镁掺杂及电化学还原对二氧化钛纳米结构生物传感器电极性能影响的研究

发布时间：2017-03-21 02:09

  本文关键词：镁掺杂及电化学还原对二氧化钛纳米结构生物传感器电极性能影响的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：I引言对生物大分子进行具体简单,快速低成本,且具有高灵敏度的测定是目前研究的热点。电化学生物传感器的健康监测有助于诊断和疾病检测。利用酶吸附引导生物传感器电极之间的直接电子转移已被公认为是影响传感器性能的关键因素。电极对H2O2电化学生物传感器的性能起着至关重要的作用,包括电极的选择功能,电极材料,其表面改性,如尺寸,结构参数和掺杂,均显著影响其传感能力。纳米材料广泛应用在各个领域,包括生物传感器,而纳米材料可以显著提高器件的效率。二氧化钛(TiO2)是研究最多的一种金属氧化物材料。这种材料由于其良好的性能,广泛应用于染料敏化太阳能电池,光电解细胞,光催化剂和生物医药等领域。二氧化钛(TiO2)具有良好的酶吸附能力,并有利于有更多的酶吸附量并提高其电子转移效率。其中,纳米TiO2由于良好的蛋白吸附能力和生物相容性,成为一个最好的选择。本研究中,采用二氧化钛(TiO2)纳米结构作为H2O2生物传感器电极的改性材料。选择纯度为99.99%和0.1毫米厚度的钛(Ti)箔的基板。同时,在电化学检测过程中,辣根过氧化物酶作为选择的模型酶修饰在电极上。通过物理吸附的方法,Nafion溶液被用来固定酶和提高其生物相容性。在实验过程中,首先制备出纳米TiO2改性的电极,然后采用生物传感器按标准,进行生物传感器电极组装,即用环氧树脂将非工作区域封闭,之后将HRP溶液滴在电极上,自然晾干后将HRP修饰在纳米改性电极上。最后,滴上Nafion溶液以保护酶维持在电极上。将得到的Nafion/HRP/TiO2纳米结构Ti基板的电极用去离子水清洗后置于4℃冰箱中保存。本文提供的设计和掺杂纳米二氧化钛的生物传感器,能够提高传感器的性能,降低其最低检测限,H2O2浓度线性范围宽,灵敏度高,稳定。II实验TiO2纳米点改性电极制备：利用分相自组装法在Ti基板上制备了了TiO2纳米点薄膜。以H2O：钛酸丁酯：acac的摩尔比了为1：1：0.3配置10μL的前驱体溶胶。取30μL前驱体溶胶旋旋涂(7500rpm/50s)到Ti基板上,然后在空气中进行煅烧(500℃/90min)。为了研究纳米点薄膜微观结构对电极性能的影响,通过改变前驱体溶胶TBOT浓度调控纳米点薄膜不同组织(0.1 mol/L为Tnd-1,0.2 mol/L tnd-2和0.25 mol/L为tnd-3)。场发射扫描电子显微镜(FESEM)用来表征了TiO2纳米点结构。可以观察到前驱体溶胶TBOT浓度对TiO2纳米点的密度和大小有显著的影响。TiO2纳米点平均直径分别为：59 nm,107 nm,134nm。TiO2纳米点的密度分别为：TiO2纳米点的比表面积分别为：因此,随着前驱体溶胶TBOT的浓度的增加,纳米点的平均分布密度下降,而平均直径和比表面积增加。电化学性能测定：采用电化学工作站(chi660d)用来检测其传感性能。利用三电极系统：饱和甘汞电极是作为参考电极,铂电极作为对电极,纳米点薄膜作为工作电极。采用循环伏安法研究其电化学行为。对扫描速度和检测电流的关系作了研究。随着扫描速率的增大,氧化还原峰电流呈线性增加。同时,也观察到峰与峰的分离也越来越明显。这实际上是由于HRP和电极之间的直接电子转移。在较慢的扫描速率时峰与峰之间的间隔为0,这是由于氧化还原中心被吸附在电极上,且扩散不发挥作用。这些实验结构显示氧化还原峰增加是由于基本上固定的HRP产生的电化学反应。此外,这些结果表明,HRP和TiO2纳米点/钛电极发生直接电子转移之间。也就是说,实现了通过固定酶诱导直接电子转移。利用安培法检测上述电极的不同传感器性能。有许多实验参数对传感器性能的影响,如施加电压、PBS溶液的pH值。为实现最佳的生物传感器性能,对这些变量进行了优化,即施加电压从0.3到0.9 V的范围内,固定磷酸缓冲溶液PBS的pH值为7,并利用三电极进行测试,通过重复每个实验的三次取平均值。发现在施加电压为0.8V时实现最佳的电流响应,利用不同的PH值从5到8测试了三电极的性能。通过对比其他PH条件下电流的响应,每次最佳的添加H2O2溶液量为200.1M PBS(pH=7),施加电压为0.8V作为优化后的测试条件。图4a显示了典型的安培法检测曲线,对于不同的电极,0.1M PBS(pH=7)溶液中0.8 V可作为优化操作电位。通过对TiO2纳米点薄膜电极修饰可以提高其性能。Ⅲ实验结果与讨论(a)TiO2纳米点改性电极采用不同密度的TiO2纳米点改性电极TND-1,TND-2和TND-3,它们的灵敏度分别为349.1,404.8和897.8 μA.mM/cm2.电极Tnd-3表现出最佳的灵敏度和检测限。这可能归因于TND-3电极最大的比表面积可以用来固定酶。而且,Tnd-3具有最低检测限：0.26μm,线性范围1-850毫米,米氏常数为1.27毫米。米氏常数是通过Lineweaver-Burk方程计算出来的,因为关键可测参数与蛋白酶的工作状态相关。米氏常数为1.27毫米,相比1.32毫米和1.3毫米均要小。这意味着,该酶在低浓度H202可以获得与Tnd-3/Ti电极更好的催化效率。电极的选择性和稳定性是则由循环安培法进行测试。电极的选择性和抗干扰性同样也在20 H2O2条件下进行测试,因为其电极电流的反应最快速和最强。当加入100μmm尿酸或者抗坏血酸(AA)和葡萄糖时,未发现干扰电流产生的,这表明生物传感器具有良好的抗干扰性和高选择性。在稳定性方面,利用循环伏安法对电极的性能做了长时间的循环测试。改性的生物传感器在40C被保存28天后,在相同的条件下测定的生物传感器的性能,电流几乎保持不变(84.5%),而保存10天后的性能可以达到最初的。结果表明,TiO2纳米点改性电极可以作为一种稳定的生物传感器应用。(b)掺Mg的TiO2纳米点改性电极本研究中,Mg离子由于其与蛋白质或酶具有良好的亲和性,作为掺杂元素被用来掺杂进入TiO2纳米点,进一步提高电极性能。Mg掺杂同样通过旋涂和煅烧过程制备。以六水氯化镁乙醇溶液制备的前驱体溶胶、乙酰丙酮(AcAc),聚乙烯吡咯烷酮(PVP),去离子水,和钛酸四丁酯(TBOT)作为原料。H2O：钛酸丁酯acac的摩尔比为1：1：0.3,镁的浓度(1%～6%)对不同样品的前驱体溶胶配比。取30μL前驱体溶胶旋旋涂(7500rpm/50s)到Ti基板上,然后在空气中进行煅烧(500℃/90min)。通过SEM和TEM研究了Mg掺杂对纳米点形貌的影响,发现TiO2纳米点的密度和大小随着Mg掺杂明显改变。这表明在0-6%摩尔比例范围内,镁离子的掺杂没有对Marangoni效应分相自组装过程产生显著的影响,从而影响旋涂过程中仍能出现纳米点的形貌。然而,Mg掺杂显示对TiO2纳米点的密度和尺寸产生显著的影响。与未掺杂的TiO2纳米点相比,浓度的提高纳米TiO2纳米点的密度与Mg掺杂浓度成反比,而TiO2纳米点的大小则与Mg掺杂浓度成正比。这种变化可以归因于球形相分离的旋涂薄液层中受到镁前驱体中氯阴离子的影响。在透射电镜下观察单个的TiO2纳米点,发现在TiO2纳米点中Mg元素分布均匀,有利于蛋白质或酶的吸附。对Mg掺杂的TiO2纳米生物传感器的电化学行为进行了研究。2% mg掺杂TiO2纳米点的氧化电位和还原电位峰分别在-0.335 V和-0.473V。峰与峰之间的峰宽AEP为0.138 V。当100μM的H2O2加入到0.1 M PBS中时,Nafion/HRP/mg-Tnd-2/Ti生物传感器电极表现出良好的反应，这表明电极对H2O2具有很强的电催化活性。同时,掺杂的纳米点薄膜电极中直接电子转移速率比未掺杂的生物传感器电极更快。这可以归因于Mg掺杂的TiO2纳米点具有更好的固定酶的功能。另外,Nafion/HRP/mg-Tnd-2/Ti与不同的扫描速率得到了传感器电极的循环伏安曲线。实验结果表明,还原峰电流随着扫描速率的增大(从0.1到0.5 Ms-1)呈线性增加。阴极峰的增加归因于生物传感器电极的电化学反应的增强,表明反应在生物传感器电极的直接电子转移是表面控制的。因此,镁掺杂能增强TiO2纳米点薄膜的生物传感器电极的电化学响应。利用安培法对传感器性能进行了测试,从0.4 V至0.9 V测试结果显示电流响应的传感器最佳的外加电压为0.8 V。对不同pH值的0.1 M磷酸缓冲溶液(5,6,6.5,7,7.4,8)进行了最佳pH值的筛选。pH响应的生物传感器电极性能表明,在pH值为7时最佳,因此,对电极性能测定的PBSpH值定为7。Mg掺杂为2%的TiO2纳米点薄膜传感器电极的研究显示,灵敏度从1377.64增加到897.8μAmM-1 cm-2,米氏常数从1.27 mM下降到0.83mM,表明酶由于Mg的酶亲和性产生了更高的催化效率。这种掺杂方法提供了一种通过化学修饰提高电流型生物传感器电极性能的有效途径。当加入H2O2后,还原电流在3s内迅速增加,且达到95%的稳态电流值。还发现H2O2浓度与还原电流之间的存在线性关系,和电流的线性范围为为0.9996。此外,2%Mg掺杂的TiO2纳米点的生物传感器电极现实一个极低的检测限0.027gM(信噪比为3)尽管生物传感器的灵敏度随纳米点薄膜的比表面积增加而增加,镁离子的贡献是显而易见的。电极的比表面积相比1.09倍,但是具有显著明显的电极灵敏度差异。因此,研究表明,合适的比表面积和Mg掺杂量均有助于促进酶的吸附作用。尿酸或者抗坏血酸(AA)和葡萄糖对Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti电极的干扰作用也利用循环伏安法进行测试。Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti电极对加入25μM H202在-0.8V时的反应非常快速和强烈,然而加入100μM的尿酸或者抗坏血酸(AA)和葡萄糖是没有反应的。这说明Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti电极具有良好的抗干扰性能和极好的选择性。Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti电极稳定性的抗干扰性同样采用循环伏安法进行了测试,将电极在4℃条件下保持28天之后,电极在同样的条件下进行测试,发现仍然保持了85.3%的活性,保存了10天后的电价活性仍然保持了89%,显示了电极良好的稳定性。(c)TiO2纳米棒改性电极钛基底上合成锐钛矿型TiO2纳米棒分三个步骤：传统水热,碱处理和热处理。第一步的水热溶液通过0.45克苦味酸,15毫升酒精,60毫升水,40毫升盐酸(HC1)和220μL钛酸丁酯混合搅拌而成。然后钛基体和混合溶液被放置在一个聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中,然后把它放进炉中160℃反应4小时后自然冷却至室温。采用去离子水和乙醇冲洗获得的金红石型TiO2纳米棒薄膜,随后让其在室温下干燥后。第二步骤是在100毫升的聚四氟乙烯容器中配置掺量的氢氧化物(NaOH/KOH=1:1)溶液,然后将上述获得的金红石型TiO2纳米棒薄膜放入后,200℃水热反应2小时,用去离子水清洗后,然后浸泡在0.1M HC1中4小时。最后,将样品在500℃热处理2小时,获得最终的TiO2纳米棒薄膜。通过XRD表征表明获得的TiO2产物为锐钛矿型TiO2相。其形成过程是在水热过程中Ti-O-Ti键对被打断而形成Ti-O-Na (Ti-O-K)和Ti-OH键。通过质子置换作用将Na-,K-和羟基置换出来,形成钛酸。钛酸又进一步通过热处理形成锐钛矿型二氧化钛。FESEM图像显示锐钛矿型TiO2纳米棒具有一维线状结构,其直径约30 nm,且纳米棒的表面光滑。形成锐钛矿纳米棒为在同一种晶型下研究不同纳米结构的作用能力建立了基础。利用循环伏安(CV)法研究了Nafion/HRP/TNR-A/Ti电极对过氧化氢(H2O2)电的电化学行为。随着50μM H2O2的添加,电极的还原峰电流明显增大,同时,氧化峰电流降低,表明辣根过氧化酶(HRP)对过氧化氢(H2O2)具有良好的电催化活性。另外Nafion/HRP/TNR-A/Ti电极的传感性能还通过不同的扫描速率的循环伏安曲线进行了研究。随着扫描速率的增加(从0.1到0.5 s-1),还原峰电流呈线性增加。还原电势可归因于辣根酶的直接电子转移。研究表明Nafion/HRP/TNR-A/Ti电极的传感性能相较之前的生物传感器具有更好的性能,灵敏度高达5332.11μmM-1 cm-2,检测限低至0.01μM H2O2,线性范围宽0.05-700μM和小的迈克尔-诺米式常数0.029 mM。锐钛矿纳米棒改性比纳米点改性具有更强的作用能力。纳米棒对电极电化学还原过程的催化活性的显著的提高,意味着在电极上的直接电子转移变得更好。(d)电化学还原预处理对TiO2改性电极性能的影响通过电化学还原的方式对TiO2薄膜进行预处理,试图增加TiO2介体在电极与电极工作酶之间的直接电子转移效率。在1M (NH4)2SO4溶液中,利用1.5 V电势对TiO2纳米点薄膜电极(Ag/AgCl电极作为对电极)进行电化学还原预处理。处理后,TiO2纳米点表面Ti3+离子量增加,TiO2纳米棒增加最为明显,表明电化学还原预处理是一种有效的方式。当对传感器电极进行组装之后,电化学还原预处理的电极表现出更高的过氧化氢的反应和更好的直接电子转移,也有更高的检测灵敏度,表明电化学性能得到改善。电化学还原预处理的Mg掺杂的电极,具有较高的灵敏度1825.6 μA.mM-1·cm-2,相当于未处理前的几乎两倍。表明电化学修饰以及Mg掺杂,可协同提高其电化学性能。此外Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti电极的米氏常数经过计算为0.63 mM,还原处理后该值变得越小,表明该酶在低浓度H202由于更好的介体酶亲和力从而达到更高的催化效率。Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti电极的稳定抗干扰性同样利用循环伏安法进行测试。加入10 μM H202在-0.8V时的反应非常快速和强烈,然而加入100,μM的尿酸或者抗坏血酸(AA)和葡萄糖是没有反应的。这说明Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti电极具有良好的抗干扰性能和极好的选择性。而且发现Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti电极在4℃条件下保持12天之后,电极在同样的条件下进行测试,发现仍然保持了91%的活性,保存了28天后的电价活性仍然保持了86.6%,显示了电极良好的稳定性。Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti生物传感器电极,表现出最佳的电化学性能,灵敏度达6096.4μA mM-cm-2。此外,具有较低的检测限0.008μM；线性0.04-700)μm和小的米式值0.0027μM。Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti电极的干扰作用也利用循环伏安法进行测试。加入10μM H202在-0.8V时的反应非常快速和强烈,然而加入100μM的尿酸或者抗坏血酸(AA)和葡萄糖是没有反应的。这说明Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti电极具有良好的抗干扰性能和极好的选择性。Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti电极稳定性的抗干扰性同样采用循环伏安法进行了测试,将电极在4℃条件下保持12天之后,电极在同样的条件下进行测试,发现仍然保持了97.8%的活性,保存了28天后的电价活性仍然保持了94%,显示了电极良好的稳定性。本研究是提供一种简便、有效的提高传感器性能的方法,研究得到的Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti生物传感器电极具有潜在的应用价值。Ⅳ结论通过TiO2纳米结构对生物传感器电极改性,可以明显提高其电极的电化学性。TiO2的纳米结构形态、组成修饰和表面Ti3+离子量直接对性能提高幅度产生重要的影响。对于纳米点形式对电极修饰时,Mg掺杂修饰可提高TiO2纳米点改性传感器电极的性能,主要为Mg离子具有强的吸附酶的能力；通过电化学还原预处理,可进一步提高传感器电极的性能,这是由于TiO2表面Ti3+离子数目增加,导电特性提高,从而使酶与电极间实现直接电子转移更为容易。对于纳米棒形式对电极修饰时,其对提高传感器电极性能的作用明显大于纳米点,主要是纳米棒具有更多的表面积与酶相互作用；经电化学预还原处理,其传感器电极性能达到最高值,灵敏度为6096.4 μA mM-1 cm-2,检测限达0.008 μM,其明显高于其他TiO2或同类改性电极的性能。因此,本研究为增强电化学生物传感器电极性能提供一条有意义的改性途径。
【关键词】：电化学生物传感器电极 二氧化钛纳米结构 纳米点 纳米棒 镁掺杂 电化学还原预处理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TP212.3
【目录】：

• 中文摘要6-12
• Abstract12-18
• Chapter 1 Introduction18-52
• 1.1 General description on biosensors18-19
• 1.2 Classification of biosensors19-24
• 1.2.1 Sensing elements20-22
• 1.2.1.1 Enzymes20
• 1.2.1.2 Antibodies20-21
• 1.2.1.3 Microbe21-22
• 1.2.2 Transducer elements22-24
• 1.2.2.1 Electrochemical elements22-23
• 1.2.2.2 Optical elements23-24
• 1.2.2.3 Acoustic elements24
• 1.3 Electrochemical biosensors24-26
• 1.4 Response characteristics of electrochemical biosensors26-27
• 1.5 Surface modifications on electrodes of electrochemical biosensors27-33
• 1.6 TiO_2 and its nanostructures33-48
• 1.6.1 TiO_2 nanotube35-37
• 1.6.2 TiO_2 nanodots37-40
• 1.6.3 TiO_2 nanopowder40-41
• 1.6.4 TiO_2 nanosheets41-43
• 1.6.5 TiO_2 nanoparticles43-45
• 1.6.6 TiO_2 mesoporous45-46
• 1.6.7 TiO_2 nanorods46-48
• 1.7 The motivation of the present thesis work48-49
• 1.8 Objectives of the Study49
• 1.9 Scope of work and thesis outlines49-52
• Chapter 2 Experimental52-62
• 2.1 Materials and reagents52-54
• 2.2 Experimental methodology54-55
• 2.3 Preparation of TiO_2 nanostructured films55-57
• 2.3.1 Preparation of TiO_2 nanodots films55-56
• 2.3.2 Preparation of Mg-doped TiO_2 nanodots films56
• 2.3.3 Preparation of anatase TiO_2 nanorods on Ti substrate56-57
• 2.3.4 Electrochemical reduction pre-treatment57
• 2.4 Characterizations of Ti02 nanostructured films57-58
• 2.4.1 Field-emission scanning electron microscope(FESEM)57
• 2.4.2 Transmission electron microscopy(TEM)57
• 2.4.3 X-Ray photoelectron spectroscopy(XPS)57
• 2.4.4 X-ray diffractometer(XRD)57-58
• 2.5 Assembly of the biosensor electrodes58-59
• 2.6 Phosphate buffer solution(PBS)preparation59
• 2.7 Measurement of performances of the biosensor electrodes59-62
• Chapter 3 Ti02 nanodots modified electrodes and their electrochemical performances62-70
• 3.1 Introduction62
• 3.2 Results and discussions62-68
• 3.2.1 Microstructural characterization of TiO_2 nanodots/Ti substrate62-63
• 3.2.2 Electrochemical characterization of Nafion/HRP/TND/Ti electrodes63-64
• 3.2.3 Biosensor performance of the Nafion/HRP/TND/Ti electrodes to H_2O_264-66
• 3.2.4 Interferance,selectivity and stability66-68
• 3.3 Conclusion68-70
• Chapter 4 Mg doped Ti02 nanodots modified electrodes and their electrochemicalperformance70-80
• 4.1 Introduction70
• 4.2 Results and discussion70-78
• 4.2.1 Microstructures of Mg doped TiO_2 nanodots modified electrodes70-72
• 4.2.2 Electrochemical behaviors of Mg doped TiO_2 nanodots modified electrodes72-73
• 4.2.3 Performance of Mg doped TiO_2 nanodots modified electrodes73-77
• 4.2.4 Interference,selectivity and stability77-78
• 4.3 Conclusion78-80
• Chapter 5 Anatase TiO_2 nanorods modified electrodes and their electrochemicalperformance80-88
• 5.1 Introduction80
• 5.2 Results and Discussion80-87
• 5.2.1 Characterization of anatase TiO_2 nanorods modified electrode(TNR-A/Ti)80-81
• 5.2.2 Electrochemical behaviors of anatase Ti02 nanorods modified electrodes81-83
• 5.2.3 Performance of anatase Ti02 nanorods modified electrodes83-85
• 5.2.4 Interference,selectivity and stability85-87
• 5.3 Conclusion87-88
• Chapter 6 Influence of electrochemical reduction pre-treatment on performances ofthe biosensor electrodes88-106
• 6.1 Introduction88
• 6.2 Results and Discussion88-104
• 6.2.1 TiO_2 and Mg-doped TiO_2 nanodots modified electrodes88-96
• 6.2.1.1 Morphology of the electrodes88-89
• 6.2.1.2 Electrochemical reduction pre-treatment of the electrodes89-90
• 6.2.1.3 Influence of electrochemical reduction pre-treatment on XPS spectra of the electrodes90-91
• 6.2.1.4 Electrochemical behaviors of the biosensor electrodes91-92
• 6.2.1.5 Performance of the biosensor electrodes92-95
• 6.2.1.6 Selectivity and stability of Nafion/HRP/Ti~(3+)Mg-TND/Ti biosensor95-96
• 6.2.2 Anatase TiO_2 nanorods modified biosensor electrodes96-104
• 6.2.2.1 Influence of electrochemical reduction on XPS spectra of the electrode96-97
• 6.2.2.2 Electrochemical behaviors of the Nafion/HRP/Ti~(3+)-TNR-A/Ti biosensor electrode97-99
• 6.2.2.3 Performance of the biosensor electrodes99-102
• 6.2.2.4 Selectivity and stability of Nafion/HRP/Ti~(3+)-TNR-A/Ti biosensor102-104
• 6.3 Conclusions104-106
• Chapter 7 Conclusion106-108
• References108-124
• Acknowledgement124-125
• Dedication125-126
• Personal profile126-128
• Achievements during doctoral degree research12

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本文编号：258854