碳纳米管及石墨烯在电化学生物传感器中的应用
目录
第一章文献综述 (1)
1.1 研究意义 (1)
1.2 分析物的检测方法 (2)
1.2.1 分光光度法 (2)
1.2.2 化学发光法 (2)
1.2.3 荧光光度法 (2)
1.2.4 电化学分析法 (3)
1.3 电化学生物传感器的原理 (3)
1.4 碳纳米管及石墨烯材料简介 (4)
1.4.1 碳纳米管 (4)
1.4.2 石墨烯 (5)
1.5 碳纳米管、石墨烯基复合材料在电化学传感器中的应用 (7)
1.5.1 金、二氧化钛及碳纳米管在电化学传感器方面的应用 (7)
1.5.2 石墨烯基纳米复合材料在电化学生物传感器方面的应用 (8)
1.6 本文的主要研究内容 (8)
第二章传感器电极的制备及表征 (10)
2.1 试剂与仪器 (10)
2.1.1 主要试剂 (10)
2.1.2 实验仪器 (11)
2.2 金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合修饰电极的制备 (12)
2.2.1 金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合物的制备 (12)
2.2.2 金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极的制备 (12)
2.3 金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合物的表征及分析 (13)
2.3.1 不同电极对比和金/二氧化钛/碳纳米管的SEM分析 (13)
2.3.2 金/二氧化钛/碳纳米管的TEM、EDX分析 (15)
2.3.3 金/二氧化钛/碳纳米管的Raman分析 (15)
2.4 金/石墨烯管电极的制备 (16)
2.4.1 热丝CVD法制备石墨烯管 (16)
2.4.2 多电势阶跃法制备金/石墨烯管 (17)
2.5 金/石墨烯管电极的形态及结构分析 (18)
2.5.1 金/石墨烯管电极的SEM、TEM及EDX分析 (18)
2.5.2 石墨烯管的Raman和金/石墨烯管电极的XRD分析 (19)
2.5.3 金/石墨烯管电极的FT-IR分析 (20)
2.6 小结 (21)
第三章基于金/二氧化钛/碳纳米管修饰电极构造电化学生物传感器 (22)
3.1 金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极的电化学性能测试及分析 (22)
3.1.1 不同电极的EIS对比分析 (22)
3.2 金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极的传感性能 (23)
3.2.1 不同pH值对同时检测五种物质的影响 (23)
3.2.2 验证传感电极对五种物质的响应特征 (24)
3.2.3 五种物质的选择性检测 (25)
3.2.4 五种物质的同时检测 (27)
3.2.5 金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极的抗干扰性能 (29)
3.2.6 金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极的稳定性和重现性 (30)
3.2.7 传感试纸的开发 (31)
3.3 小结 (32)
第四章基于金/石墨烯管电极构造电化学生物传感器 (33)
4.1 金/石墨烯管电极的电化学性能测试及分析 (33)
4.1.1 电极的电化学性能对比 (33)
4.1.2 金/石墨烯管电极的电荷转移动力学分析 (34)
4.1.3 五种物质扫速变化及检测动力学分析 (35)
4.2 金/石墨烯管电极的传感性能测试及分析 (37)
4.2.1 不同pH值下同时检测五种物质的研究 (37)
4.2.2 验证传感电极对五种物质的响应特征 (38)
4.2.3 五种物质的同时检测 (39)
4.2.4 金/石墨烯管电极的抗干扰性能 (41)
4.2.5 金/石墨烯管电极的稳定性 (43)
4.3 小结 (44)
第五章结论 (45)
参考文献 (46)
发表论文和科研情况说明 (52)
致谢 (53)
第一章文献综述
第一章文献综述
1.1 研究意义
抗坏血酸（AA）是人类饮食中的一种重要维生素，是一种非常重要的抗氧化剂，它被广泛应用于治疗坏血病、腹泻和癌症[1]。多巴胺（DA）是一种神经传导物质，用于帮助传送脉冲的化学物质，在中枢神经、心血管、肾脏和内分泌系统的功能以及药物成瘾和帕金森氏病[2]中起着至关重要的作用。尿酸（UA）是人体血液和尿液中的另一个重要的生物分子；尿酸浓度异常可引起高尿酸血症、痛风和自毁容貌病[3-4]。L型-色氨酸（L-Trp）是人体中二十种必需氨基酸之一，是蛋白质合成的一个重要组成部分，L型-色氨酸不能被人体直接合成[3]。亚硝酸盐（NaNO2）已被广泛地应用在食品和环境系统中，作为食品保鲜剂和施肥剂；但是人类摄入过量的亚硝酸盐会致癌，文献表明摄入亚硝酸盐致命剂量[5]为8.7～28.3 μM。AA、DA、UA、Trp和NO2-通常共存于人体体液中，因此，同步检测AA、DA、UA、Trp和NO2-不仅对研究其生理功能而且对疾病的诊断[6]是很重要的。脱氧核糖核酸（DNA）是一种非常重要的生物大分子，DNA的组成其中包括鸟嘌呤（GUA）和腺嘌呤（ADE），鸟嘌呤和腺嘌呤在遗传信息存储和在生物系统中合成蛋白质生物起着重要的作用[7]。在许多关键领域中特定序列DNA的检测是必不可少的，包括基因表达分析、生物筛选、遗传疾病的诊断和生命科学[8-9]。AA、DA、UA、GUA和ADE是人类代谢[10]生理过程中关键的生物分子，应用于保健、临床诊断和生物分析等中，由此在体液中同步检测AA、DA、UA、GUA和ADE是非常重要的。
由于电化学技术具有成本低、响应速度快及灵敏度高的优势，测定AA、DA、UA、Trp和NO2-这五种分析物的电化学技术[11]已经吸引了人们相当大的兴趣。对于DA、UA 和Trp，它们具有相似的化学结构和性质；此外，对于同步测定它们的一个主要问题是：AA、DA、Trp和NO2-有非常相似的氧化电位，分别导致较差的选择性和重现性。为了解决这些问题，各种材料已被用来修饰电极。目前，采用电化学技术实现了AA、DA 和UA[12]，UA和Trp[13]，DA、UA和NO2-[14]，AA、DA、UA和Trp[15]，AA、DA、UA 和NO2-[16]的同时测定，还没有实现对全部五种物质的同时测定。
要成功分离AA、DA、UA、Trp和NO2-这五种物质，敏感膜材料必须具有很强的电催化活性、优异的生物相容性和良好的导电性。贵金属纳米粒子可作为电子存储和运输单位，像铜、金和银金属经常被用来作为电子陷阱，以提高反应速率和抑制电子空穴对复合[17]。金纳米粒子具有比表面积大，化学稳定性及生物相容性好且电催化活性高的特点。纳米二氧化钛具有无毒、催化活性高、氧化能力强、生物相容性好、热稳定性高等[18-19]许多优点，所以应用于电化学生物传感器中。文献中已经证明利用金纳米粒子修饰金属氧化物催化剂后，可以提高其导电性且催化许多氧化反应[20]，例如二氧化钛；并且与碳纳米管复合后也可以提高金属氧化物的导电性[21]。金纳米粒子修饰碳纳米管后，不仅增强检测AA、DA和UA时的电催化性能，更具有高导电性和优良的生物相容性[22]。