新型固态电化学发光传感器的研究

摘要

电化学发光(Electrochemiluminescence，缩写为ECL)是将电化学方法和化学发光技术相结合的一种分析方法。ECL作为一种检测技术，它结合了电化学检测的微型、原位、可控和化学发光高灵敏性的优点，日益受到人们广泛的关注。目前，被研究的最多的电化学发光试剂包括Ru(bpy)32+、鲁米诺、半导体量子点等。本文设计合成一系列半导体纳米材料如F-SnO2、TiO2、 CdS、CdTe，由于它们的电化学发光性质与材料本身的尺寸大小和表面状态密切相关，因而通过调节纳米材料的组成、结构以及分散相等手段进行优化，合成出具有高发光强度并且稳定性也很好的发光试剂，然后进一步构建了多种灵敏度高、稳定好的新型固态电化学发光传感器。同时本论文中还研究了三联吡啶钌及其衍生物的电化学发光。对联吡啶钌Ru(bpy)32+中联吡啶基团进行修饰，引入具有电聚合性能的吡咯官能团，合成Ru(bpy)32+的吡咯衍生物。电聚合膜能很好的固定发光试剂，解决了发光试剂渗漏的问题。文中分别研究了其在草酸胺和NADH作共反应试剂情况下的电化学发光现象，并且进一步构建了电化学发光传感器对葡萄糖和乙醇进行检测。
　　本论文主要内容分为两个部分，第一部分是通过设计合成一系列半导体纳米材料，然后研究其电化学和电化学发光行为，或者进一步构建固态电化学发光传感器对葡萄糖、多巴胺等进行检测（包括第二章、第三章、第四章、第五章）。第二部分研究了联吡啶钌及其衍生物的电化学发光行为，并将其用作探针对乙醇和葡萄糖进行检测（第六章、第七章）。各章具体内容如下:
　　(1)氟掺杂氧化锡纳晶的固态电化学发光及其传感应用
　　通过循环伏安法和脉冲法对氟掺杂氧化锡纳晶在有机相和水相中的固态电化学发光现象和机理进行了研究。其发光机理是典型的湮灭反应，即氧化还原对的循环使用或者共反应试剂的参与，从而在F-SnO2纳晶表面产生氧化还原反应或还原氧化反应。基于多巴胺淬灭氟掺杂氧化锡的电化学发光，进而成功地将其用于对多巴胺的检测。线性检测范围是2×10-9M-1.5×10-6M，最低检测线是2×10-9M。
　　(2)通过电沉积金纳米粒子增强过硫酸根的电化学发光及其通过自组装的双层酶产的生物催化沉淀生物传感应用
　　金纳米粒子(Au NPs)电沉积到ITO电极上能够增强过硫酸根的电化学发光。将葡萄糖氧化酶(GOD)和辣根过氧化酶(HRP)自组装到金纳米粒子上，构建了一种检测葡萄糖的信号减弱型的生物传感器，即通过生成的生物催化沉淀淬灭电化学发光。通过扫描电镜对电聚合生成的金纳米粒子以及葡萄糖氧化酶和辣根过氧化酶修饰的金纳米粒子的表面形貌进行了表征。通过循环伏安和电化学交流阻抗谱对Au NPs/ITO，GOD/HRP/Au NPs/ITO,BCP/GOD/HRP/Au NPs/ITO的电化学行为进行了研究。把金纳米粒子增强的电化学发光与自组装的双层酶产生的生物催化沉淀结合在一起构建的生物传感器对葡萄糖有很好的响应，线性检测范围是8.0×10-7-2.0×10-2M，最低检测线是1.0×10-7M。
　　(3)基于生物催化生长的金纳米粒子对二氧化钛纳晶电化学发光的淬灭及其生物传感应用
　　研究了修饰在导电玻璃(FTO)上的不同晶型的二氧化钛纳晶在过氧化氢溶液中的电化学发光行为。无定形的二氧化钛纳米球是通过水热法一步合成的。锐钛矿型和金红石型的二氧化钛则分别是在450℃和800℃下煅烧无定形的二氧化钛得到的。通过透射电镜和电子衍射对获得的不同的二氧化钛纳晶表面形貌和晶型进行表征，进一步通过循环伏安法对其电化学及电化学发光行为进行研究。当引入金纳米粒子时能够淬灭二氧化钛的电化学发光。通过生物催化产生的过氧化氢诱导氯金酸溶液中原位生长金纳米粒子导致的发光淬灭效应，构建了一种高灵敏的葡萄糖电化学发光生物传感器。
　　(4) TiO2纳米粒子显著增强CdTe量子点的固态电化学发光研究
　　合成CdTe QDs，并首次对CdTe QDs和CdTe-QDs-TiO2复合物在过氧化氢水溶液中的电化学发光行为进行了研究。有趣的是，我们发现CdTe-QDs-TiO2复合物的电化学发光强度是单纯CdTe-QDs的几十到几百倍。我们也进一步对上述电化学发光强度明显增大的机理进行了详细的阐述，发现主要是由于电化学发光过程中碲化镉量子点和二氧化钛之间的协同作用导致的。
　　(5)固定在胶体laponite膜上的联吡啶钌增强型的固态电化学发光研究及其葡萄糖生物传感应用
　　将加入盐后的laponite悬浮液滴涂到玻碳电极上得到一种新的laponite网状薄膜（定义为laponite胶体膜），该膜用来固定联吡啶钌。最终构建的Ru(bpy)32+-Laponitel-film膜大大增强了联吡啶钌的电化学发光强度，基于上述现象进一步构建了葡萄糖生物传感器。该传感器对葡萄糖的响应很灵敏，检测的线性范围是1.0×10-6-4.0×10-3mol L-1，最低检测线是7.0×10-7 mol L-1。
　　(6)基于联吡啶钌-吡咯电聚合膜/乙醇脱氢酶/粘土复合物的固态电化学发光乙醇生物传感器
　　基于联吡啶钌-吡咯衍生物的导电聚合物膜固态电化学发光的研究，构建了一种新的乙醇生物传感器，通过把乙醇脱氢酶和laponite的混合物滴涂到电聚合物膜上。带负电荷的生物复合物和带正电荷的聚吡咯-联吡啶钌聚合物膜之间的静电作用使得该生物传感器有很好的稳定性。通过扫描电镜对Laponite-乙醇脱氢酶的复合物的表面形貌加以表征。通过循环伏安法对Laponite-乙醇脱氢酶的复合物修饰的导电聚合物膜的电化学和电化学发光行为进行了研究。我们也对电化学发光传感器性能的影响因素如酶的固载量以及pH值进行了优化。最终的电化学发光生物传感器对乙醇的检测有很好的响应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电化学发光概述

1．1．1 电化学发光原理

1．1．2 电化学发光体系及研究进展

1．1．3 电化学发光的特点

1．2 纳米半导体材料及其电化学发光

1．2．1 半导体纳米材料的特征

1．2．2 半导体纳米材料的制备方法

1．2．3 纳米半导体材料的发光原理

1．2．4 半导体纳米材料的电化学发光

1．3 联吡啶钌及其衍生物的固态电化学发光

1．3．1 联吡啶钌及其衍生物的固态电化学发光机理

1．3．2 联吡啶钌及其衍生物的固定技术

1．3．3 三联吡啶钌类电化学发光的应用

1．4 生物传感器技术

1．4．1 生物传感器的原理

1．4．2 生物传感器的分类及特点

1．4．3 生物传感器的应用

1．4．4 生物传感器的发展前景

1．4．5 电化学发光生物传感器

1．5 本论文选题背景与意义

参考文献

第二章 氟掺杂氧化锡纳晶固态电化学发光及其传感器的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 仪器

2．3 结果和讨论

2．3．1 FTO在有机相中的电化学和电化学发光行为的研究

2．3．2 FTO在水相中的电化学和电化学发光行为的研究

2．3．3 通过FTO在水相中电化学发光对多巴胺进行检测

2．4 结论

参考文献

第三章 通过电沉积金纳米粒子增强过硫酸根的电化学发光及其基于自组装双层酶产生生物催化沉淀的生物传感应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 仪器

3．2．3 构建电化学发光生物传感器

3．2．4 电化学发光生物传感器的分析过程

3．3 结果和讨论

3．3．1 修饰电极的电化学发光行为

3．3．2 构建的生物传感器的表征

3．3．3 实验条件的优化

3．3．4 葡萄糖生物传感器性能的研究

3．4 结论

参考文献

第四章 基于生物催化生长的金纳米粒子对二氧化钛纳晶电化学发光的淬灭及其生物传感应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂

4．2．2 仪器

4．2．3 合成不同晶型的二氧化钛纳米粒子

4．2．4 二氧化钛修饰FTO电极

4．3 结果和讨论

4．3．1 二氧化钛的形貌和晶型的表征以及它们电化学发光行为的研究

4．3．2 金纳米粒子对电化学发光的淬灭

4．3．3 葡萄糖的检测

4．4 结论

参考文献

第五章 TiO2纳米粒子显著增强CdTe量子点的固态电化学发光研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂

5．2．2 仪器

5．2．3 合成碲化镉量子点和二氧化钛球形粒子

5．2．4 二氧化钛固定到碲化镉上

5．2．5 电极的制备

5．3 结果和讨论

5．3．1 合成的CdTe-QDs和球形TiO2以及CdTe-QDs-TiO2、CdTe-QDs-P25的表征

5．3．2 CdTe-QDs、CdTe-QDs-TiO2和CdTe-QDs-P25的电化学和电化学发光行为

5．4 结论

参考文献

第六章 固定在胶体laponite膜上的三联吡啶合钌增强型固态电化学发光研究及其葡萄糖生物传感应用

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 试剂

6．2．2 仪器

6．2．3 电极的制备过程

6．3 结果和讨论

6．3．1 Ru(bpy)32+-Laponitenormal-film／GCE和Ru(bpy)32+-Laponitegel-film／GCE两种修饰电极的电化学和电化学发光行为

6．3．2 Laponitenormal-film和Laponitegel-film两种膜的形貌表征和渗透率的测定

6．3．3 葡萄糖浓度的测定

6．4 结论

参考文献

第七章 基于联吡啶钌-吡咯电聚合膜／乙醇脱氢酶／粘土复合物的固态电化学发光乙醇生物传感器

7．1 前言

7．2 实验部分

7．2．1 试剂

7．2．2 仪器

7．2．3 修饰电极的制备

7．3 结果和讨论

7．3．1 对polyRu(L)3聚合物膜电化学和电化学发光行为的研究

7．3．2 NADH作为共反应试剂情况下对polyRu(L)3／Pt电极的电化学和电化学发光行为进行了研究

7．3．2 构建乙醇电化学发光生物传感器

7．3．3 实验条件的优化

7．3．4 laponite-ADH／polyRu(L)3／Pt电化学发光生物传感器对乙醇的检测

7．4 结论

参考文献

第八章 总结与展望

8．1 研究总结

8．2 研究展望

攻读博士学位期间论文发表情况

致谢