基于纳米半导体构建的电化学和光电化学传感器用于环境污染物监测研究

发布时间：2020-04-20 21:04

【摘要】：纳米半导体材料具有较好的生物相容性以及较高的光电化学活性,是构建新型电化学以及光电化学传感器的热门材料。然而纳米半导体材料的光生电子-空穴对的复合率较高,光电化学活性还有很大的提升空间。石墨烯是一种由单层碳原子构成的新型二维碳纳米材料,具有极好的导电性,可以显著抑制纳米半导体光生电子-空穴对的复合,从而提高纳米半导体材料的光电化学活性。本论文基于纳米半导体材料(Ti02、量子点),结合液相沉积技术、层层组装技术、分子印迹技术构建了高性能电化学传感器和光电化学传感器,并利用石墨烯对纳米半导体材料进行改性以提高光电化学传感器的性能,成功地用于环境污染物的高灵敏检测。论文的主要研究内容如下： (1)利用液相沉积(LPD)技术,将血红蛋白(Hb)固定在Ti02膜电极内,制备了具有生物活性和光电活性的双功能电极,用以研究Hb的直接电化学。通过液相沉积过程,Hb与Ti02、十二烷基磺酸钠(SDS)被同时沉积固定在玻碳电极表面构成LPD Hb/SDS/TiO2复合膜。循环伏安表征显示复合膜内的Hb与电极之间的电子传递速率得到了显著提高,Hb的一对可逆氧化还原峰和Ti02的特征峰清晰地显现。基于Hb对H202的电催化活性,LPD Hb/SDS/TiO2复合膜可作为检测H202的电化学传感器,线性范围是5.0×10--4.0×10-5molL-1,检测限(3倍信噪比)为8.7x10-8mol L-1。同时,此LPD Hb/SDS/TiO2复合膜还保留了TiO2的光电化学活性,在长时间紫外光照射后,LPD Hb/SDS/TiO2复合膜的电化学性质发生了变化,其对H2O2的电催化响应灵敏度得到了显著提升。 (2)采用水相加热法合成了水溶性CdS量子点(CdS QDs),结合层层组装技术,将CdS QDs和DNA固定在石墨电极表面生成CdS QDs/DNA复合膜。由于DNA与亚甲基蓝(MB)之间有很强的相互作用,CdS QDs/DNA复合膜对MB的可见光电响应与CdS QDs薄膜相比有了大幅提高,由此构建一种基于CdS QDs/DNA复合膜的光电化学传感器检测MB。该传感器对MB的线性响应范围是3.0×10-8-3.0×10-6mol L-,检测限(3倍信噪比)为1.4×10-8molL-1。传感器的灵敏度较高,具有良好的重现性、稳定性,对一些染料也具有一定的选择性。 (3)基于CdS量子点与石墨烯(GR)复合纳米材料,结合分子印迹(MIP)技术,构建了一种新型的MIP/CdS QDs-GR/FTO修饰电极可见光电化学传感器,用于4-氨基酚检测研究。电化学阻抗图谱显示,GR的掺杂能够显著促进CdS QDs薄膜的导电性,CdS QDs薄膜的光电化学响应随着GR的掺入有了大幅提高。在CdSQDs-GR复合膜表面沉积一层4-氨基酚的MIP,由于MIP与4-氨基酚之间存在相互作用,MIP/CdS QDs-GR复合膜对4-氨基酚的光电化学响应较CdS QDs-GR复合膜有了明显的提升,因此MIP/CdS QDs-GR复合膜可作为光电化学传感器检测4-氨基酚。传感器的线性范围是5.0×10-8-3.5×10-6molL-1,检测限(3倍信噪比)为2.3×10-8mol L-1。此外,MIP/CdS QDs-GR复合膜具有很强的选择性。基于MIP/CdS QDs-GR的可见光电化学传感器可快速检测4-氨基酚,具备灵敏度高、选择性好的特点。 (4)制备了CdS量子点、DNA和原位石墨烯(PGR)修饰FTO电极,构建了邻苯二酚的高灵敏可见光电化学传感器。该复合膜修饰电极兼具CdS QDs的光电化学活性和DNA的生物化学活性,利用DNA与邻苯二酚间的作用,将DNA固定到膜电极表面可显著提高CdS QDs对邻苯二酚的光电响应。EIS图谱显示随着PGR的加入CdS QDs-DNA薄膜的导电性能得到大幅提升,有利于进一步提高电极的光电流；与CdS QDs-DNA膜相比,CdS QDs-DNA-PGR复合膜电极对邻苯二酚的光电响应提高了50倍以上。在此CdS QDs-DNA-PGR光电化学传感器上,邻苯二酚的线性响应范围是1.0×10-8-1.0×10-6mol L-1,检测限(3倍信噪比)达4.9×10-9molL-1。此CdS QDs-DNA-PGR光电化学传感器被成功地用于实际水样中的痕量邻苯二酚的检测。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X830;TP212.2

【参考文献】