TiO2复合纳米材料的制备及其在电化学/光电化学生物传感器中的应用

摘要

由于极高的化学稳定性、优异的生物相容性、大比表面积、无毒、制备简便、尺寸可控等特点，TiO2纳米材料吸引了强烈的研究兴趣，并广泛用于电化学和光电化学生物传感器的构建。但由于其导电性较差、带隙较大、只能吸收紫外激发光、光生电子-空穴对易复合等缺点，大大限制了它在生物传感器领域的应用。为克服这些缺点，不同的修饰技术-包括原子掺杂、材料复合、半导体耦合等方法均被用于TiO2纳米材料的改良，进而增强生物传感器的性能。本文采用简易水热法制备出不同形貌的一维TiO2纳米材料，并将其与聚苯胺（PANI）、金纳米颗粒（AuNPs）、二硫化钼（MoS2）纳米材料进行复合，制备出不同的TiO2复合纳米材料，并将其用作电化学免疫传感器和光电化学酶传感器支架，进而负载生物分子来进行电化学检测。主要内容如下：
　　1.以TiO2纳米管-聚苯胺-金纳米颗粒复合纳米材料（TNT-PANI-AuNPs）为定向负载支架的电化学免疫传感器的构建
　　首先，以TiO2纳米颗粒为原材料，采用简易水热法合成了 TiO2纳米管（TNTs）。然后，以苯胺单体为前驱体，通过化学氧化聚合法将PANI紧密结合于TNTs表面，形成TNT-PANI复合纳米材料。最后，以HAuCl4·3H2O为原料，采用化学还原法将AuNPs沉积于TNT-PANI复合纳米材料表面，形成TNT-PANI-AuNPs三元复合纳米材料。采用不同的测试手段对这些纳米材料进行表征。以壳聚糖溶液为分散剂，将该三元复合纳米材料负载于电极表面用作电化学免疫传感器支架，以辛二酸双（3-磺基-N-羟基琥珀酰亚胺酯）钠盐（BS3）为双氨基交联剂，将蛋白G’修饰于电极表面用于定向负载包被抗体Ab1，进而组装成电化学免疫传感器，并用于定量检测分析物。以α-甲胎蛋白（AFP）为分析物模型，该免疫传感器线性范围为0.01-350ng mL-1，检测限为1.5pg mL-1。
　　2.以同时“刻蚀、掺杂、沉积”技术改性的TiO2纳米线阵列（TiNWs）为支架的电化学免疫传感器的构建
　　首先，以掺杂氟的二氧化锡导电玻璃（FTO）为基片，以钛酸丁酯为钛源，采用水热法合成了致密、整齐的TiNWs。然后，通过同时“刻蚀、掺杂、沉积”技术对其进行改性。改性后，Mo元素被有效掺杂进TiNWs，与此同时，MoS2纳米片被修饰于TiNWs表面，进而增强了其导电性和比表面积。采用不同的测试手段对该纳米材料进行表征。将经过三重改性的TiNWs用作电化学免疫传感器支架，以辛二酸双（3-磺基-N-羟基琥珀酰亚胺酯）钠盐（BS3）为双氨基交联剂，将包被抗体Ab1负载于电极表面，进而组装成电化学免疫传感器，并用于定量检测分析物。以癌胚抗原（CEA）为分析物模型，该免疫传感器线性范围为0.001-150ng mL-1，检测限为0.5pg mL-1。
　　3.以TiO2纳米棒-MoS2纳米片（TiO2-MoS2）异质结构为支架的葡萄糖氧化酶（GOx）PEC传感器的构建
　　首先，以TiCl4为钛源，采用水热法制备出圆柱形TiO2纳米棒。然后，以NaMoO4·2H2O为钼源、硫脲为硫源，以TiO2纳米棒为模板，再次通过水热法将MoS2纳米片与TiO2纳米棒复合形成TiO2-MoS2异质结构以增强其光电性能。采用不同的测试手段对这些纳米材料进行表征。将所制备TiO2-MoS2异质结构作为支架来负载GOx，进而制备出GOx PEC传感器。其中，GOx对葡萄糖的生物活性采用循环伏安法在O2饱和的PBS缓冲液中进行了验证。通过时间-电流（I-T）曲线研究了材料的光电性能，并完成了对葡萄糖的定量测定。在可见光激发下，该GOx PEC传感器线性范围为0.1-10.5mM，灵敏度为0.81μA mM-1，检测限为0.015mM。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 生物标志物概述

1.2 纳米材料概述

1.3生物传感器概述

1.4 电化学免疫传感器概述

1.5 PEC生物传感器概述

1.6 本课题的提出

参考文献

第二章 以TiO2纳米管-聚苯胺-金纳米颗粒复合纳米材料（TNT-PANI-AuNPs）为定向负载支架的电化学免疫传感器的构建

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 以同时―刻蚀、掺杂、沉积‖技术改性的TiO2纳米线阵列（TiNWs）为支架的电化学免疫传感器的构建

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 以TiO2纳米棒-MoS2纳米片（TiO2-MoS2）异质结构为支架的葡萄糖氧化酶（GOx）PEC传感器的构建

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

结束语

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