基于新型功能化材料的电化学和光学传感器的研究

发布时间：2017-04-07 11:10

  本文关键词：基于新型功能化材料的电化学和光学传感器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本论文以化学传感器的理论知识为基础,针对当前应用中存在的不足,研究并应用新型的离子载体和传感材料,探索传感器的微型化技术,旨在拓展新材料的开发应用和提高化学传感器的各项性能,如目标物选择性、信号稳定性、低检测限、响应时间、使用寿命和应用范围等。主要研究成果包括：(1)首次报导利用点击化学固定离子选择性载体的方法。这种通过Huisgen环加成反应(俗称“点击化学”)将载体固定在叠氮基团修饰的聚氯乙烯中,获得的高分子聚合物可用于制备电化学和光学传感器。聚合物中三唑连接环的形成会降低功能化聚氯乙烯在聚合物基质中的溶解性；而经过12小时叠氮化反应的聚氯乙烯经一价铜催化与载体发生环加成反应得到的产物具有很好的溶解度和成膜性。由塑化的功能化聚合物制备的固接钾离子选择性电极在10-6至10-1M范围内对钾离子有能斯特响应且具有良好的选择性。而且由于钾离子载体的固定,延长了固接电极的使用寿命。此功能化聚合物加上显色离子载体ETH 5294也可运用于制备光极,测量范围以及钾离子选择性与固接钾离子选择性电极相当。此外,我们还制备了基于点击化学固定的钙离子选择性的功能化高分子材料。由于钙离子载体与钙离子的结合比为3：1,所以三唑环与修饰的钙离子载体之间的链长度会影响固定的钙离子载体的灵活度,从而影响所合成的功能化聚合物的响应性能。因此我们研究了两种含有不同长度连接链的功能化聚合物对钙离子的响应的影响。(2)一类新型的基于芳酰胺基团的三支架结构分子被用作载体制备高灵敏度和高选择性的硫酸根离子选择性传感器。与已有的基于脲基的三维结构载体相比,新型三维结构分子中引入了更优的氢键给予体——芳酰胺基团,因而得到更好的电极响应。三个衍生物分别由未取代的苯基(Ⅰ),对三氟化碳苯基(Ⅱ)和对硝基苯(Ⅲ)取代,连接在芳酰胺基团上。系统研究发现,具有最强吸电子能力的对硝基苯修饰的载体Ⅲ是硫酸根离子选择性电极最好的候选者。优化的聚合物膜电极在1 μM-100 mM的线性范围内,对硫酸根离子有能斯特响应-30.2mV-decade-1。制备的传感器对H2PO4-、Cl-、Br-、NO3-、SCN-、I-、和C104-的选择性系数分别为-4.3、-3.4、-2.5、-0.6、+3.1、+3.4和+5.9,优于现有的硫酸根离子传感器。最后,这种高选择性的硫酸根离子电极成功对细胞破碎液和饮用水中的硫酸根离子进行测定,回收率良好。(3)基于双氧铀载体和多壁碳纳米管复合物的离子传感成分构建了一种经久耐用的固接磷酸根离子选择性电极。与基于双氧铀载体的场效应晶体管相比,这种优化的复合物膜电极显示了对H2P04-更好的选择性和更低的检测限。由于膜中加入疏水性的多壁碳纳米管,此种聚合物-多壁碳纳米管复合物膜与传统的不含多壁碳纳米管的离子选择性电极膜相比,展示了长期的电势稳定性。放置于流动体系中浸泡115 h后,对H2P04-仍有近能斯特响应,说明寿命被大大延长。这种新型的传感器应用于模拟的富营养化水样中磷酸根离子的检测,得到了与传统的光谱法相类似的结果。这种坚固、可重复使用、且不需要维护的离子传感器更适合对环境或临床应用中磷酸根离子的在线实时检测。(4)组装了基于离子选择性传感膜的三种微型传感器,包括印刷金电极、固接微电极和液膜微电极。研究发现含有MWCNTs传导层的金印刷电极在磷酸根离子浓度范围10-5-10-2 M间有能斯特响应,斜率为-60.0 mV-decade-1。同时我们发现印刷电极上的传感膜过厚会降低电极的响应性能。组装的钙离子选择性固接微电极在钙离子浓度范围10-6-10-1 M内,电极有近能斯特响应为25.7mV-decade-1。氢离子选择性固接微电极在pH范围3.0-9.3内,电极的响应为-53.4mV·pH-1,且成功实现对MIH-3T3细胞表面pH的监测。为更好地实现单细胞检测,我们将传感器进一步微型化,成功制备微米以及纳米级的电极,实现了对氢离子、钙离子以及硫酸根离子的检测。(5)制备一个硼酸基团修饰的近红外荧光染料(azaBDPBA),并把它制备成光极,用于40倍稀释的全血中葡萄糖的检测。AzaBDPBA中的吸电子基团硼酸与双氧水直接反应形成富电子的苯酚基团,使得发射光谱从682 nm红移至724nm。全血在近红外区域的发射背景干扰小。而且,当葡萄糖被葡萄糖氧化酶转化成双氧水与探针反应时,双波长发射光谱得到的比例信号能保证全血中葡萄糖的准确检测。在缓冲液中azaBDPBA对葡萄糖浓度的响应范围为0.2-200 mM,且选择性很高。为了方便血糖检测,我们将探针固定在薄的疏水膜中制成一次性的葡萄糖检测光极,此时葡萄糖的检测范围为60 μM-100 mM。40倍稀释的全血中葡萄糖的浓度分别用我们的光极和参比法进行检测。两种方法所得的相似结果证明基于azaBDPBA的光极可以成功进行血糖检测。
【关键词】：离子载体 价健固定 点击化学 离子选择性电极 光极 硫酸根离子 芳酰胺基团 三支架结构载体 电位传感器 离子传感器 双氧铀载体 多壁碳纳米管 磷酸根离子 多壁碳纳米管 固接离子选择性电极 aza-bodipy 荧光光极 双波长发射 近红外 葡萄糖 全血
【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】：TP212
【目录】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第1章 绪论17-55
• 1.1 载体型化学传感器17-27
• 1.1.1 载体型化学传感器简介17
• 1.1.2 载体型化学传感膜的组成17-27
• 1.1.2.1 传感膜的骨架材料17-19
• 1.1.2.2 增塑剂19-21
• 1.1.2.3 离子交换剂21-22
• 1.1.2.4 离子载体22-25
• 1.1.2.5 显色离子载体25-27
• 1.1.2.6 碳纳米管27
• 1.2 离子选择性电极(ISE)27-34
• 1.2.1 响应机理28-29
• 1.2.2 性能参数29-33
• 1.2.2.1 选择性29-31
• 1.2.2.2 检测限和响应范围31-32
• 1.2.2.3 响应时间32
• 1.2.2.4 使用寿命32-33
• 1.2.3 研究现状和发展趋势33-34
• 1.2.3.1 新型传感材料的研究33
• 1.2.3.2 传感器的微型化33-34
• 1.3 离子选择性光极(Optode)34-39
• 1.3.1 响应原理34-36
• 1.3.2 性能参数36-38
• 1.3.2.1 选择性36-37
• 1.3.2.2 检测限和响应范围37
• 1.3.2.3 响应时间37-38
• 1.3.3 研究现状和发展前景38-39
• 1.4 荧光分析法39-45
• 1.4.1 荧光的发射原理40-41
• 1.4.2 荧光探针的响应机理41-44
• 1.4.3 荧光探针的应用和研究进展44-45
• 1.5 经典的合成方法45-48
• 1.5.1 点击化学反应45-46
• 1.5.2 Suzuki偶联反应46-48
• 1.6 论文的选题依据和研究意义48-50
• 参考文献50-55
• 第2章 基于点击化学固定离子载体的功能化高分子材料在电化学和光学传感器中的应用55-71
• 摘要55
• 2.1 前言55-57
• 2.2 实验部分57-61
• 2.2.1 实验材料与仪器57
• 2.2.2 功能化高分子材料的合成57-60
• 2.2.2.1 聚氯乙烯的活化57-58
• 2.2.2.2 功能化高分子材料的合成和固定化58-60
• 2.2.3 离子选择性电极和光极传感膜的制备与检测60-61
• 2.3 结果与讨论61-69
• 2.3.1 基于钾离子载体的功能化高分子材料61-68
• 2.3.1.1 基于功能化高分子材料的钾离子选择性电极61-65
• 2.3.1.2 基于功能化高分子材料的钾离子选择性光极65-68
• 2.3.2 基于钙离子载体的功能化高分子材料68-69
• 2.4 结论69
• 参考文献69-71
• 第3章 基于含芳酰胺基团的三支架结构载体制备的硫酸根离子选择性电化学传感器71-84
• 摘要71
• 3.1 前言71-73
• 3.2 实验部分73-75
• 3.2.1 试剂73-74
• 3.2.2 膜的制备74
• 3.2.3 测定过程74
• 3.2.4 细胞萃取液74-75
• 3.3 结果与讨论75-82
• 3.3.1 电极性能的优化75-80
• 3.3.2 测定环境的优化80-81
• 3.3.3 基于芳酰胺载体的电极的应用81-82
• 3.4 结论82
• 参考文献82-84
• 第4章 基于聚合物-多壁碳纳米管复合材料的固接H_2PO_4~-选择性电极84-96
• 摘要84
• 4.1 前言84-86
• 4.2 实验部分86-87
• 4.2.1 实验材料86
• 4.2.2 固接型离子选择性电极的制备86-87
• 4.2.3 电位检测法87
• 4.2.4 接触角实验87
• 4.2.5 光谱测定法87
• 4.3 结果与讨论87-93
• 4.3.1 聚合物膜成分的优化87-90
• 4.3.2 长期电势稳定性90-92
• 4.3.3 电极寿命92-93
• 4.3.4 电极在模拟的富营养水体中的应用93
• 4.4 结论93-94
• 参考文献94-96
• 第5章 基于离子选择性传感膜的微型传感器的制备和研究96-107
• 摘要96
• 5.1 前言96-97
• 5.2 实验部分97-100
• 5.2.1 实验材料97-98
• 5.2.2 微电极的制备98-100
• 5.2.2.1 印刷金电极的制备98
• 5.2.2.2 固接微电极的组装98-99
• 5.2.2.3 液膜微电极的组装99-100
• 5.2.3 电流、电位检测法100
• 5.3 结果与讨论100-106
• 5.3.1 印刷金电极100-102
• 5.3.2 固接微电极102-103
• 5.3.3 液膜微电极103-106
• 5.4 结论106
• 参考文献106-107
• 第6章 基于硼酸基团修饰的AZABDPBA荧光探针的光极测定全血中的葡萄糖107-120
• 摘要107
• 6.1 前言107-108
• 6.2 实验部分108-111
• 6.2.1 实验材料和仪器108
• 6.2.2 azaBDPBA的合成108-111
• 6.2.3 葡萄糖光极的制备111
• 6.2.4 缓冲液和全血中葡萄糖的检测111
• 6.2.5 光极检测葡萄糖111
• 6.3 结果与讨论111-118
• 6.3.1 azaBDPBA的合成111-112
• 6.3.2 azaBDPBA对葡萄糖的响应112-114
• 6.3.3 azaBDPBA对全血中葡萄糖的响应114-117
• 6.3.4 基于azaBDPBA的光极对全血中葡萄糖的响应117-118
• 6.4 结论118
• 参考文献118-120
• 第7章 全文总结120-122
• 附录 表征图谱122-127
• 攻读学位期间发表与待发表论文127-128
• 致谢128-130

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1 刘sチ，

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