基于TiO2纳米复合材料的光电化学传感性能研究

摘要

光电化学（PEC）传感是近年来迅速发展的一种新型分析检测技术，结合了光学分析和电化学分析的优势，具有灵敏度高、分析速度快、设备简便等优点。相关报道已体现出该方法在临床诊断、环境监测以及食品安全等领域潜在的应用价值。本论文制备了一系列TiO2纳米复合材料，根据不同的传感机制构建了三种传感体系，以谷胱甘肽和凝血酶为检测对象考察了它们的检测性能。研究工作如下： （1）采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列（TiO2NTAs），用硫化铋对其进行敏化，得到Bi2S3/TiO2NTAs纳米复合材料，通过紫外-可见光谱（UV-vis），扫描电子显微镜（SEM）以及X射线能谱分析（XPS）对该纳米复合材料进行表征。由于谷胱甘肽（GSH）可作为电子给体增强光电流，因此将该纳米复合材料作为光电化学传感器直接用于谷胱甘肽的检测，在0.65V偏压，400-700nm光的照射下，该传感器对GSH检测的线性范围为1.5×10-5-2.0×10-4mol L-1，检测限达到7.0×10-6mol L-1（S/N=3）。并将该方法成功应用于实际样品中GSH的测定。 （2）采用连续离子层吸附反应（SILAR）方法，用Mn2+掺杂CdS敏化TiO2/ITO，得到CdS∶Mn/TiO2/ITO。在凝血酶的存在下，金纳米粒子标记的S2（Au NPs-S2）能被特异性识别并固载于电极表面形成夹心式光电适体传感器。由于Au NPs的吸收光谱和CdS:Mn/TiO2的发射光谱具有重叠，所以Au NPs与CdS∶Mn/TiO2之间可发生能量转移（ET）效应从而导致光电流猝灭。光电流猝灭的程度和凝血酶浓度之间呈线性关系，在优化的实验条件下，其线性范围为0.1pmol L-1-8.0nmol L-1，检测限达到30fmol L-1（S/N=3）。将建立的PEC生物传感器应用于实际样品的分析，分析结果显示该传感器对凝血酶的检测具有较高的选择性和良好的稳定性。该分析策略为蛋白质的分析检测提供了新的研究思路。 （3）采用水热法制备刺球状TiO2（b-TiO2），用铜铟硫量子点（CuInS2QDs）进行敏化得到CuInS2/b-TiO2/ITO电极。以Au-rGO-CuS作为信标分子修饰凝血酶适配体S2，构建针对凝血酶的夹心型PEC适配体传感器。由于Au-rGO-CuS对电子给体AA和激发光的竞争消耗作用，可实现对光电流的有效猝灭。随着凝血酶浓度的增加，光电流猝灭的程度增大，在优化的实验条件下，凝血酶的线性范围为0.1pmol L-1-10.0nmol L-1，检测限达到30fmol L-1（S/N=3）。该方法被成功地应用于实际样品的分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光电化学生物传感器

1.1.1简介

1.1.2 光电化学生物传感器基本原理

1.2 光电化学生物传感策略

1.2.1 分析物直接作为电子给体/受体的策略

1.2.2 位阻效应传感策略

1.2.3原位生成电子供体/受体策略

1.2.4引入/释放光电活性物质的传感策略

1.2.5基于激子-等离子体激元相互作用的策略

1.3 二氧化钛在生物传感器中的应用

1.3.1简介

1.3.2 二氧化钛的改进以及在光电化学生物传感器中的应用

1.4 PEC生物传感器的发展趋势

1.5研究思路和内容

参考文献

第二章 Bi2S3/TiO2 NTAs 光电极的制备及其对谷胱甘肽的光电化学检测

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器和试剂

2.2.2 阳极氧化反应装置

2.2.3 TiO2 NTAs的制备

2.2.4 Bi2S3/TiO2 NTAs的制备

2.2.5分析步骤

2.2.6实际样制备

2.3 结果与讨论

2.3.1材料的表征

2.3.2电化学传感与响应

2.3.3 PEC行为研究

2.3.4 PEC传感机理探讨

2.3.5 检测谷胱甘肽

2.3.6传感器重现性、稳定

2.3.7实际样品的检测

2.4 本章小结

参考文献

第三章 基于能量共振转移构建的 PEC 适体传感器用于凝血酶的检测

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 仪器和试剂

3.2.2Au NPs的制备

3.2.3Au NPs-S2的制备

3.2.4工作电极的制备

3.2.5传感器的制备

3.2.6分析过程

3.3 结果与讨论

3.3.1 材料的表征

3.3.2 PEC生物传感器的表征

3.3.3 传感器制备过程中的PEC响应及相应的机理探讨

3.3.4实验条件的优化

3.3.5检测性能

3.3.6传感器的稳定性、

3.3.7实际样品分析

3.3 本章小结

参考文献

第四章 基于Au-rGO-CuS纳米信标和CuInS2/b-TiO2的PEC适体传感器对凝血酶的检测

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1仪器和试剂

4.2.2毛刺状TiO2的制备

4.2.3 CuInS2 QDs的制备

4.2.4制备rGO-CuS，Au-rGO-CuS和S2@Au-GO-CuS复合物

4.2.5工作电极的制备

4.2.6传感器的制备

4.2.7分析过程

4.3 结果与讨论

4.3.1 b-TiO2、CuInS2QDs和CuInS2/b-TiO2的表征

4.3.2 GO，rGO-Au，rGO-CuS和Au-rGO-CuS的表征

4.3.3 PEC适配体传感器的响应机理探讨

4.3.4 PEC生物传感器的表征

4.3.5实验条件的优化

4.3.6检测性能

4.3.7传感器的稳定性、重现性和选择性研究

4.3.8实际样品分析

4.4本章小结

参考文献

第五章 结论

附录

致谢