电纺氨基/巯基化有机硅凝胶纤维修饰电极及其电化学传感

摘要

近年来，电纺纳米纤维材料由于具有高比表面积和多孔结构等特点而成功的应用到电化学传感领域。静电纺丝前驱液中一般需要添加高分子聚合物以改善其可纺性，但多数聚合物具有较差的导电性，从而限制了其在电化学传感领域的应用。
　　本文主要以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)溶胶为静电纺丝前驱液，利用静电纺丝技术成功制备了多种有机硅凝胶纤维修饰电极，结合原位沉积金纳米粒子技术以改善纤维的导电性，并应用于水体中痕量重金属（如镉和铜）离子及小分子有机物（如水合肼）的高灵敏检测。主要研究内容和结论如下：
　　1、以高分子聚合物PVP为成纤基质，与APTES溶胶混合制备纺丝前驱液，利用静电纺丝技术制备含有氨基的有机硅凝胶纤维（AOF），并将其修饰在有MPTS单分子膜的金电极表面,从而制得富含氨基的有机硅凝胶纤维修饰电极(AOF/MPTS/AuE)。实验中研究了静电纺丝参数对AOF形貌的影响。在15 kV、15 cm、0.8 mL/h的条件下，可制得较均匀、稳定的纤维丝。运用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)对纤维形貌、结构进行表征。由于电极表面富含氨基官能团及修饰的纤维具有三维立体网络结构，采用溶出伏安法证明了该修饰电极对水中Cu（Ⅱ）离子具有高灵敏的溶出伏安响应，在优化条件下，Cu（Ⅱ）离子的溶出峰电流与其浓度在7.8×10-12~1.5×10-9 mol/L和1.5×10-9~7.8×10-8 mol/L范围内呈现良好的线性关系，检测限为2.6×10-12 mol/L(S/N>3)，并将其成功应用于实际水样的测定。
　　2、以高分子聚合物PVP为成纤基质，与MPTS和APTES溶胶混合，在最优纺丝条件下（15 kV、12 cm、0.6 mL/h），利用静电纺丝技术制备富含巯基-氨基的复合有机硅凝胶纤维（ATOF），并采用原位沉积法在纤维表面沉积金纳米颗粒，进一步制得包含金纳米颗粒的巯基/氨基功能化复合有机硅凝胶纤维修饰电极（Aunano-ATOF/AuE），该修饰电极对重金属Cd（Ⅱ）离子和Cu（Ⅱ）离子有很好的电化学响应。SEM的结果表明实验中制备了连续性好且均匀的纤维，FTIR证明了富含氨基和巯基的有机硅凝胶纤维的形成，TEM和X射线光电子能谱（XPS)证明了极细金纳米粒子在纤维表面的成功沉积，粒子分散均匀，平均粒径为2.5 nm。由于纤维膜中同时含有巯基和氨基这两种官能团，采用溶出伏安法研究了该电极对Cd（Ⅱ）离子和Cu（Ⅱ）离子的同时检测的可行性。在优化条件下，其溶出峰电流与其浓度分别在8.9×10-9~7.1×10-7 mol/L和4.0×10-10~1.1×10-8 mol/L范围内呈现良好线性关系。
　　3、以高分子聚合物PVP为成纤基质，与MPTS溶胶混合，在优化纺丝条件下（15 kV、13 cm、0.5 mL/h），利用静电纺丝技术制备含有巯基的有机硅凝胶纤维（TOF）。由于Au-S键的共价键合，TOF能够在金电极表面稳定固着，有机硅凝胶纤维经过乙醇浸泡可去除大部分的PVP，从而形成具有多孔网络结构的巯基有机硅凝胶纤维（PTOF），经过金纳米颗粒的沉积，得到富含金纳米粒子的多孔有机硅凝胶纤维修饰电极(Aunano-PTOF/AuE)，运用SEM和FTIR技术对纤维的形貌和结构进行表征，证明了多孔纤维膜的形成，采用TEM和XPS技术表明金纳米粒子成功沉积在纤维表面。循环伏安实验结果证明了PVP的去除和纳米粒子的沉积大大改善了纤维的导电性及比表面积。该修饰电极还可应用于水体中水合肼的检测，在0.5～50μmol/L和50μmol/L~3mmol/L的水合肼浓度范围内，溶出峰电流和浓度呈良好的线性关系，检测限为0.1μmol/L。

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第一章 绪论

1.1 有机硅纳米材料应用于修饰电极的研究与进展

1.2 静电纺技术制备纳米纤维方面的研究与进展

1.3 静电纺技术在电化学传感领域的研究与进展

1.4 贵金属纳米材料在电化学传感领域的应用

1.5 选题依据及主要研究内容

第二章 电纺氨基有机硅凝胶纤维（AOF）修饰电极及用于

2.1前言

2.2实验部分

2.3 静电纺AOF的表征

2.4静电纺AOF/MPTS/AuE的电化学行为

2.5静电纺AOF/MPTS/AuE对Cu（Ⅱ）离子的测定

2.6本章小结

第三章 电纺氨基/巯基复合有机硅凝胶纤维（ATOF）修饰电极及用于Cd（Ⅱ）离子和Cu（Ⅱ）离子同时测定的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 静电纺ATOF的表征

3.4 金纳米-氨基/巯基化复合有机硅凝胶纤维修饰电极(Aunano-ATOF/AuE)的电化学行为

3.5 金纳米-氨基/巯基化复合有机硅凝胶纤维修饰电极（Aunano-ATOF/AuE）对Cd（II）离子和Cu（II）离子的测定

3.6 本章小结

第四章 电纺巯基有机硅凝胶纤维（TOF）修饰电极及用于水合肼测定的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 静电纺TOF的表征

4.4 静电纺金纳米-巯基多孔有机硅凝胶纤维(Aunano-PTOF/AuE)的电化学行为

4.5 静电纺金纳米-巯基多孔有机硅凝胶纤维(Aunano-PTOF/AuE) 修饰电极对水合肼的测定

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间关于课题取得的研究成果

致谢