基于氮掺杂碳材料的酶生物燃料电池研究
发布时间：2017-09-01 03:00
本文关键词：基于氮掺杂碳材料的酶生物燃料电池研究
更多相关文章： 酶生物燃料电池 氮掺杂碳材料 类CoI活性氮掺杂石墨烯 以NAD~+为辅酶的脱氢酶 生物传感平台 NG/AuNPs/FDH生物阳极 NG/AuNPs/laccase生物阴极 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元复合材料 自供能细胞传感器 急性白血病CCRF-
【摘要】：酶生物燃料电池(EBFC)可以将生物体液中的化学能或生物化学能转化为电能,因而备受关注。EBFC具有传统燃料电池无法比拟的优点,例如燃料来源广泛、环境友好、反应条件温和等。导电纳米材料具有导电性好、比表面大、生物相容性好等特点,已在EBFC研究中得到了广泛应用。目前EBFC研究主要集中于两方面：一方面为探寻性能良好的纳米材料用于构建高性能的EFBC;另一方面为基于EBFC开发新应用。本论文的主要工作也主要集中于这两方面。主要内容如下：1、氮掺杂石墨烯在以NAD+为辅酶的脱氢酶电化学传感器及酶生物燃料电池中应用平台的构建氮掺杂石墨烯(NG)由于氮原子的孤电子对与sp2杂化的碳骨架形成共轭离域体系,表现出了比石墨烯更好的电催化活性,我们发现NG具有类似于NADH脱氢酶(CoI)活性。其类似于CoI中黄素单核苷酸(FMN)可有效催化NADH的氧化。同时由于NG优异的导电性,其还起到电子传递桥的作用,将电子从NADH传送至电极表面,因此NG修饰电极对于NADH具有良好的响应,并对其催化机理进行了系统的研究。以甲酸脱氢酶(FDH)作为NAD+为辅酶的脱氢酶模型,基于NG/Au NPs/FDH复合物电极,我们构建了甲酸电化学生物传感器,该传感器对甲酸表现出良好的电化学响应信号。并且基于NG/Au NPs/FDH生物阳极与NG/Au NPs/laccase生物阴极构建了一种新型的高功率输出的无隔膜甲酸/O2酶生物燃料电池(EBFC),其表现出优异的输出性能,串联两个EBFC可以点亮红色LED。由于NG/Au NPs/FDH构建的传感器与生物阳极在甲酸催化氧化过程中可有效循环辅酶NAD+/NADH,因此我们构建了以NAD+为辅酶的脱氢酶在电化学生物传感和EBFC中的应用平台。2、基于碳纳米管/石墨氮化碳纳米片/金纳米粒子三元复合材料的酶生物燃料电池的研究鉴于NG在酶生物传感及其EBFC中表现出良好的性能,我们探寻了一种更高含氮量的碳材料—石墨氮化碳纳米片(g-C3N4 NSs)。但g-C3N4 NSs存在导电性差的缺点,限制了其在电化学传感方面的应用,而将其与导电性纳米材料复合可以解决这一问题。因此我们制备了一种新型的碳纳米管/石墨氮化碳纳米片/金纳米粒子(CNTs/g-C3N4 NSs/Au NPs)三元复合材料,并将其作为一种有效的基底电极用于构建葡萄糖/O2EBFC。基于三元复合材料构建的EBFC表现出比CNTs/Au NPs二元复合材料更优异的性能,功率输出与稳定性均有所提高,证明将g-C3N4 NSs引入到复合材料,可以有效改善EBFC性能。3、基于EBFC的超灵敏可再生自供能细胞传感器的研究开发了一种EBFC的新应用,即构建了一种基于EBFC的超灵敏自供能细胞传感器用于检测急性白血病CCRF-CEM细胞。EBFC细胞传感器的核心组成为适配体(Sgc8c)功能化的阴极和氮掺杂石墨烯/金纳米粒子/葡萄糖氧化酶(NG/Au NPs/GOD)修饰的阳极,此EBFC产生的最大功率密度输出(Amax)为115μW cm-2。当带负电的CCRF-CEM细胞被适配体识别并捕获在阴极时,细胞的位阻效应和与氧化还原探针[Fe(CN)6]3-的静电排斥作用会显著阻碍探针和阴极表面的电子传递,从而导致EBFC功率输出显著降低,据此可用来灵敏地检测细胞。另外,提高阴极温度可以改变适配体的特定构型,从而使捕获的CCRF-CEM细胞在适配体功能化的阴极上释放,进而恢复EBFC细胞传感器的功率输出。重新活化的阴极可以再次捕获CCRF-CEM细胞实现EBFC细胞传感器的重建。该传感器有望成为早期癌症诊断的有力临床工具。
【关键词】：酶生物燃料电池 氮掺杂碳材料 类CoI活性氮掺杂石墨烯 以NAD~+为辅酶的脱氢酶 生物传感平台 NG/AuNPs/FDH生物阳极 NG/AuNPs/laccase生物阴极 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元复合材料 自供能细胞传感器 急性白血病CCRF-CEM细胞
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4;TB33
【目录】：
- 中文摘要7-9
- ABSTRACT9-12
- 本论文主要创新点12-13
- 第一章 绪论13-67
- 1.1 前言13
- 1.2 酶生物燃料电池概述13-34
- 1.2.1 酶生物燃料电池的工作原理14-17
- 1.2.2 酶生物燃料电池中常用的生物酶17-23
- 1.2.3 酶生物燃料电池中酶的固定方式23-26
- 1.2.4 酶生物燃料电池中固定酶的材料26-34
- 1.3 酶生物燃料电池的新应用34-49
- 1.3.1 自供能传感器研究34-43
- 1.3.2 弹性灵活装置的研制43-48
- 1.3.3 微流控48-49
- 1.4 酶生物燃料电池面临的问题与挑战49-54
- 1.4.1 酶生物燃料电池的稳定性49-50
- 1.4.2 小型化与植入式酶生物燃料电池50-53
- 1.4.3 CO_2还原用于生物燃料电池53-54
- 1.5 本论文的选题思路和主要工作54-55
- 参考文献55-67
- 第二章 氮掺杂石墨烯的类NADH脱氢酶行为及在以NAD~+为辅酶的脱氢酶传感平台中的应用67-91
- 摘要67
- 2.1 前言67-69
- 2.2 实验部分69-71
- 2.2.1 实验试剂69
- 2.2.2 仪器69-70
- 2.2.3 NG、G和NG/Au NPs/FDH电极的准备70-71
- 2.2.4 回收实验71
- 2.3 结果与讨论71-87
- 2.3.1 NG的表征71-74
- 2.3.2 NG的类CoI行为74-80
- 2.3.3 具有类CoI行为的NG的应用80-87
- 2.4 结论87-88
- 参考文献88-91
- 第三章 氮掺杂石墨烯/金纳米粒子/甲酸脱氢酶阳极用于甲酸/O_2酶生物燃料电池研究91-104
- 摘要91
- 3.1 前言91-92
- 3.2 实验部分92-94
- 3.2.1 实验试剂92-93
- 3.2.2 仪器93
- 3.2.3 NG/Au NPs/FDH生物阳极与NG/Au NPs/laccase生物阴极的制备93-94
- 3.2.4 生物燃料电池的组装94
- 3.3 结果与讨论94-102
- 3.3.1 生物阳极与生物阴极的表征94-96
- 3.3.2 生物阳极与生物阴极的电化学表征96-99
- 3.3.3 无隔膜甲酸酶生物燃料电池的组装99-102
- 3.4 结论102
- 参考文献102-104
- 第四章 基于碳纳米管/石墨氮化碳纳米片/金纳米粒子三元复合材料的酶生物燃料电池的研究104-121
- 摘要104
- 4.1 前言104-106
- 4.2 实验步骤106-108
- 4.2.1 实验试剂106
- 4.2.2 仪器106-107
- 4.2.3 g-C_3N_4 NSs的合成107
- 4.2.4 g-C_3N_4/CNTs复合物的合成107
- 4.2.5 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元复合材料的合成107-108
- 4.2.6 酶修饰三元复合材料生物阳极与生物阴极的制备108
- 4.2.7 酶生物燃料电池的组装108
- 4.3 结果与讨论108-118
- 4.3.1 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元复合材料形貌表征108-110
- 4.3.2 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元复合材料组装表征110-112
- 4.3.3 酶修饰三元复合材料电化学生物催化性能表征112-116
- 4.3.4 基于三元复合材料EBFC的构建116-118
- 4.4 结论118
- 参考文献118-121
- 第五章 基于酶生物燃料电池的超灵敏度可再生细胞传感器的研究121-134
- 摘要121
- 5.1 前言121-123
- 5.2 实验123-125
- 5.2.1 实验试剂123
- 5.2.2 仪器123-124
- 5.2.3 细胞系和细胞培养124
- 5.2.4 EBFC细胞传感器的构建和测量124-125
- 5.3 结果与讨论125-131
- 5.3.1 阴极的表征125-126
- 5.3.2 阴极的再生表征126-128
- 5.3.3 阳极表征128
- 5.3.4 EBFC细胞传感器构建及用于CCRF-CEM细胞检测128-131
- 5.5 结论131
- 参考文献131-134
- 结论与展望134-135
- 附录135-137
- 致谢137-138
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 崔晓楠;;以酶为基础的生物燃料电池[J];今日电子;2006年06期
2 陈丁丁;;环保生物燃料电池的研究现状与前景[J];绿色科技;2010年08期
3 辛存良;马晓燕;李冬梅;;生物燃料电池的研究进展[J];电源技术;2012年05期
4 刘春娜;;生物燃料电池研发动态[J];电源技术;2012年10期
5 ;英科学家利用细菌发电创造高效生物燃料电池[J];功能材料信息;2012年04期
6 陈晓琳;裘吟君;张永明;;浅谈生物燃料电池研究进展[J];化工管理;2013年08期
7 胡阿沛;张静;雷孝平;张晓宇;;生物燃料电池技术专利计量分析[J];全球科技经济w，
本文编号：769497
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/769497.html
