柔性的无酶电化学生物传感器,这也为临床诊断、食品安全检测、环境污染物检测等的复杂环境难题提供了一个科学方法。本论文以在碳布基底上合成的CuO纳米花阵列、MnO2纳米棒阵列和MnOOH纳米棒阵列为纳米材料研究体系,展开纳米结构调控、纳米材料表征、新型柔性电化学生物传感器件构建及其性能等方面的研究。具体的研究内容和结果如下:(1)基于碳布表面上生长CuO纳米花阵列的柔性无酶葡萄糖传感器利用水热法在100℃低温条件下,首次在碳纤维表面上直接合成CuO纳米花阵列(CuO/CFF),其形貌、尺寸、成分和结构通过FESEM、EDS和XRD等表征手段测试出来结果证明:碳纤维表面被CuO纳米花阵列包裹着,且CuO纳米花是由直径约为10 nm的CuO纳米棒聚集而成的。将CuO/CFF复合材料直接制备成柔性电极,无需粘合剂固定,并用此电极通过电化学方法(循环伏安法和恒电位安培法)来检测葡萄糖浓度。结果证明:CuO纳米花阵列对葡萄糖直接氧化具有良好的电催化性能,在葡萄糖浓度为0.3μM~0.96 mM范围内,其灵敏度为6476.0μA mM-1 cm-2,这主要归因于氧化铜纳米花阵列与碳纤维的协同作用。并且,这种新型柔性无酶葡萄糖传感器具有良好的稳定性和选择性。这为基于碳布电极的新型柔性无酶生物传感器的构建提供一种简单的方法。(2)基于碳布表面上生长MnO2纳米棒阵列的柔性无酶葡萄糖传感器以KMnO4为原料,利用水热法在160℃低温条件下,先在碳纤维表面生长MnOOH纳米棒阵列,再经过300℃退火2 h,成功在碳布表面上直接生长MnO2纳米棒阵列(MnO2/CFF)。通过XRD表征可以知道,单斜晶系的MnOOH纳米结构转化为正方晶系的MnO2纳米结构;通过FESEM和TEM表征手段,结果表明,碳纤维表面被MnO2纳米棒阵列包裹着,且MnO2纳米棒直径为30-100 nm,长度为5-10μm。将MnO2/CFF复合材料直接制备成柔性电极,再借助恒电位安培法和循环伏安法等电化学测试来探测葡萄糖的含量。结果证明:MnO2纳米棒阵列对葡萄糖直接氧化具有良好的电催化性能,在葡萄糖浓度为2.5μM~3.96 mM范围内,其灵敏度为1650.6μA mM-1 cm-2,并且具有良好的稳定性和选择性。这为基于碳布电极的新型柔性无酶生物传感器的构建提供一种简单的新方法。(3)基于碳布表面上生长MnOOH纳米棒阵列的柔性的无酶H2O2传感器利用水热法在160℃低温条件下,首次在碳纤维表面上直接生长MnOOH纳米棒阵列(MnOOH/CFF)。FESEM和TEM测试表明,碳纤维表面均匀生长着MnOOH纳米棒阵列,且MnOOH纳米棒的直径为100-200 nm,长度为5-10μm。将MnOOH/CFF复合材料直接制备成柔性电极,并用循环伏安法和恒电位安培法等电化学方法来检测H2O2浓度。结果证明:MnOOH纳米棒阵列对H2O2直接还原具有良好的电催化性能,在H2O2浓度为0.02 mM~9.67 mM范围内,其灵敏度为692.42μA mM-1 cm-2,这主要归因于MnOOH纳米棒阵列与碳纤维的协同作用。而且,这种新型柔性无酶H2O2传感器还具有良好的稳定性和选择性。
【关键词】：柔性生物传感器 碳纤维布 氧化物纳米结构阵列 电化学性能
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TP212
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 生物传感器10-13
• 1.1.1 生物传感器10-12
• 1.1.2 电化学生物传感器12-13
• 1.2 纳米材料及其在电化学生物传感器中的应用13-18
• 1.2.1 纳米材料的定义及基本性质13-16
• 1.2.3 纳米结构阵列的制备方法16-18
• 1.2.4 纳米结构阵列的表征18
• 1.3 纳米电化学生物传感器的应用18-19
• 1.3.1 纳米电化学生物传感器应用于食品工业18-19
• 1.3.2 纳米电化学生物传感器应用于医学领域19
• 1.3.3 纳米电化学生物传感器应用于环境监测领域19
• 1.3.4 纳米电化学生物传感器应用于国防建设19
• 1.4 论文的研究思路、研究内容及创新点19-22
• 1.4.1 论文的研究思路20
• 1.4.2 论文的研究内容20-21
• 1.4.3 论文的创新点21-22
• 2 基于CuO纳米花阵列/碳布的无酶葡萄糖传感器的研究22-36
• 2.1 前言22-23
• 2.2 CuO纳米花阵列/碳布复合物的合成和表征23-25
• 2.2.1 CuO纳米花阵列/碳布复合物的合成23-24
• 2.2.2 CuO纳米花阵列/碳布复合物的表征24-25
• 2.3 基于CuO纳米花阵列/碳布的无酶葡萄糖传感器制备及电化学性质研究25-34
• 2.3.1 电极的制备25-26
• 2.3.2 CuO纳米花阵列/碳布电极的电化学性能测试26-34
• 2.4 本章小结34-36
• 3 基于β-MnO_2纳米棒阵列/碳布的无酶葡萄糖传感器的研究36-46
• 3.1 前言36
• 3.2 β-MnO_2纳米棒阵列/碳布复合物的合成及表征36-39
• 3.2.1 β-MnO_2纳米棒阵列/碳布复合物的合成36-37
• 3.2.2 β-MnO_2纳米棒阵列/碳布复合物的表征37-39
• 3.3 基于β-MnO_2纳米棒阵列/碳布的无酶葡萄糖传感器制备及电化学性质研究39-44
• 3.3.1 电极的制备39
• 3.3.2 β-MnO_2纳米棒阵列/碳布电极的电化学性能测试39-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 基于MnOOH纳米棒阵列/碳布的无酶过氧化氢传感器的研究46-60
• 4.1 前言46-47
• 4.2 MnOOH纳米棒阵列/碳布复合物的合成和表征47-49
• 4.2.1 MnOOH纳米棒阵列/碳布复合物的合成47
• 4.2.2 MnOOH纳米棒阵列/碳布复合物的表征47-49
• 4.3 基于MnOOH纳米棒阵列/碳布的无酶H2O2传感器制备及电化学性质研究49-57
• 4.3.1 电极的制备49
• 4.3.2 MnOOH纳米棒阵列/碳布电极的电化学性能测试49-57
• 4.4 本章小结57-60
• 5 结论与展望60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-62
• 致谢62-64
• 参考文献64-76
• 附录76-77
• A. 攻读硕士期间发表的论文76-77
• B. 攻读硕士期间获得的奖项77

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本文编号：470486