碳包镍纳米晶和碳纳米管修饰电极的制备及分析应用

摘要

近年来，新材料不断涌现，尤其是纳米材料的出现引起了各个领域科学家的关注，并开展了相应的研究。其中碳纳米管、碳包镍纳米晶等材料也同样引起了世界各个领域科学家的重视。由于碳纳米管和碳包镍纳米晶具有较大的比表面积，能有效地提高响应电流，碳纳米管表面的拓扑缺陷及其弯曲结构有助于提高电子传递速率。将这些纳米材料用于电极的修饰材料，研究一些生物物质在该纳米修饰电极上的电化学行为，可降低过电位，提高电化学反应的速率、电极的选择性、电极的灵敏度等，对于认识生物物质的氧化还原机理及制备纳米生物器件具有重要的理论和实际意义。 本文以碳包镍纳米晶和单壁碳纳米管为电极修饰材料，分别制备了碳包镍纳米晶和碳纳米管修饰电极。研究了药物小分子在碳包镍纳米晶修饰电极上的电子传递过程，建立了相应的测定方法；探讨了生物大分子在碳纳米管修饰电极上电化学氧化还原性能及电催化机理。本论文主要包括以下几个方面的内容： (1) 碳包镍纳米晶修饰电极的制备、表征及分析应用采用透射电子显微镜对碳包镍纳米晶进行了表征，其粒径约为10～50nm之间。制备了碳包镍纳米晶修饰玻碳电极(C-Ni/GCE)，研究了对乙酰氨基酚(ACOP)和马钱子碱(Brucine)在C-Ni/GCE上的电化学行为，结果表明，碳包镍纳米晶能够有效地促进了电子在ACOP和Brucine与电极之间的传递。采用循环伏安、恒电位电解等方法对ACOP和Brucine在碳包镍纳米晶修饰玻碳电极上的氧化还原机理进行研究。ACOP为扩散控制的2电子2质子的氧化还原过程，扩散系数为4.97×10<'-6> cm<'2>·s<'-1>；Brucine的氧化还原过程包括三个步骤：一个2电子的不可逆氧化过程和两个2电子2质子的可逆氧化还原过程。C-Ni/GCE对ACOP和Brucine定量测定的稳定性、重现性和选择性好，定量测定Brucine，和ACOP的检测限分别达1.4×10<'-8>mol·L<'-1>和6.0×10<'-7>mol·L<'-1>，用于实际样品的测定获得满意结果，并可用于ACOP、抗坏血酸和多巴胺的同时测定，具有较高的灵敏度。 (2)血红素蛋白质在单壁碳纳米管修饰电极上的直接电化学及分析应用利用单壁碳纳米管(SWNTs)-溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)将血红蛋白、肌红蛋白、辣根过氧化物酶三种血红素蛋白质固定在玻碳电极表面，制备了稳定的血红素蛋白质-SWNTs-CTAB膜修饰玻碳电极。紫外．可见吸收光谱和傅立叶变换红外光谱证实固定在SWNTs-CTAB膜内的血红素蛋白质保持其二级结构不变。考察了血红素蛋白质在该修饰电极上的直接电化学，发现血红素蛋白质可直接与电极之间传递电子，并且该过程为表面控制的准可逆电化学过程。采用循环伏安法和方波伏安实验数据非线性拟合的方法计算了氧化还原过程中的热力学和动力学参数。在SWNTs-CTAB膜中，血红素蛋白质对H<,2>O<,2>和NO<,2><'->表现出很高的电催化还原活性，表明血红素蛋白质在SWNTs-CTAB膜中仍然保持其生物电催化活性。初步探讨了电催化还原H<,2>O<,2>和NO<,2><'->的机理，发现催化还原峰电流与浓度在较宽的范围内成良好的线性关系，可用于H<,2>O<,2>和NO<,2><'->的定量检测。 (3) 铁蛋白在单壁碳纳米管修饰电极上的直接电化学用 SWNTs-CTAB 将铁蛋白(Ferritin)固定在玻碳电极表面，制备了Ferritin-SWNTs-CTAB修饰电极。采用循环伏安法研究了Ferritin在该修饰电极上的直接电化学，实验发现Ferritin在该电极上有很好的氧化还原峰，研究了Ferritin中铁储存和铁释放的机理：在还原扫描过程中，三价铁从蛋白质球壳中还原出来，并在氧化扫描过程中重新进入到蛋白质球壳内，循环伏安曲线上有较好的氧化还原峰，峰电流较大，响应信号较好。利用去铁铁蛋白进行对比试验，进一步证实了Ferritin在SWNTs-CTAB修饰电极上的铁储存和铁释放过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

一、绪论

1.引言

2.纳米材料研究概况

2.1纳米材料的特性

2.2纳米材料的分类

2.3纳米材料的应用研究

3.纳米材料修饰电极的研究进展

3.1碳纳米管修饰电极

3.2纳米金属及其氧化物修饰电极

3.3量子点修饰电极

3.4纳米磁性材料修饰电极

4.论文的指导思想和主要内容

参考文献

二、碳包镍纳米晶修饰电极的制备、表征及分析应用

1.引言

2.实验部分

2.1仪器与试剂

2.2碳包镍纳米晶修饰电极的制备

2.3实验方法

3.结果与讨论

3.1碳包镍纳米晶的TEM表征

3.2 ACOP在C-Ni/GCE上的电化学行为及分析应用

3.3 Brucine在C-Ni/GCE上的电化学行为及分析应用

4.结论

参考文献

三、血红素蛋白质在单壁碳纳米管修饰电极上的直接电化学及分析应用

1.引言

2.实验部分

2.1仪器与试剂

2.2血红素蛋白质-SWNTs-CTAB膜电极的制备

2.3实验方法

3.结果与讨论

3.1血红素蛋白质-SWNTs-CTAB膜电极的表征

3.2血红素蛋白质-SWNTs-CTAB膜电极的电化学行为

3.3血红素蛋白质-SWNTs-CTAB膜的催化性能及分析应用

4.结论

参考文献

四、铁蛋白在单壁碳纳米管修饰电极上的直接电化学

1.引言

2.实验部分

2.1仪器与试剂

2.2 Ferritin-SWNTs-CTAB膜电极的制备

2.3实验方法

3.结果与讨论

3.1 Ferritin-SWNTs-CTAB膜的表征

3.2 Ferritin在SWNTs-CTAB膜电极上的直接电化学行为

3.3 Ferritin在SWNTs-CTAB膜电极上储存和释放铁的机理研究

4.结论

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间已发表或待发表的学术论文：

致谢