负载铂基双金属催化剂的柔性三维多孔金/石墨烯纸电极的构筑及其葡萄糖传感性能研究

摘要

糖尿病是一种由胰岛素分泌不足所致的代谢性疾病，其典型特征为高血糖。随其发病率的快速增长，血糖即时快速检测技术愈显重要。电化学传感器由于响应快、灵敏度高、重现性与稳定性好、选择性好、易于操作和实现自动化连续检测等优点在分析化学和临床医学领域具有广泛的应用前景。与常用的基于葡萄糖氧化酶的传感器相比，基于金属铂电极的无酶型葡萄糖传感器具有稳定性高、抗干扰能力强、制备方法简单、价格低廉等优点，尽管如此，葡萄糖在铂电极表面的氧化过程是由动力学控制的慢反应，这是阻碍无酶葡萄糖传感器实用化的一个关键因素，因而通过研究基于新型电催化剂来提高对于葡萄糖的催化性能受到越来越多的关注。近年来，随着纳米技术的不断创新，各种新型功能纳米材料不断被研发出来，纳米材料由于具有生物相容性强、催化活性高、比表面积大和体积小等特点，故而显现出独特的电子、光学、磁学、力学和催化特性，尤其是铂基双金属纳米材料，对于葡萄糖的电化学氧化过程具有较高的催化活性和抗毒化能力，以铂金双金属纳米材料构建新型无酶型电化学葡萄糖传感器，能显著提高传感器的灵敏度和选择性等关键性能指标。如何通过各种高效的策略进一步增强铂基双金属纳米材料催化活性，并提高葡萄糖传感器的实用性，是近年来的研究热点。
　　在本文中，以纳米多孔金膜（Nanoporous gold，NPG）和石墨烯纸（Graphene paper，GP）为载体负载铂基双金属合金纳米粒子分别构建了两种铂基PtPd/NPG@GP和PtCo@NPG/GP柔性纸电极，用于葡萄糖的直接电催化和传感性能研究。主要研究内容如下：
　　（1）我们利用Au-Ag去合金法制备了具有高孔隙率和高比表面积的NPG，通过简单的一步化学还原法将铂钯（PtPd）双贵金属合金纳米粒子负载在NPG上制备修饰PtPd合金的NPG复合薄膜（PtPd/NPG），进一步将制得的PtPd/NPG复合薄膜转移到柔性GP电极表面，制得了新型的负载PtPd/NPG的柔性GP电极。SE）和TEM表征表明PtPd/NPG@GP保留了其纳米多孔金骨架结构，而且为铂钯纳米粒子的生长提供了较大的表面积和较多的成核位点。电化学测试结果表明制得的纳米复合纸电极具有良好的柔性和一定的机械强度，其催化活性几乎不受弯曲诱导的机械应力的影响。基于柔性复合纸电极构建的葡萄糖传感器灵敏度高达39.05μA·cm-2·mM-1，检测限为50μM，线性范围为0.1-20 mM，选择性强，对抗坏血酸和尿酸等与葡萄糖在生理体系里共存的电化学物质具有很强的抗干扰性。
　　（2）基于上一章的研究，我们又运用循环伏安电沉积法把具有高催化活性的铂钴合金（PtCo）阵列沉积在多孔金-石墨烯纸复合膜（NPG/GP）上，制备了PtCo@NPG/GP纳米复合柔性纸电极。SEM和XPS等多种表征手段表明采用该方法能实现PtCo纳米合金粒子在三维多孔结构的纳米多孔金表面均匀的高负载，为葡萄糖的催化提供了大量活性位点，加速了电子在电极和介质溶液间的传输。电化学测试表明由于NPG/GP基体电极与PtCo合金纳米粒子间的协同效应，PtCo/NPG/GP纳米复合物电极与应用相同方法制备的Pt@NPG/GP和NPG/GP电极相比具有更高的电催化性能。在最佳条件下，该传感器对葡萄糖的检测范围为35μM-30 mM，检测限为5μM，检测灵敏度为7.84μA·cm-2·mM-1。将该传感器应用于实际血液样品的分析，加标回收率为95.2％-103.6%，相对标准偏差为1.56%-3.80%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 葡萄糖生物传感器

1.3 葡萄糖传感器的发展历程

1.4 纳米材料概述及其在电化学葡萄糖传感器中的应用

1.5多孔金简介及其在葡萄糖传感中的应用

1.6 本文的选题背景与研究内容

第二章 基于铂/贵金属PtPd/NPG@GP柔性电极的制备及其葡萄糖传感性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第三章 基于铂/非贵金属PtCo@NPG/GP柔性电极的构筑及其在血糖检测中的应用研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

致谢

参考文献