功能导向碳基传感器的构筑及其在生物与环境中的分析应用

发布时间：2020-09-11 17:23

　　 在电化学分析领域,具有高灵敏度、高重现性、高稳定性的电化学传感器是不断追求的目标,而电极材料的制备和电极结构的设计是构筑优异电化学传感器的基础。特定的检测对象需要具有特定功能的电极材料和电极结构的电化学传感器才能满足要求。本文针对在线分析人体体液中神经递质如尿液或血液中的羟基吲哚乙酸(HIAA)和多巴胺(DA)所面临的基质复杂、干扰严重的问题,以及在线监测水环境重金属污染时同步大通量检测多种重金属离子的需求,以玻碳、石墨毡、碳纳米管、石墨烯等不同碳材料为基体构筑了具有不同功能的电化学传感器,探究了电极结构与其电化学分析性能之间的关系。具体内容如下:1、增强表面吸附性能的玻碳电极(GCE)制备及其对HIAA的分析应用。电化学分析HIAA灵敏度不高的原因之一在于HIAA与普通电极界面的作用力较弱,表现出不可逆氧化行为。本文通过在酸性介质中的电化学氧化法在玻碳电极表面引入羟基与羧基等含氧基团,HIAA在处理后的氧化玻碳电极(OGCE)表面的电化学行为及动力学研究表明,HIAA及其氧化中间产物与电极表面之间的氢键作用增强了表面吸附作用,减弱了电极反应的不可逆性。氧化峰电流在1.52-58.6 μmol/L HIAA浓度范围内呈现良好线性关系,检测限为0.917μmol/L,重现RSD仅为1.34%,在超过500倍的高倍数无机盐、尿素以及葡萄糖的存在下检测不受干扰。2、具备大比表面积和增强表面吸附性能的石墨毡电极(GFE)的制备及其对HIAA的分析应用。本文使用大比表面积与高孔隙率的GFE作为基体电极进一步提高电化学检测HIAA的响应灵敏度。通过浓酸化学氧化法在GFE表面引入羟基与羧基以提高GFE表面亲水性并增强表面吸附性能,进一步改善HIAA的电化学反应可逆性。目标GFE对于H1AA的定量分析LOD比OGCE降低了约10倍,在0.35-26.5 μmol/L范围内线性良好。3、具备选择性吸附性能的碳纳米管(CNTs)修饰电极的制备及对DA的分析应用。本文基于在偏酸性介质中DA带正电而共存干扰物抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)带负电的事实,提出构筑表面带负电的电极以实现特异性吸附DA。通过一步电化学聚合法制备了表面负电性的SDPAS/PPy/CNTs修饰金电极,电化学研究结果表明在pH=6.0的介质中,修饰电极对溶液中呈酸根离子形式存在的AA和UA起到排斥作用而对以分子形式存在的三种物质产生特定的吸附作用,从而实现了响应电位的分离,表现出高于未修饰电极的选择性与灵敏度,在0.827-104 μmo 1/L浓度范围线性良好,LOD为0.105 μmol/L,且实现了在模拟血清样品中的定量检测。4、具备3D电子传输的石墨烯/碳纳米管(RGO/CNTs)修饰电极的制备及其对DA的分析应用。本文提出通过加快异相电子传输速率以提高电化学检测DA灵敏度的研究思路。以二茂铁作为催化剂和碳源,以偶氮二甲酰胺(ADC)为膨胀剂,以乙腈为溶剂,利用微波反应法反应30s即可在石墨烯表面观察到碳纳米管的生长,CNTs的管径和疏密度分别受ADC和二茂铁用量的影响。电化学动力学研究表明,RGO/CNTs修饰GCE拥有比RGO修饰GCE更快的异相转移速率常数。该电极基于CV法进行定量分析DA的结果表明,线性范围为 3.33-198 μmol/L。(5)铋膜丝网印刷碳电极(Bi-SPCE)的制备及其对重金属离子的同步分析应用。铋膜电极是用于阳极溶出法监测水环境中重金属离子的最优选工作电极,但是其制备方法相对复杂。本文以印刷电极技术预制性能良好的铋膜电极以实现快速水质监测的要求。以自制微型丝网印刷电极(SPCE)为碳基电极,对电镀电位、时间、铋离子浓度和添加剂种类等影响预镀铋膜形貌和性能的因素进行优化,得到了导电性、稳定性和重现性良好的预镀铋丝网印刷电极(Bi-SPCE)。Bi-SPCE对水中铅、镉、锌离子进行SWV同步检测的检测限最低可至7.1 μg/L,表现出优异的重现性(RSD最低可至1.97%)，并且实现在实体水样中的电分析检测。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O657.1

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本文编号：2816963