碳纳米管的功能化及其电化学传感特性研究

摘要

电化学生物传感器是用来识别和定量分析生物体的一种测量技术，目前在电分析化学等前沿领域应用较多，电化学生物传感器因其制造简单、价格低廉、灵敏度高、选择性好等优点，已被广泛研究并逐步应用于环境检测、临床医学、食品工业等领域。
　　 随着纳米科技的不断进步，纳米材料在催化、生物医学、微电子、能源等领域已被广泛应用。如碳纳米管，纳米二氧化钛、纳米金等纳米材料用于电化学传感领域，可以提高化学催化活性，加快反应速度，改善传感器对生物分子的响应。
　　 本文以Ni/MgO作为催化剂，采用射频等离子体增强化学气相沉积法制备了碳纳米管。将浓硝酸和浓硫酸按一定的体积比混合，并以液相氧化法对碳纳米管进行功能化，利用SEM、TEM、XRD、Raman以及FTIR手段研究了处理时间对碳纳米管形貌及结构的影响。结果表明，RF-PECVD法制备的碳纳米管杂质较多，但随着纯化时间的增加，杂质含量逐渐减少，碳纳米管的纯度逐渐提高，当纯化时间达到4小时后基本看不到杂质。同时还发现碳纳米管经混酸处理后表面引入了羧基等功能基团，随着纯化时间的增加，其含量也逐渐增加，这对于碳纳米管在生物传感器等领域中的应用具有重要意义。
　　 为了更进一步研究碳纳米管的性能，本文采用离子溅射法在多壁碳纳米管上负载金纳米颗粒，利用壳聚糖溶液分散了纳米二氧化钛(nano-TiO2)和负载金的碳纳米管(Au-CNTs)，交联后将其滴涂于玻碳电极(GCE)上，构建了TiO2/Au-CNTs/CS/GCE电化学传感器。利用SEM、XRD、FTIR和TEM表征了TiO2/Au-CNTs/CS复合物的形貌与结构，整体上显示出以Au/CNTs为网络、TiO2为中心的网状结构，并采用电化学测量技术研究了电极的组装过程。
　　 首先用循环伏安法和电流-时间法分析了TiO2/Au-CNTs/CS/GCE对抗坏血酸的电催化行为，结果表明，nano-TiO2、nano-Au及CNTs具有协同效应，从而增强了电催化信号。检测抗坏血酸时，反应位点多、电子转移数目达到饱和，线性范围宽为1×10-7mol·L-1～1×10-2mol·L-1，具有高的灵敏度和低的检出限，分别为79.16mA·cm-2·(mol·L-1)-1及1×10-7mol·L-1(S/N=3)，且具有良好的稳定性、抗干扰性和潜在的商用价值。
　　 其次分析了TiO2/Au-CNTs/CS/GCE对对苯二酚和邻苯二酚的电催化行为，结果表明，nano-TiO2、nano-Au及CNTs三者充分发挥了各自优势，且具有协同效应，当检测对苯二酚时，其具有高的灵敏度和低的检出限，分别为997617μA·(mol·L-1)-1及1×10-10mol·L-1(S/N=3)。检测邻苯二酚时，灵敏度和检出限分别为883.164μA·(mol·L-1)-1及7.5×10-6mol·L-1(S/N=3)。这说明TiO2/Au-CNTs/CS/GCE电化学传感器在生命体及环境监测等领域都具有实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电化学生物传感器的研究

1．1．1 电化学生物传感器的工作原理

1．1．2 电化学生物传感器的分类

1．1．3 电化学生物传感器的应用

1．2 碳纳米管的制备、功能化及应用

1．2．1 碳纳米管的结构

1．2．2 碳纳米管的性质

1．2．3 碳纳米管的制备方法

1．2．4 碳纳米管的纯化及功能化

1．2．5 碳纳米管在电化学生物传感器方面的应用

1．3 纳米二氧化钛的性质及应用

1．4 纳米贵金属的性质及应用

1．5 本文的选题及主要研究内容

第二章 碳纳米管的制备及功能化研究

2．1 RF-PECVD法制备碳纳米管

2．1．1 碳纳米管的制备工艺

2．1．2 碳纳米管的表征

2．2 直流等离子喷射化学气相沉积法制备碳纳米管

2．2．1 碳纳米管的制备工艺

2．2．2 碳纳米管的表征

2．3 碳纳米管的功能化

2．3．1 碳纳米管的共价功能化

2．3．2 功能化前后碳纳米管的表征

2．4 本章小结

第三章 基于TiO2／Au-CNTs／壳聚糖纳米复合膜制备电化学生物传感器

3．1 实验部分

3．1．1 实验器材

3．1．2 电化学生物传感器的制备

3．1．3 检测方法

3．2 TiO2／Au／CNTs纳米复合物的表征

3．2．1 TiO2／CNTs纳米复合物的表征

3．2．2 负载纳米金前后碳纳米管的表征

3．2．3 TiO2／Au／CNTs纳米复合材料的表征

3．3 不同修饰电极的电化学表征

3．4 铁氰化钾在TiO2／Au-CNTs／CS／GCE上的循环伏安特性

3．5 Nano-TiO2、nano-Au及CNTs的协同效应

3．6 本章小结

第四章 TiO2／Au-CNTs／CS／GCE电化学生物传感器的应用

4．1 TiO2／Au-CNTS／CS／GCE对抗坏血酸的电化学特性分析

4．1．1 抗坏血酸在TiO2／Au-CNTs／CS／GCE上的循环伏安特性

4．1．2 扫描速度与电流的关系

4．1．3 电化学生物传感器的响应特性

4．1．4 干扰试验

4．2 TiO2／Au-CNTs／CS／GCE对对苯二酚的电化学特性分析

4．2．1 对苯二酚在TiO2／Au-CNTs／CS／GCE上的循环伏安特性

4．2．2 扫描速度与电流的关系

4．2．3 电化学生物传感器的响应特性

4．2．4 电化学生物传感器的重复性和稳定性

4．3 TiO2／Au-CNTs／CS／GCE对邻苯二酚的电化学特性分析

4．3．1 邻苯二酚在TiO2／Au-CNTs／CS／GCE上的循环伏安特性

4．3．2 扫描速度与电流的关系

4．3．3 电化学生物传感器的响应特性

4．3．4 电化学生物传感器的重复性和稳定性

4．4 本章小结

第五章 本文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢