纳米材料的合成及其在葡萄糖传感器上的应用研究

发布时间：2017-09-20 15:38

  本文关键词：纳米材料的合成及其在葡萄糖传感器上的应用研究

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【摘要】：葡萄糖检测在医疗诊断,食品工业,生物技术等诸多领域都有着十分重要的应用。设计快速、稳定并能连续准确监测葡萄糖的传感器是实现这些应用的关键。为实现这一目标,人们发展了各种各样的检测葡萄糖的方法,包括荧光法,菲林试剂法,旋光法,表面等离子体共振法和电化学法。在众多的检测技术中,电化学法因选择性好、灵敏度高、操作简便快速、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测,且易于自动化、微型化与集成化等特点而备受关注。利用高效专一的葡萄糖氧化酶作为传感器的活性中心是设计葡萄糖电化学传感器理想的选择。但生物酶结构复杂,具有各向异性,氧化还原中心深埋在肽链的内部,要想在裸电极表面实现电子的有效转移绝非易事。纳米材料的发展为特异催化活性表面的构建提供了更多可能,推动了整个电化学传感器的发展。各种各样的纳米材料用于生物识别元素的固定,在一定程度上改善了酶所处的微环境,缩短了酶的电活性中心与电极间的距离,实现了生物酶的直接电子转移和传感信号的有效放大。尽管如此,现有方法尚无法从根本上解决生物酶的不稳定性和容易失活的缺陷。为克服这样的缺点,人们开始开发各种非酶电化学传感。非酶型传感器环境适应性和稳定性很好,但在复杂的测试体系中,其抗干扰能力很有限,需要设计具有特异催化活性的修饰电极来提高传感器的选择性。合成功能纳米材料对发展高效葡萄糖传感具有重要意义。本文在综述酶和非酶传感器的检测原理、发展状况和其优缺点的基础上,从提高葡萄糖传感的综合性能出发,研究了不同纳米材料和酶的固定方法对酶类型葡萄糖传感器性能的影响;探讨了磷化钴用于非酶葡萄糖检测的可行性。全文主要内容如下:1、我们合成了具有不同纳米结构的氧化钨气凝胶、纳米棒和纳米颗粒,在此基础上,研究了不同纳米结构对葡萄糖氧化酶的固定效果。相比之下,氧化钨气凝胶显示了更好的固定效果,这得益于细长的氧化钨纳米线交错而成的网络结构。在氧化钨气凝胶的帮助下,葡萄糖氧化酶很好的实现了直接电化学,可以对葡萄糖的进行检测。其灵敏度达到2.69×10-4 m A/mmol cm2,响应时间约为10 s,线性范围为0.01 m M-1.0 m M。2、用纳米材料固定酶,往往是先制得材料,再将其与酶混合,这种方法是利用小尺寸纳米材料具有的良好吸附性质,称为吸附法。但由于葡萄糖氧化酶易溶于水,制备的电极在长时间测试过程中容易变得不稳定。因而我们采用在酶表面原位生成纳米材料的方法,加强纳米材料与酶的结合,从而更有效的固定酶。具体方法是,在葡萄糖氧化酶溶液中,加入硝酸银,待充分吸附后,用麦芽糖将其还原成银单质,最后得到银/葡萄糖氧化酶的复合物,用该复合物修饰玻碳电极制成工作电极。我们也采用传统的吸附法,在相同的条件下将葡萄糖氧化酶吸附在纳米银表面进行了比对试验,结果显示,原位法制备的电极具有更大的检测范围(分别为0.014-3 mmol/L和1 mmol/L以内)、更快的响应时间(分别为小于5 s和大于20 s)和更好的稳定性(两周后电流响应分别维持在94%和72%),说明原位法固定酶的效果更佳。3、为克服酶易受环境影响的缺点,我们也对非酶葡萄糖传感进行了研究。磷化钴具有良好的催化性质,常被用于电催化产氢。本文中,我们合成了磷化钴纳米棒,并首次将其用于葡萄糖的非酶检测。电化学测试表明,即便是在较低的电位,磷化钴也对葡萄糖具有良好的检测性能。根据对其微观形貌、晶体结构和表面元素的化合价态的综合分析,结合电化学测试,理论计算,我们探讨了磷化钴检测葡萄糖的可行性。
【关键词】：葡萄糖传感器 氧化钨气凝胶 原位固定 磷化钴
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1;TP212
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 酶电极电化学葡萄糖传感器11-16
• 1.2.1 葡萄糖酶传感器的发展、原理及特点11-13
• 1.2.2 葡萄糖氧化酶固定技术及其优缺点13-14
• 1.2.3 纳米材料在酶葡萄糖传感器中的作用14-16
• 1.3 非酶电化学葡萄糖传感器16-18
• 1.3.1 非酶电化学葡萄糖传感器的检测原理16
• 1.3.2 非酶电化学葡萄糖传感的优势及存在的问题16-17
• 1.3.3 纳米材料在非酶葡萄糖生物传感器中的作用17-18
• 1.4 选题依据及创新点18-19
• 第2章 实验方法19-23
• 2.1 主要仪器及试剂19-20
• 2.1.1 试剂19
• 2.1.2 主要仪器19-20
• 2.2 材料性质表征20-22
• 2.2.1 X-射线粉末衍射20
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜20-21
• 2.2.3 透射电子显微镜21
• 2.2.4 傅里叶变换红外光谱仪21
• 2.2.5 圆二色谱仪21-22
• 2.3 电化学性能测试22-23
• 2.3.1 工作电极的制备22
• 2.3.2 实验装置22
• 2.3.3 性能测试22-23
• 第3章 氧化钨气凝胶的合成及其葡萄糖传感应用23-31
• 3.1 引言23-24
• 3.2 实验部分24-25
• 3.2.1 氧化钨气凝胶的合成24
• 3.2.2 物理表征24
• 3.2.3 电化学测试24-25
• 3.3 结果与讨论25-30
• 3.3.1 不同pH值下产物的XRD表征25-26
• 3.3.2 氧化钨的形貌观察26-27
• 3.3.3 氧化钨气凝胶形成机制分析27-28
• 3.3.4 氧化钨制备的修饰电极的电化学表征28-30
• 3.4 结论30-31
• 第4章 Ag@葡萄糖氧化酶的原位合成及其对葡萄糖传感器性能的改进31-39
• 4.1 引言31
• 4.2 实验部分31-32
• 4.2.1 材料制备31-32
• 4.2.2 材料的物理表征32
• 4.2.3 工作电极的制备32
• 4.3 结果与讨论32-37
• 4.3.1 Ag和GOD复合物的形貌及元素分布32-33
• 4.3.2 红外及圆二色谱分析33-34
• 4.3.3 原位法和非原位法制备的电极电化学性质对比34-37
• 4.4 结论37-39
• 第5章 磷化钴基非酶葡萄糖传感器的可行性探讨39-47
• 5.1 引言39
• 5.2 实验部分39-40
• 5.2.1 CoP纳米棒的合成39-40
• 5.2.2 材料的物理表征40
• 5.2.3 电化学测试40
• 5.2.4 计算方法40
• 5.3 结果与讨论40-46
• 5.3.1 样品的XRD及XPS分析40-41
• 5.3.2 CoP的形貌观察及电子透射高分辨成像41-42
• 5.3.3 CoP电极非酶检测可行性分析42-46
• 5.4 结论46-47
• 第6章 总结与展望47-49
• 6.1 全文总结47
• 6.2 展望47-49
• 参考文献49-59
• 致谢59-61
• 硕士在读期间发表论文和学术交流情况61-62

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本文编号：888906