新型碳纳米材料在生物传感器中的应用

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密级新型碳纳米材料在生物传感器中的应用研究生姓名贺泊指导教师姓名、职称袁至堡副教援单位地址逝江娅菹太堂化堂皇生佥型堂堂院申请学位级别亟±专业盆板化堂论文提交时间2Q13=．5．15答辩委员会主席一论文评阅人一2013年5月15日 DissertationforMasterNewtypeofcarbonnanomaterialsanditsapplicationinCandidate：BoHebiosensorsSupervisor：JunHuaYuanDiscipline：AnalyticalChemistryCollegeofChemistry&LifeScienceZhejiangKeyLaboratoryforAnalyticalElectrochemistryZhejiangNormalUniversity，Jinhua321004，Zhejiang 新型碳纳米材料在生物传感器中的应用摘要纳米材料被称为当代重要材料，而碳纳米材料作为新型纳米材料因其本身具有的潜在优越性，在物理学、化学及材料学方面具有广范的应用前景，成为全球科研人员争相注目的焦点材料。目前，经过全球科学家的大量、有效、充分的研究，已经发现了多种合成碳纳米材料的方法，例如可以大规模投入合成的石墨电弧放电的方法、激光蒸发法以及化学气相沉积法(催化裂解法)等，制备出的材料特性存在很大差异，有无定形碳、碳纳米颗粒、碳纳米球、碳纳米管粒子和碳纳米管及催化剂粒子等，其中具有螺旋网状、管状结构的碳纳米管性能最为突出，其质轻、结构近六边形的完美一维，附加其本身所具有的电磁学、化学和奇特力学性能，利用纳米材料本身的小尺寸效应、自组装和量子表面效应，与其他功能材料复合，广泛应用于纳米储氢的材料、场发射电子源中使用的微小电子器件(例如纳米线、纳米级的电子开关、记忆型小元件、纳米棍棒等)、超级大容量的双电层电容使用材料、微型的零件(LL如微小齿轮、活塞、分子线圈、泵)、隐形飞机上的雷达吸收波材料、非线性的光学材料、光传导材料、软铁磁性的材料与分子载体以及生物传感材料等。而碳基复合材料也是一种新型的碳纳米材料，特别是具有壳核结构的碳包覆纳米复合材料，它既保留了基体的特性，又具有分散相的特性，是一种理想的多功能材料，广泛应用于催化、储氢以及医学领域。生物传感器具有方便携带，成本低，易操作等优点，是一种以酶、脂质体、细菌、酵母、抗体／抗原、类脂质体等生物分子为分子识别元件构造出来的分析装置，基于这些特点，寻找优异的生物传感器材料制成简便实用的生物传感器成为近年来科学研究领域的热点。结合前人的报道，本论文主要做了以下三方面的工作：(1)通过水热还原法一步合成了Ptlr／MWCNT复合材料，并制成葡萄糖传感器。比较了合成的Ptlr／MWCNT复合材料与Pt／MWCNT复合材料对葡萄糖氧化的电化学行为。·通过TEM，EDS等对其进行了表征，表征的结果显示，Ptlr纳米粒子均匀的负载在多壁碳纳米管表面，且粒径大约在2nm左右，且粒子的大 摘要小受铂铱比例的影响。而铂纳米粒子的粒径为5nm左右，因此，PtIr／MWCNT复合材料的电化学活性表面大大大于Pt／MWCNT复合材料，且催化葡萄糖氧化性能明显提高。通过在含有0．15MNaCl的磷酸缓冲溶液(pH7．4)中的电流．时间曲线可以得出，PtIr／MWCNT复合材料比Pt／MWCNT复合材料具有更高的灵敏度，更低的检测限与更宽的线性范围。铱元素的加入使得铂基催化剂更稳定，且避免了生物分子的干扰，研究结果表明，Ptlr／MWCNT复合材料是制得高灵敏度的无酶葡萄糖传感器的理想材料。(2)在葡萄糖作为碳源与还原剂，PVP作为稳定剂的条件下，利用一步法合成了TeNW@C核壳结构复合材料，并加入贵金属盐低温置换出PtNW@C核壳结构纳米线，通过TEM，EDS进行形貌与组成表征，制成葡萄糖检测酶电极，研究了该电极对双氧水的电化学响应。研究结果表明，该复合材料对双氧水检测快速，灵敏度高，稳定性好。(3)近来，贵金属纳米簇越来越受到科研工作者的青睐，它们具有超小尺寸，生物相容性好又能发出荧光等优良的性质，而以蛋白质为模板的金纳米簇具有制备简易、发射红光和高量子产率等优点，受到越来越多的重视。因此，在本文的最后一部分，以牛血清白蛋白为模板制备了发射红光的金纳米簇，并将之用于乙醛检测。探讨了检测温度、pH值和生物干扰物质等对检测的影响，结果表明，制备的荧光金纳米簇是一种快速检测乙醛的优良材料。关键词：新型碳纳米材料：碳纳米管；碳基包覆材料；贵金属纳米簇；生物传感器；应用 ABSTRACTNEWTYPEOFCARBONNANOMATERIALSANDITSAPPLICATIONINBIOSENSORSABSTRACTNanomaterialswerehonoredasthemostimportantmaterialsinpresentworld．CarbonnanomaterialsWasamemberofthenewtypeofnanomaterials，whichhadexcellentcharactersinphysics，materialsandchemistry,andhadpromisingapplicationintheseareas．Nowmanymethodsofsynthesisthiskindofcarbonnanomaterialshaddiscoveredbyanalysttotheirmountsofeffectiveresearch，suchasgraphitearCdischarge，pulsedlaserdepositionandchemicalvapordeposition(ChemicalVaporcatalyticDeposition)．Theassynthesizedmaterialsshoweddifferentfeaturelikeamorphouscarbon，carbonnanoparticles，carbonnanosphere，carbonnanotubeparticles，carbonnanotubeandcatalyticparticles．ThemoststandingoutmaterialWasspiralnetortubularcarbonnanotube．Becauseofitslightandhexagonalstructure，additiontonovelelectromagnetical，chemical，mechanicalcharacter,itWascombinedwithothermaterialsandthenwidelyusedasnanoscalehydrogenstoragematerials，miniatureelectroniccomponentsusedinfieldemissionelectronsource(suchasnanowire，nanoelectronicswitch，nanorod，memorycell)，largecapacityelectricdoublelayercapacitormaterials，subminiatureaccessory(microgears，molecularcoils，piston，pump)，radarabsorbingmaterialusedinstealthaircraft，specialopticalmaterial，nonlinearopticalmaterial，softmagneticmaterials，molecularvehicle，biologicalsensingmaterialsandSOon．However，CarboncompositematerialWasanotherkindofcarbonnanomaterial，especiallytheshell—corecarboncoatednanocomposite，whichWasanidealcompositeshowedcharacterofbothmatrixanddispersion．ItWaswidelyusedinhydrogenstorage，catalysisandmedicaldomain．Biosensorswerekindsofeasytotakeandconvenientanalyticaldevice，whichwerecomposedofbiomoleculeslikeenzyme，liposome，bacterium，yeast，antibodyorantigen，andSOon．Solookingfornewbiosensorsmaterialtomakesimpleandpracticalbiosensorsisapopularquestioninscienceresearchareanow．Accordingtorecentreports，wedothefollowingthreeaspectsinthispaper．III ABSTRACT(1)WefabricatedanovelamperometricnonenzymmicglucosesensorbasedonPtIrnaniparticlesdescoratedoncarbonnanotube(Ptlr／CNThybrids)andappliedittononenzymaticglucosedetection．ItselectrochemicalbehaviortowardstheoxidationofglucoseWascomparedwithPtnaniparticlesdepositedoncarbonnanotube(Pt／CNThybrids)preparedwithasimilarprocedure．InPtlr／CNThybrids，PtIrnanoparticleswerehomogeneouslydispersedoncarbonnanotubeswithanaveragediameterof2．0nln．AnditssizeCanbecontrolledbytuningthePt／Irratio．Incontrast，Ptnanopartclesareunevenlydistributedoncarbonnanotubeswithanaveragediameterof5．0nln．ThePtlr／CNThybridmodifiedelectrodeshowahigherelectroactivesurfacearea,anddisplaysgreatlyenhancedelectrocatalyticactivitytowardsglucoseoxidation．Chronoamperometrywasappliedinglucosedetectionin0．2MPhosphatebuffsolution(pn7．4)containing0．15MNaCI．TheeffectofthesizeofPtlrnanoparticlesandtheappliedpotentialWasinvestigated．Theas-preparedPtlr／CNThybridbasedglucosesensordisplayssignificantlyhighersensitivity,lowerdetectionlimitandwiderlinearrangethanthatofPt／CNTmodifiedelectrode．Moreover,IradditioninPtcatalystsenabledamperometricglucosedetectionwithlongerstabilityandinsignificantinterferencefromascorbicacid，uricacidand4-acetamidophen01．TheseresultsindicatethatthePtIr／CNThybridisapromisingcandidateinthedevelopmentofhighlysensitiveandselectivenonenzymaticglucosesensors．(2)FirstlywefabricatedTeNW@CCOre-shellnanocompositewiththehelpofglucoseandPVPasreductantandstabilizingagent．ThentheTeNW@CCOre—shellnanocompositeWasconvertedtoPtNW@Ccore—shellnanowirewithnoblemetalsaltH2PtCl6．ThemorphologyofPt／Ccore—shellnanowireWasimagedbyTEM．WealsodiscusseditselectrochemicalbehaviortoH202detection．TheresultsindicatethatPt／Ccore-shellnanowireisapromisingmaterialtoI-1202detection，whichactouthighlysensitive，goodstabilityandfastdetectiontoH202．(3)Recently,noblemetalnanoclusterswerepreferredbyscienceresearcher．Theseclusterspossessparticularlysmallsize，exhibitastrongfluorescenceemissionandexcellentphotostability．Especially,protein—stabilizedAunanoclusterattractedmoreattentionbecauseofitseasymaking，redemissionandbiocompatibility．Thenat ABSTRACTlastofthispaper,wesynthesizedredemissionAunanoclusterwithBSA，andappliedittodetectalcoh01．Wetookconsiderationoftemperatures，pHandbiologicalinterferenceinexperiment．Toourresult，theprotein-stabilizedAunanoclusterisaperfectmaterialtoalcoholfastdetection．KEYWORDS：newtypeofcarbonnanomaterials；carbonnanotube；carboncompositematerial；noblemetalnanocluster；biosensors；applicationV 目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．III1绪论⋯⋯．．j⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1碳纳米材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1．1碳纳米管的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．1．2碳纳米管分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．1．3碳纳米管的物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．1．4碳纳米管的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．61．1．5碳基复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81．2生物传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．101．2．1声波类生物传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．111．2．2光学类生物传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．111．2．3磁性类生物传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．121．2．4电化学类生物传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．121．2．5葡萄糖传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．141．3本论文研究目标和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152均匀负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．162．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．162．2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172．2．1仪器与试剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．172．2．2PtIr／MwCNT和Pt／MwCNT复合材料的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．172．2．3表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．182．2．4电化学检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．182．3结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．192．3．1PtIr／MWCNT和Pt／MwCNT复合材料的表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．192．3．2PtIr／姗CNT和Pt／MwCNT复合材料的电化学检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．232．3．3葡萄糖在PtIr／姗CNTs／GC电极上的电化学催化氧化⋯⋯⋯⋯⋯．．242．3．4PtIr／唧CNTs／GC电极上的葡萄糖浓度电流测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯262．3．5Pt2I订／MWCNTs／GC电极的选择性和稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．282．4结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．303基于一维的纳米介孔Pt@C核壳复合材料对H：Oz检测的高选择性及其应用于葡萄糖生物传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯343．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．343．2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．2．1TeNW@C核壳结构复合材料的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．353．2．2PtNWOC核壳结构纳米线的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．353．3表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．363．4电化学检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．363．5结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．363．5．1TeNW@C核壳结构复合材料和PtNW@C核壳结构复合材料表征⋯⋯⋯．．36VI 目录3．5．2电化学表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．383．6结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444荧光纳米金簇的制备及其用于乙醇检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．454．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．454．2实验部分⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．454．2．1仪器与试剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．454．2．2BSA-Au纳米簇的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．464．2．3BSA-Au纳米簇的形貌表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．2．4BSA-Au纳米簇的荧光检测和紫外检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．2．5乙醛一BSA—Au纳米簇荧光的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．464．3结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．474．3．1SEM表征结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．474．3．2BSA-Au纳米簇的光学表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯474．4结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．50致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64浙江师范大学学位论文独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．66学位论文使用授权声明⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．66VlI 1．1碳纳米材料1绪论碳元素广泛存在于自然界中，随着人类科学技术的进一步发展，基于其具有奇异独特的物性和多种多样的形态而逐渐被人类发现并加以利用。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，它发展于二十世纪80年代末，是在纳米的尺度上研究原子与分子的结构、性质，再将研究出来的奇特的物理，化学，生物方面的性质加以利用，最终制造出一些具有特定的功能的产品。纳米技术使得物质的尺寸缩小，接近lOOnm时，物质就会表现出局域性、量子效应，并且小尺寸的物质将表现出较大的比表面积，导致物质原有的性质发生奇特的变化，呈现出许多既不同于单个孤立原子，也不同于宏观物体的奇异现象和性质，从而推动了科学界关于材料利用的深刻变革。纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于lOOnm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子(非碳原子)组成，甚至可以是纳米孔。碳纳米材料按形态分主要包括三种类型：管状(碳纳米管)，纤维状(碳纳米纤维)，球状(纳米碳球)。碳纳米管是由片状的石墨烯卷曲而形成，它是一种没有缝隙，中间空洞的管状结构，根据管的结构可以分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管等三种。图1．1碳纳米管碳纳米纤维主要有沥青碳纳米纤维与丙烯腈碳纳米纤维两种。碳纳米纤维具有高超的强力，它的质量比铝轻，但是强力却比钢还要高，铁的比重是它的4倍，强力却只有它的1／4，碳纳米纤维不仅强力高，同时它的化学性质也比较稳 第一章绪论定，通常条件下具有较强的耐腐蚀性能，在使用中还具有耐低温和高温、耐辐射、消臭等优良的性能。基于这些优良的性质，碳纤维一般可以应用于各个不同的领域，但是由于它的制造过程中成本比较高，限制了它的广泛应用，通常大量使用在建筑工程、航空器材、运动器械的结构材料等的方面。伊利诺伊大学科学家们发明了一种能够过滤有害生物和有毒气体的碳纳米纤维，它吸附能力强，而且制备过程经济简便，可用来制作防毒面罩，防毒衣，防护手套和服装。碳纳米球根据尺寸的大小依次增大可以分为：直径在2-20nm之间的富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构)，如C60(足球烯)，C70等；直径在50nm．19m之间的石墨化不完全的纳米碳球；直径在llllm以上的碳微珠，。此外，又可以根据碳球的结构和形貌将它分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。1．1．1碳纳米管的发展图1．2富勒烯和洋葱碳1991年日本电子公司(NEC)的饭岛纯雄(s．IIIIma)博士通过高分辨电子显微镜发现了碳纳米管(carbonnanotubes，CNTs)，他的这一发现引起了各界科学工作者对碳纳米管的广泛关注，纳米碳管的研究也进入了空前的研究热潮，推进了这一方面技术的飞速发展。饭岛纯雄博士很早就致力于固体碳材料的研究，他曾经用透射电子显微镜研究过例如非晶体碳、石墨层状薄膜、玻璃碳、超微石墨粒子等碳材料。富勒烯被发现后，他发现甩电弧蒸发的方法制备出富勒烯时的阴极沉积产物的结构中一大部分是无定形的碳，其中另外少部分包含有一些针状物 第一章绪论质，这些针状物质是由2．50个同心碳管组成，组成的碳管的直径约为4-30nm、长约llxrn。通过此方法发现的新石墨结构中，这些长形中空的纤维较从前观察到的要更完整、更细小，因此他将这一结果在Nature杂志上发表出来【lJ。1992年，P．M．Aiavan等发现用氦气作为缓冲气体，增大电弧蒸发室内的氦气压至500Torr时，可增加阴极沉积物炭黑中纳米碳管的形成，制备出的碳纳米管的产量可以达到以克为单位【2l。S．Iijima等人在1993年发现了直径约为lnm的单壁碳纳米管【3】。后来，D．Bethunes将Co粉填充在石墨中作为催化剂，制备出了质量更大的单壁碳纳米管【4J，A．Thess等人1996年制备出了金属性单壁碳纳米管管束，他们使用的激光烧蚀的方法可以使产物纯度高达80％以上【5J。实际上，70年代时AOberlin已经通过裂解苯制出了碳纳米管【6J，但是他通过气相化学沉积法的方法并未引起科学家们的重视，然而现在气相化学沉积法是制备碳纳米管的一种重要方法。1．1．2碳纳米管分类碳纳米管为空心管状无缝结构，是由石墨烯片卷曲而形成，石墨烯片卷曲成单壁碳纳米管的示意图如图1．2所示。按碳纳米管结构的不同，对其分类，可分为两类：一、单壁结构的碳纳米管；二、多壁结构碳纳米管。或又可按照是否有结构以及拓扑缺陷位于碳纳米管的管壁之上，将其可分为直型碳纳米管、分叉型碳纳米管或者曲面型碳纳米管。另外，也可分为填充的碳纳米管或包敷的碳纳米管等。通过扫描电镜(S州)、透射电子显微镜(TEM)、以及原子力显微镜(AFM)的检测，可以在其扫描图谱中看到碳纳米管的清晰形貌。 第一章绪论多壁碳纳米管(MWCNTS)：多壁碳纳米管也是由石墨烯片卷曲而成的，但是它是由多层的石墨烯片卷曲，同时它是一种长度与直径的比很大的一维纳米材料，多壁碳纳米管是最先被发现的碳纳米管。一般认为多壁碳纳米管是由同心管套装而形成的，两端极容易形成笼状结构，类似于富勒烯，高分辨透射电子显微镜图谱表明管的层与层之间的距离为O．34nm，且层与层之间很容易发生滑移和旋转，而石墨结构中层与层问的距离也约为这个值【l，61。由多层石墨烯片卷曲成的多壁碳纳米管的结构较单壁碳纳米管复杂，用来描述它的参数除了与描述单壁碳纳米管相同的直径与螺旋角以外，还要考虑到各层之间的碳链的相互作用以及石墨烯片得层数。单壁碳纳米管则是由单层石墨烯片卷曲而形成，通常管的两端分别由半个富勒烯分子封口，形成具有“管帽”的无缝中空管，按照卷曲方式的不同，可以将单壁碳纳米管分为“锯齿型”、“扶手椅”型和手性型三种，单壁碳纳米管由于分子间的相互作用力很强，容易形成聚集的管束，而形成的管束中管的长度，直径以及手性几乎是相同的，聚集在一起的管中又没有其他杂质存在，这些特点都对单壁碳纳米管的提纯，分离及应用有相当重要的意义。1．1．3碳纳米管的物理性质(1)超高的力学性能：碳纳米管结构的基本单元和石墨烯相同，网络骨架中的碳都是sp2杂化，C—C共价键相互连接形成六边形结构，因此碳纳米管具有与石墨烯、金刚石相同的刚度。目前，从实验测定及理论估计上看它的轴向弹性模量均接近甚至赶超石墨片，可达到1TPa-1．8TPa。碳纳米管的结构为中空的笼状结构，因此它的体积可以发生变化，从而体现出弹性，它能承受住40％的弹性形变，而不至于发生脆性行为，键断裂及塑性变形【8】。通过破坏碳纳米管中的中空部分，使其在应用过程中能极大的吸收能量，加大其韧性。(2)优良的热学性能：碳原子在碳纳米管中的以sp2杂化为主，并兼有sp3杂化，它是一种理想结构，所以单壁碳纳米管是一种较理想分子纤维，由于都是由石墨片卷曲形成，它就必然具有与石墨相似的优良的本质特性，如抗腐蚀、耐热、高温时强度高、导电性及传热性好、生物相容性好、有自润滑性等等综合性能。根据研究人员的估算，长度大于10nm的碳纳米管，其导热的能力几乎和金4 第一章绪论刚石相同，导热系数在2800W／mK以上【9】，再根据理论预测，在室温下其导热系数甚至可达6000w／IIⅨ【l01。鉴于碳纳米管特定的几何形状，几乎不存在管轴向外的垂直膨胀。碳纳米管管壁具有很强的化学惰性，因此当碳纳米管的结构完整时，在温度小于2800℃的真空中或者在温度小于750℃的大气中，它都能够比较稳定的存在，而相对来讲，一些微型电子元件中使用的金属导线在大约600一-1000。C就会被“高温”熔化。同时，碳纳米管管壁中存在很多拓扑学的几何图形缺陷，例如化学键旋转造成的缺陷或者形成的所谓的stone．wales成队五元环或七元环，在整个几何图形中以及弯曲中并未引起明显可见的变化的缺陷等，因此本质上碳纳米管表面具有比其他的石墨化物质更活泼的反应性质。碳纳米管两端存在的拓扑学的缺陷以及由这种缺陷导致的维度曲化会导致反应的活性增加，可以通过氧化还原反应使得碳纳米管更容易管端脱帽、开口。因为碳纳米管管壁大多是弯曲的，电荷在其中的传输速率比石墨中更快。因此将碳纳米管修饰到电极上，在化学反应中将呈现出更惊人的电荷传递速率【111。(3)良好的电学性能：碳纳米管有5点特别的电学性质：一是电子在碳纳米管中可以形成无散射的弹道输运；二是碳纳米管的螺旋结构或直径能够改变管的能隙；当螺旋结构或者直径发生改变时，单壁碳纳米管的电子可以从价带跃迁到导带，此时的能隙可以发生连续的变化，使得碳纳米管的导电能力出现三种情况：金属、半金属与半导体，所以，通常可以通过改变管中的栅格的结构或者直径的大小来改变它的导电能力。三是电阻振幅随着磁场发生变化的AB效应(Aharonov．Bohmeffeet[12‘15l，在一个金属壁薄的金属圆筒的轴向通入电流(该轴向与磁场方向平行)，然后观察圆筒的电阻随着外磁场发生变化时的变化，发现所测得的电阻作为筒内磁通的函数将表现出周期性振荡的行为)；四是在低温的时候具有库仑阻塞的效应，并且当管上吸附气体时可对带的结构产生影响。到目前为止，尚未研究发现能够象碳纳米管这样可简易调节能隙大小的任何相似物质。若向其中其掺杂其他元素，还可以进一步的改变其导电性质。如在多壁碳纳米管的结构中加入B和N元素对碳进行部分取代，可以得到具有金属特征电子密度的多壁碳纳米管【161。也可以用碱金属元素或卤素掺杂单壁碳纳米管，经过掺杂的碳纳米管的导电能力可以增加一个数量级，这主要是因为管和掺杂物之间存在着电荷传递[17,181。碳纳米管和石墨都是由碳原子组成的六边形的结构组成，碳 第一章绪论碳键的长度与碳和其他原子形成的键的长度相比，碳碳键较短，键能较大，因此，掺杂原子的掺入并将碳原子置换有一定的难度，所以在电子传输的过程中不会因为杂质的掺入而引起散射，因此能形成上述的弹道输运【19。211。电子的移动是电路中的传统金属质导线损坏的最主要原因，它是在电子散射区域由于电流感应力所导致的原子重排和原子扩散，这是电子工业所面临的主要的问题，而碳管中产生的弹道传输却不引起散射，从而克服了这一问题。碳纳米管在目前正开发中的量子计算机领域具有非常特别的吸引力，由于它的力学性能优良，而且做为管状物质有较好的柔软度，可以发生弯曲，因此用它来传递电子波时就不会造成所传递的信息的丢失，所以它可以作为量子计算机的电子波导管【221。场效应晶体管作为计算机系统中的一项主要元件，在计算机中用于存储与计算的集成电路。弹道输运又是一种场效应晶体管(FET)O?的电子能够在不存在散射的情况下进行的传递。目前电子计算机向着更大容量，处理速度更快的方向发展，所以必须找到能够制造尺寸小，但是处理速度又快的场效应晶体管材料。近年来正在寻找新型材料代替以硅半导体为主导的精细加工材料，碳纳米管具有弹道传输的特性，稳定性又好，可望由它制得体积更小，运算更快的晶体管。同时，单壁碳纳米管的导电性能也可以通过改变它所处的气体环境来改变，当有其他气体物质进入碳纳米管使，管的电子结构发生变化，从而可导致导电性的变化。1．1．4碳纳米管的应用碳纳米管作为新型的碳材料，其具有越来越广阔的应用天地，它的发展必然带动整个碳领域的发展，同时也影响着社会发展和科学进步。随着高新科技的发展，碳纳米管正在不断地渗入人类生活，为人类创造更加美好的生活。1．1．4．1碳纳米管催化剂载体由于碳纳米管的表面积高，而且如前所述它可以导电，所以经常作催化剂载体，将金属晶体与纤维植入碳纳米管内部，使它们在界面处产生强烈的相互作用，从而使催化剂的形貌特征发生改变，形成具有特殊的活性和选择性的高效催化剂，在使用上它比传统的催化剂载体(AI或Si)更优越，因此它作为催化剂或者催 第一章绪论化剂载体的应用开发前景很广阔。1．1．4．2碳纳米管传感器碳纳米管可以用作气体传感器材料，它对气体吸附具有选择性且能够导电，在不同温度下吸附不同的气体可以改变其导电性，通过测定电阻的变化从而检测气体成分。而且在碳纳米管内部可以填充具有特殊功能的材料，如光敏、湿敏、压敏等材料，从而制成具有各种功能的生物传感器。碳纳米管本身也具有催化和增敏效应，用碳纳米管去修饰电极，可以提高电极对H+等的选择性，使得基于碳纳米管的生物传感器具有广阔的应用前景。利用碳纳米管的尺寸效应和吸附性，可作为同位素分离、高难度的微区及放射性清洁。王中林课题组研制出了一种可以直接测量最小的非带电粒子质量的称，他通过化学键合的方法将纳米粒子固定在碳纳米管的端头上，然后测量其共振的频率(O．968MHz)，可以测得粒子的有效质量为22龟，因此他研制的这种称被认为现代灵敏度最高的秤【23’241。1．1．4．3储氢材料碳纳米管能够用作储氢材料的原理是由于碳纳米管的层与层之间存在着间距，而且这些间距的距离正好大于氢气分子的动力学直径，使得层与层之间可以吸附氢气，但是由于层板之间氢的结合不牢固，压力减小时管膨胀将吸附的氢气挤出，直到压力降为环境压力，这样，就可以实现氢气的存储与释放。这种储氢材料的储氢能力比传统的储氢材料强很多。1．1．4．4在碳纳米管内进行管道合成碳纳米管管端的管帽是可以打开的，当管帽打开后就可以在管道内进行有机合成。现在许多现代有机合成以及制药工程，生物工程等都会利用管道合成的方法得到需要的目标产物。我们可以在用强酸氧化的方法将碳纳米管提纯的同时，顺便将碳纳米管顶端的管帽打开，以便于后续的在其中进行的管道合成，现在经常用到的碳纳米管开口的方法是催化气相沉积法。我们都知道表面张力较小的物质一般都具有毛细现象，所以从理论上讲，这些表面张力小的物质可以被碳纳米管吸收从而使碳纳米管润湿，许多的有机溶剂和水都可以做到这一点。因此，要 第一章绪论想降反应物分子装入碳纳米管可以采用加压的方法，进入管道内的反应物分子在近似一维的空间里发生化学反应，可以合成出的目的产物具有高度立体选择性，甚至可以合成较大的手性分子。1．1．4．5其他应用除此之外，碳纳米管还被广泛应用于场发射器件【25】、锂离子电池【261、超级电容器【27】等方面。1．1．5碳基复合材料复合材料是两种或几种物质通过一定的途径组合到一起形成的一种多相材料，复合材料中连续的相成为基体，分散的相成为增强材料。一般，复合材料集中增强材料和基体的优点，成为具有独特性质的材料。1．1．5．1碳包覆的金属复合材料的制备碳材料具有较好的抗酸、抗碱腐蚀性和导电性等优点，是一种优于二氧化钛和二氧化硅的理想的包覆材料。碳材料通过一定的途径在金属粒子外面包覆起来，阻止金属粒子的团聚，形成了壳核复合材料。这种壳核复合材料集中了壳和核的优点，单一的材料是无法比拟的。1993年美国科学家‘281首次报道了利用电弧放电的方法合成的碳包覆材料LaC2@c，它是一种有很多石墨层包覆的金属镧组成的材料，通过高分辨透射电子显微镜和能量散射图谱确定碳化镧是相，虽然这种相的物质很容易水解在溶液中，但是碳包覆LaC2@c能在室温条件下稳定存在数天。这种材料的合成是科研工作者们认识到这类材料的优异性能，因此展开了对碳包覆材料的制备和性质研究工作。这类碳包覆材料对拓展纳米材料的应用具有重大意义，也使得这种材料本身在材料、物理、化学等领域有很大应用价值【291。已经报道过的碳包覆材料的制备主要有以下几种方法：(1)电弧放电法。LaC2@C复合材料制备出来后，相继又有YC2@C，NdC2@C和CeC2@C等材料也通过电弧放电的方法制备出来。Seraphin等人应用此方法合成了碳包覆的磁性纳米粒子，得到了Co@C，Fe@C和Ni@C复合材料，R 第一章绪论并将这些磁性材料通过强酸浸泡，实验证实包覆的碳壳层对磁性颗粒起了保护的作用。这种合成方法优点是合成的材料直径较小，分散均匀并且碳层石墨化的程度高。缺点是合成温度较高，使得产物中不免会有碳纳米管以及富勒烯副产物。(2)高温热分解法。也可通过高温热解方法合成碳包覆的金属纳米级复合材料。Harris等人利用此方法合成了UC2@C、Mo@C和Co@c碳包覆的金属纳米颗粒，这种方法是首先高温使共聚物热解制得微孔碳，再将其浸泡在该金属的盐溶液里，使之与欲包覆金属构成复合物，再在氩气的保护下进行高温1800．2000℃处理，最终制得碳包覆的金属复合物。SongH．H等对高温热分解法合成机理做了研究：惰性气体保护下，碳源与金属源发生热分解缩聚生成了稠环芳香烃，该烃聚合度较高，将会围绕金属颗粒排列并将其包覆，最后的高温处理可碳化得到碳包覆的金属纳米粒子。高温热解的方法成本低，金属的含量可以控制，易于大规模合成，但是该方法对技术要求较高，工艺要求也高。(3)化学气相沉积法。该方法是在纳米粒子作催化剂下，通过气相沉积的作用以气相小分子为碳源在载体上生成碳包覆的金属复合材料。Singjai等人1321使用该方法制备了FePt@C纳米颗粒。这种方法的优点是所得的复合材料粒子的直径比一般小，并且分散性好。缺点是金属粒子纯度较低，反应物中混有无定形的碳或碳纳米管，载体和产物分离复杂，因此，产物提纯是亟待解决的问题。(4)低温液相合成。低温液相合成指在温度低于200℃下，以还原剂、金属盐和碳水化合物作为原料，再利用水热或者溶剂热的途径合成。此法工艺简单，条件温和，易于操作。该法又可以分为“一步法”和“两步法”。“两步法”先制得金属纳米粒子，在与碳源反应得碳包覆的金属纳米粒子。利用这种方法已经合成出了NVCl331、Te／C纳米电缆‘341和FeNVCt351等金属纳米材料。“一步法’’更为简单，它是将金属粒子还原成金属单质的同时又被碳化的碳源包覆起来。这种方法已经合成了电缆Se(Te)／Ct36-401和球状Ag(Au)／C[41,42】。在制备过程中通常会加入有机高分子物质，如聚乙烯醇、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮等聚合物。1．1．5．2碳包覆金属复合物的应用(1)医学领域。由于碳无毒，且生物兼容性好【43，441，这类复合材料在生物医学领域有巨大的潜在应用价值。目前，碳包覆的复合材料在药物方面的应用是 第一章绪论研究的热点，如在40．45。C下，顺磁性纳米氧化铁在外加磁场下能够杀死肿瘤【45|。(2)储能领域。2008年，李景洪教授【46J将Pt@C用作直接甲醇燃料电池的阴极抗甲醇的催化剂，降低了铂载量，同时催化的稳定性和活性也很高。(3)催化领域。同样是2008年，M．M．Titirici等人【47J用糠醛和Pd(OAC)2做原料，于180"C下水热法合成了Pd@C纳米材料，作为催化苯酚加氢的催化剂，转化率为99％。碳包覆金属表面以后，使得这类材料在不同的溶剂中分散性很好。1．2生物传感器生物传感器是一种以酶、脂质体、细菌、酵母、抗体／抗原、类脂质体等生物分子为分子识别元件构造出来的分析装置，它携带方便，成本消耗低，操作简单，它的原理及应用涉及到生物、物理、化学、医学、电子技术等多种学科，但是这种多学科的综合利用在理论与技术上却不够完善，还必须得投入更多的研究与改善，但是它却有着广泛的应用领域。生物传感器的探头一般都是由感应器和转换器两个主要的部分组成，感应器是由具有分子识别能力的膜组成，该膜一般对被测定的化学或生物物质(也就是底物)具有较高选择性，底物在感应器的膜上进行生化反应，同时会生成或者消耗化学物质，或者产生光、热量等信号；转换器是把难以直接测量的信号转换为可以计算或者测量的电信号的装置，最后把电信号经过电子技术的处理并且在仪器上显示出来或者记录下来。纳米材料比表面积高、物理性质特殊、反应的活性高和尺寸小，因此，它对外界的环境变化非常敏感，利用这些特点，可以制成高灵敏度，快速响应，高选择性的生物、化学传感器。黑色的纳米材料能够吸收红外线，并且比表面积特别大，导致它的表面活性也非常大，因此能够与周围的介质发生强烈的相互作用，所以当纳米材料首先被发现且性质被了解后，它就被誉为一种理想的传感器材料。纳米材料在生物传感器中有着非常广泛的应用，例如将具有光学性质、电子性质或者磁性的功能性纳米颗粒固定到多肽、核酸、蛋白质等生物大分子上，利用纳米颗粒的特殊性质制成可以检测生物信号，或者放大生物信号的生物传感器。根据所利用的性质的不同，纳米材料在这方面的应用主要包括声波生物传感器、光学生物传感器、磁性生物传感器和电化学生物传感器几类。 第一章绪论1．2．1声波类生物传感器声波类生物传感器主要是通过测定待检测的物质某些性质发生改变时所引起的声波频率的改变来实现检测。通常，纳米材料由于其独特的性质经常被修饰到待检测的物质上，纳米颗粒修饰到待检测的分子上后，该待检测的分子的质量会明显提高，检测时获得的信号也就相应增强。目前，石英晶体微天平(QCM，quartzcrystalmicrobalance)是研究得最多的生物传感器，它常采用AT的方式来获得压电晶体(AT切割是指在室温下当石英晶体的主光轴与切割面为25．150时，晶体共振的温度系数大概接近于零)，再采用离子束沉积的方法于获得的晶体的两个面上构成两个平行的金属(金，银，镍，铂，钯等)膜电极。在膜电极的表面上固定具有特异性识别的分子，识别分子与待检测的分子结合，使得电极表面上质量发生变化，最终使得石英晶体的振动频率发生改变。Ward148]等人通过抗体—抗原免疫的方法将石英晶体的表面上修饰上被纳米胶颗粒标记的抗体，修饰上的胶体颗粒(溶胶颗粒直径约在5．100nm)就会大大提高标记的分子的质量，依据Sauerbrey方程，质量增大后石英晶体振荡频率也会产生相应的提高，从而放大了检测信号，提高了检测的灵敏度，降低了检测的下限。1．2．2光学类生物传感器纳米颗粒还可以用于定位肿瘤，将荧光素分子标记到识别因子上，再将肿瘤的受体分子与识别因子结合，在体外的仪器上就可显示出识别因子的位置进而显示出肿瘤的大小及具体位置，以此制成的生物传感器即为光学生物传感器。将金属的纳米级颗粒修饰到导电材料的表面，可以用作光共振检测，Bauer【491等通过使用蛋白．受体或者抗原．抗体结合等方法将金属纳米颗粒固定到导电材料的表面，纳米颗粒的反射偶极子之间发生相互作用造成反射光线的共振增强，再通过检测共振的信号强弱来探知待检测的物质。随着传感器技术的发展，许多分析工作者希望能够减小传感器的尺寸大小，将其制成单个的纳米颗粒，可以移入细胞中，以实现待检测成分的监控和测定。Kopelman等【501使用生物区域埋入法在直径为20．200nlTI的胶囊中包埋进荧光指示剂，形成包埋荧光指示剂的聚丙烯酰胺胶囊。再用特别的生物或医学方法将胶囊送入到受体的细胞中，通过检测胶囊的 第一章绪论发光强度来确定受体细胞中该待测物质的含量。科研工作者们已经通过此类方法制成pH及Ca2+的球状光学类纳米生物传感器，并且测定了其在活细胞体内的含量。这种方法制成的胶囊含有可逆的响应，也可多次使用，快速响应，通常所测得响应的时间小于lms，通常在生物的体内有良好的融合性，不存在排异现象，而且胶囊中的荧光指示剂不容易褪色，在两天时间的测定中总丢失量不超过50％。1．2．3磁性类生物传感器很多纳米颗粒具有磁性，在药物分析和生物检测上可以利用它们的磁性来实现样品的处理。利用生物分子识别技术，具有磁性的纳米材料与生物分子相结合后，可以根据是否具有磁性或者磁性的强弱实现复杂样品的有序混合、彻底分离、灵敏检测等操作。Richardson[51】等人曾使用磁性免疫分析的技术，采用磁力计数器去检测具有磁性标记的分子，以实现待检测样品的检测。IvoSafafikl52】等人用具有磁性的材料来标记分子，在不同的磁场梯度下分离与检测样品。另外，可以将识别的因子上修饰具有磁性的纳米颗粒，再将它与肿瘤表面含有的靶标记识别器相结合，可使纳米颗粒在生物体以内的位置分布在体外表现出来，从而确定体内肿瘤的具体位置。1．2．4电化学类生物传感器电化学生物传感器是利用修饰到电极上的纳米粒子的特殊性质从而增大电信号的的一类生物传感器。纳米粒子比表面积较大，在其表面上固定生物分子时，单位体积内可以固定更多的生物分子，从而使检测的信号放大。Singht531等人用溶胶．凝胶(s01．gel)方法合成出了直径为20nm或200nm的硅纳米颗粒，并将乙酰胆碱脂酶生物分子固定在此纳米硅颗粒表面，用于检测有机磷农药，结合离子敏场效应管检测时，由于复合物具有较高的比表面活性，灵敏度高，响应迅速(<10s)，检测paraoxon杀虫剂时的检测下限可达1xlO—mol／L。胶体金是最常见的纳米金属颗粒，可广泛应用于TEM表征，SEM表征以及试纸条的显色等方面，此外，它还可以用于标记生物分子，以期实现检测信号的检测及放大。Gonz_Alez．Garcia【54J等人结合电化学的方法，利用胶体金进行生物标记，深入研究 第一章绪论生物素与亲和素分子之间的相互作用。先在玻碳电极的表面上修饰生物素标记的白蛋白，然后将亲和素用直径为10nm胶体金颗粒标记，最后再与之发生反应，检测的结果表明由胶体金的加入所产生的电流信号与亲和素浓度呈线性相关关系(2．5×10。9mol／L～2．5×10一tool／L)。纳米级金属颗粒还可以作为催化剂的载体修饰到电极上，使电极的电催化性能提高。蛋白质、酶等生物活性物质在重金属离子、强酸碱的作用下会发生变性，当纳米金属胶体表面吸附了这些活性物质时，胶体表面的离子可以保护这些蛋白质，而不至于变性。WillIler【55'56J等曾将微氧化酶．1I(MP．11)固定在纳米金粒子上，制成酶／金纳米粒子电极，构建了H202传感器。在电极表面上固定酶一胶体金，可以通过电化学检测H202、葡萄糖、次黄嘌呤、黄嘌呤等物质。Xu[571等人将胶体金修饰在丝网印刷的碳电极表面，结合辣根过氧化物酶(URe)匍J作H202生物传感器，结果发现HRP的电流响应和电催化性能显著改善，检测下限降低至O．4uM，信号线性范围也有了很大的提高(0．8uM．1．0mM)。陈洪渊课题组利用生物技术、纳米技术和自组装技术，先后成功地将辣根过氧化物酶(HRP)D8,59]、血红蛋白(Hb)160】、乳酸脱氢酶(LDH)以及辅酶蚓固定到金胶纳米粒子上，从而实现三维的有序组装，制成了基于蛋白质或酶／金胶的纳米仿生功能界面，研究了辣根过氧化酶结合在金胶颗粒上的电化学性质，构建了检测乳酸、一氧化氮、过氧化氢等物质的生物传感器；研究结果还表明酶或者蛋白质的电化学活性中心到电极表面的距离受到链长的影响，因此电子在电极与酶之间的传递也受到影响。此外酶的活性还受金胶纳米粒子粒径的影响，粒径越小，催化的效率就越高。陈洪源【62】等还组建了玻碳@乙二铵@金胶@酪氨酸酶的传感器。将表面修饰了功能分子的金胶粒子组装到玻碳电极上，用石英晶体微天平与组合的微电极来测定频率位移和电阻，最终间接测定气体在介质中的含量。此外，他还利用免疫学的技术结合纳米级金胶组装的技术将Au胶表面上固定a．甲胎蛋白，进一步与辣根过氧化物酶标记【63】。而且，由于纳米颗粒具有吸附场，能够使排列混乱的颗粒便得有序，从而导致吸附的酶也被确定方向，在进行电化学反应时电子传递速率加快，有利于提高电流响应。如Hoshi[删等使葡萄糖氧化镁酶分子定向，可以使葡萄糖氧化酶的响应电流提高10倍以上。 第一章绪论1．2．5葡萄糖传感器葡萄糖传感器在生物传感器领域是商品化得最早、研究的最多的生物传感器。Clark和Lyonst65】在1962年将一薄层的葡萄糖氧化酶组装到氧电极的表面，研究了该电极的电化学性质，从而提出了电化学葡萄糖生物传感器的传感原理，通过氧电极的电化学响应测定溶液中溶解氧消耗的量来间接测定溶液中的葡萄糖含有量。葡萄糖传感器是一种重要的生物传感器，它在生物传感器发展中有着无可超越的作用。随着科技的发展，微细加工技术、纳米技术相继被灵活的运用，葡萄糖生物传感器的制备也采用了分子识别、分子设计等技术，由此制备出的葡萄糖传感器在应用上就方便，灵活，例如活体检测、过程分析等方面。1．2．5．1经典葡萄糖酶电极1967年Updike和Hicks首次研制出以葡萄糖氧化酶(GOx)电极，他以铂电极为基体用于定量检测血清中的葡萄糖含量【661。该方法中先将GOx固定在氧穿透膜和透析膜中间，形成夹心结构，然后将这个夹心结构的膜粘在铂电极上，在特定的扫描电压下，在含有葡萄糖的溶液中检测其电化学响应，葡萄糖氧化时会消耗氧气，氧气量的消耗可以通过电流信号反应出来，因此可以根据氧消耗量来确定葡萄糖的含量。但在空气中检测时会受到空气中氧气含量变化的影响，从而影响到检测葡萄糖的灵敏度。为了解决这个问题，1970年，Clark不再测定氧消耗量而改为测定生成的H202的含量，根据反应方程式间接测定葡萄糖的含量【67】。从此之后，分析工作者就采用H202电极作为基础电极，葡萄糖浓度与产生的H202有一定的关系，溶液中及电极上发生的反应如下：溶液：GOx(OX)+glucose⋯-GOx(RED)+gluconolactone(1)GOx(RED)+02一GOx(OX)+H2qr2、电极：％02专02+2H++2e一(3)1．2．5．2介体葡萄糖酶电极为了让葡萄糖氧化酶氧化，使它再生后可循环使用，可以在葡萄糖氧化酶的14 第一章绪论电极上引入化学介质取代02／H202，电子传递介质被还原，随后又在电极上被氧化剂氧化，形成介体葡萄糖酶电极。有电子传递的介质后，只需较低的氧化电位，同时既没有用到H202，也不涉及02，而是利用传递介质在电极上所形成的氧化电流，在测定葡萄糖时，避免了其他电活性物质如抗坏血酸、尿素、谷胱甘肽的干扰，提高了对葡萄糖测定的准确性和灵敏度。1．2．5．3直接葡萄糖酶电极第三代生物传感器是直接的葡萄糖酶电极，也就是在无媒介体存在的条件下，酶与电极之间的直接发生电子传递，从而实现葡萄糖的检测。与前面所述的两种传统的电极相比，第三代酶电极既不受空气中氧气分压的影响，也不需要化学介体分子，也很少用到载体物质，而是将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上，或者将酶以共价键合的方式键合到化学修饰电极上，使电极与酶的氧化还原活性中心接近，直接发生电子传递作用，因此电极所产生的电化学响应速度会加快、灵敏度也有所提升，从而使得酶的催化高效且专一，与在生物体内的活性酶的催化效果想接近。金属纳米粒子、有机导电复合材料薄膜、有机导电聚合物膜或金属和非金属纳米颗粒都是良好的酶电极修饰材料168]。1．3本论文研究目标和内容鉴于新型碳纳米材料具有上述优良性能，且在材料，生物，医学领域的广泛应用，本论文制备了碳纳米管．铂铱复合材料，碳包覆的n纳米线，金纳米簇等复合材料，并将其应用于生物传感领域，探讨所制备的材料在应用中的电化学、光学性能，旨在拓宽上述材料在生物传感领域的应用。 2均匀负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感2．1引言近年来世界各地糖尿病患者剧增，人体内血糖水平已经成为临床诊断糖尿病的一个重要参数【691。电化学方法检测葡萄糖由于其简单、实用、经济【70】等特点，已经受到越来越多的重视。而通常，这些方法都是基于葡萄糖氧化酶的高选择性和高灵敏度【7l】，但是，对于酶来说，它不稳定，易受到环境因素，如温度、pH值、环境湿度、毒化试剂等的影响【72】。这些不足将障碍此类葡萄糖传感器的商业应用。为了解决此类传感器在应用中的困难，有人提出了新的方法，这种方法采用负载了纳米结构的合金【73’硎和金属氧化物【75，761作为电极材料，用于电化学催化，从而取代了不稳定的酶的使用。在此类方法中，葡萄糖电化学氧化的电流检测是通过裸露的铂表面进行的。但是铂基电极却容易受氧化中间产物的毒化m771，同时，检测的选择性和灵敏度都不高【78’791，也障碍了它的进一步发展。目前，大量的工作致力于提高铂传感器用于葡萄糖检测的分析性能，最简单的办法就是合成高表面积的铂纳米材料。ParkSt80J等人使用无酶介孔铂材料做电极，由于介孔铂材料的表面粗糙程度大，从而显著提高了检测的电流响应。此外，将金属合金或金属氧化物修饰到铂电极上，也更有利于葡萄糖检测。其中，Pb[77]，Pdt701，Rut731等元素已经有前人应用过，但由于涉及到金属元素的溶解性及毒性，这些方法暂时没有得到实际应用。铱元素是一种独特的元素，它有较高的氧化电位1．156V(Ir3+／Ir)，因此，将铱元素加入到铂催化剂中，就能得到明显增强的、可重现的葡萄糖检测响应电流。而且，与普通的铂催化剂相比，在无酶检测方面，铂铱催化剂表现了更强的稳定性与更高的灵敏度。PeterH．H等人曾经报道过纳米多孔铂铱催化剂在无酶葡萄糖传感方面有较广阔的应用前景，即使有高浓度Cl‘及其他常见生物干扰物质，如抗坏血酸、乙酰胺基酚、尿酸等，也能获得较好的检测效果【741。另外，在构筑无酶葡萄糖传感器时，铂的使用还需考虑经济 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感性与高效性，本文提出了一种高效的方法，将铂铱催化剂负载到碳纳米管的表面用于葡萄糖无酶检测，碳纳米管的引入减少了铂铱催化剂的使用，同时，碳纳米管的存在增强了电子在电极上的传导作用，从而增强了铂铱催化剂对葡萄糖的检测性能。2．2实验部分2．2．1仪器与试剂H2PtCl6，IrCl3，D．葡萄糖，L．抗坏血酸，尿酸，4．乙酰胺基酚，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，氯化钠等均购自ACROS公司，且为分析纯。实验用水均由Milli．Q超纯水制水器(18．2MQcm)制得。多壁碳纳米管(纯度：95％，外径：10．20nm，长度：大约301xm)购于成都有机化工有限公司并经过一下步骤纯化【69】：将购得的碳纳米管超声分散在水中，向其中加入适量65％HN03并煮沸几小时以分解不定形碳，再向其中加入适量浓盐酸(63％)回流8小时，以溶解在多壁碳纳米管内的金属粒子，所得溶液用孔径为O．45I．tm的聚四氟乙烯膜过滤器过滤，将所得固体于100℃真空干燥。2．2．2Ptlr／MWCNT和Pt／MWCNT复合材料的制备实验步骤：Ptlr／MWCNT复合材料是在水与乙二醇体积比为1：1的混合溶液中水热还原法制得的。10mg多壁碳纳米管均匀分散在20mL乙二醇和20mL水形成的混合溶液中，并用0．05MKOH调节pH值到10，再向其中分批加入Pt／Ir分子比率不同的H2PtCl6和IrCl3(总量为1009m01)，转入100mL烧瓶中后超声分散2h，通氮气15min除氧，最后置于油浴锅上140。C回流12h，将反应所得产品离-tl,分离后用去离子水和乙醇各洗涤3次，最终产品在80。C真空干燥备用。Pt／MWCNT复合材料的制备方法与Ptlr／MWCNT制备方法相似，反应过程中加入200gmolH2PtCl6。 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感2．2．3表征透射电子显微镜(TEM)表征取自配备有X射线电子能量散射光谱(EDXS)的2010JEOL显微镜，在200kV下使用LaB6高亮度电子枪，催化剂的组成由150kV下的能量散射仪(EDS)获得。TEM制样过程如下：取微量Ptlr／MWCNT和Pt／MWCNT复合物放于离，tl,管中，加入适量去离子水，超声30min左右，，再分别取8pL上述悬浮液滴于铜网上，空气中干燥。2．2．4电化学检测在电化学检测中，使用15mL的玻璃电解池，其中包含三种电极：嵌入聚四氟乙烯的玻碳电极(直径为3mm)作为工作电极，铂丝对电极(直径：1nlirl，长度：5cm)，饱和KClAg／AgCl参比电极。玻碳电极使用之前使用0．5gm氧化铝粉末对其抛光处理，再用超纯水清洗，并于超纯水中超声20min，清洗晾干备用。碳纳米管或铂催化剂修饰玻碳电极：分别称取4mg多壁碳纳米管、Pt／MWCNT复合材料、Ptlr／MWCNT复合材料，溶于4001aL去离子水中，超声分散形成均匀分散相，取59L上述悬浊液与2．5此0．5％Nafion⑧l17乙醇溶液混合滴到备用的玻碳电极上，室温自然晾干。电化学表征通过将三电极体系与CHI660C电化学工作站连接获得，电解质溶液在使用之前通氮气15min。使用修饰的玻碳电极作为工作电极，循环伏安法可以检测葡萄糖的氧化，扫描电压为一0．8V~+0．8V，扫描速率为50mV／s，电解质溶液为包含O．15MNaCl、0．1mM葡萄糖的0．2M磷酸缓冲溶液(pH7．4)。葡萄糖检测在O．1V恒电位下，加入一系列浓度的葡萄糖溶液于包含0．15MNaCI的0．2M磷酸缓冲溶液中的进行。实验进行前，所用电解质溶液均需通入氮气15min，且室温下进行实验。 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感2．3结果与讨论2．3．1Ptlr／MWCNT和Pt／MWCNT复合材料的表征通过TEM图，我们可以看到不同比例的PtIr／MWCNT复合物的形貌，如图2．1所示，铂铱纳米粒子均匀、高密度地分散在多壁碳纳米管表面，而铂纳米粒子却分布不均匀，可以明显看到，小尺寸的铂纳米粒子在碳纳米管表面聚合成大尺寸的粒子。 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感图2．IPtlIrl／MWCNT(A，B)，Pt2Irl／MWCNT(C，D)，PU[rl／MWCNT(E，F)，Pt／MWCNT(G，H)复合材3}、糊TEM图粒子的粒径分布(如图2．2所示)可以通过MWCNTs表面选定区域的PtIr和Pt粒径的统计学计算得到。由于铂铱比例不同，Ptxlrl／MWCNT复合物上Ptlr粒子平均直径在2．0—3．0nm，当Pt／Ir比例在2：1时，粒子的平均直径最小，为20 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感2．0nm。相比之下，铂纳米粒子的粒径分布在2．8nln，平均直径为5．2nm，明显比PtIr粒子直径大。C25零龃C．Q15_=皇t0L●■苦5O幼铀3．o3．5¨tS5．O&5NanoparticlesSizelnm1．o'．。202S氛O站4．04jNanoparticlesSizelnm1．01．52．02．53．03．54．0NanoparticlesSizelnm2345B73NanoparUclesSizelnm图2．2PtlIrl／MWCNT(A)，Pt2Irl／MWCNT(B)，Ptalrl／MWCNT(C)及Pt／MWCNT(D)复合材料中的nIr(A，Bandc)，Pt(D)纳米粒子’蝴布图Ptlr／MWCNT复合物的组成通过附加在TEM上的EDS可以测得，如图2．3所示。在8．0KeV出现的峰为CuKa峰(相应的La峰1．2KeV，Kb峰8．8KeV)，它是由做TEM检测时用的铜网产生【8l】。在Pflr／MWCNT复合物中，Pt和IrMa峰均出现在2．1KeV，PtLa峰在9．5KeV，Lb峰在11．1KeV，而IrLa峰在9．2KeV，Lb峰在10．8KeV[硼。复合物中Pt／Ir的摩尔比率可通过EDS曲线上PtL和IrL信号峰强度来比较，所得结果如表2．1所示，从表上可以看出，此结果与ICP．AES数据相一致。同时，在Pt／MWCNT复合物上检测不到Ir信号峰。2l∞筋趵：窑矩5OB零co譬：Q暑西丕嚣翘侣伯；OA零舌薯口写协石器∞=2∞soD零co墨=cI～暑毋五 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感AC图2．3PtlIrl／MWCNT(A)，Pt2Irl／MWCNT(B)，Pt4Irl／MWCNT(C)，Pt／MWCNT(D)的EDS虱表2．1通过ICP．AES获得的Ptlr／MWCNT和Pt／MWCNT复合材料的组成图 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感2．3．2PtIr／MWCNT和Pt／MWCNT复合材料的电化学检测Potential／(VVsAgCI)图2．4Ptxlrl／MWCNT(x-1，2，4)和Pt／MwCl姐复合物修饰的玻碳电极在0．5M硫酸中的循环伏安图图2．4为Ptxtrl／MWCNT(X=1，2，4)和Pt／MWCNT复合物修饰的玻碳电极在氮气饱和后的0．5MH2S04中的循环伏安图。在．0．2～0．1V之间Ptlr绨J米粒子表现了明显的特征，可以分别解释为阴极扫描时的质子还原吸附峰和阳极扫描时的氢原子氧化脱附峰‘翻。这个区域被定义为氢区域，可以用来计算电化学活性表面(ESA)t831。如表2．1所示，PtxIrl／MWCNT复合物mESA通过氢区域积分获得。从表中可以明显看出，ESA的大小主要取决于与负载在MWCNT上的Ptlr纳米粒子的粒径大小。对于大量粒子来说，如前面讨论的一样，粒子直径越小，表面积越大，因此，PtxIrl／MWCNT和PffMWCNT复合材料中表面积大小依次为：PhIrl／MWCNT(116．7m2一gat)，at,trl／MWCNT(95．3m2一g-at)，Ptl儿lIr／MWCNT(78．2m2一g-It)，Pt／MWCNT(58．3I∥’91Pt)．一7．EuIvE一≥c9J§o 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感表2．2Ptlr／MWCNT和Pt／MWCNl复合材料的电化学活性表面2．3．3葡萄糖在Ptlr／MWCNTs／GC电极上的电化学催化氧化复合材料的电化学催化性质同样可以通过循环伏安法测得。为了使这种葡萄糖传感器更好的适应商业应用，实验进行时采用的电解质溶液为与人体生理环境相同pH值(pH7．4)的包含C1．的磷酸缓冲溶液，C1．的存在将会抑制葡萄糖的吸附并减缓氧化速率。图2．5a显示的是Pt2Irl／MWCNTs／GC电极在1mM葡萄糖存在与不存在的0．2M包含0．15MNaCl的磷酸缓冲溶液中的循环伏安图。同时，图2．5e和2．5c是修饰有MWCNTs和Pt／MWCNT的电极在电解质溶液中的循环伏安图。从图2．5e中可以看出，在．0．6～0．8V之间没有相应的明显的葡萄糖氧化峰，而Pt2Irl／MWCNTs／GC电极和Pt／MWCNT电极却有明显的多重葡萄糖及其中间产物的还原吸附峰【84l。这些峰都可以由已经证实过的葡萄糖在中性介质中铂电极上的电氧化来解释【85】。为方便描述，下面将只讨论阳极氧化峰。峰I出现在氢区域(小于．0．3V)，是葡萄糖的化学吸附与氢脱附峰。峰II出现在双电层区域(-0．2到0．2V)，它与葡萄糖的电氧化有关，在这个区域，随着阳极电位的增加，水分解产生了丰富的OH。，对葡萄糖的氧化有催化作用。峰III在氧区域(从0．4V开始)，它与氧释放有关，此时，吸附在铂表面的单层氧将会替换催化能力更强的OH．而使之解吸附。对于Pt／MWCNTs／GC电极来说，峰II和峰III不明显并相互重叠(图2．5c)。相比之下，对于Pt2Irl／MWCNTs／GC电极，峰II和峰III明显分开，并且在0．1V时的电流峰是Pt／MWCNTs／GC电极在0．1V时电流峰的1．7倍。因此，Ir元素的加入对于葡萄糖的氧化(峰II)有明显的增强，有两方面原因可以解释这一增强：24 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感第一，Ir元素的加入使得Ptk纳米粒子的粒径更小，在MWCNT上的分布更均匀，从而为葡萄糖的氧化提供了更多的活泼铂位点。第二，二元合金所产生的双官能团机制也是葡萄糖氧化效果增强的另一个原因。Potential／(VVSAgCl)图2．5Pt2Irl／MAVCNT／GC他b)，Pt／MWCNT／GC(c，d)andMWCNT／GC(e，f疮含有lmM葡鞴(a,c，e)jf【环存在lmM葡萄糖(b，d，f)时的循环伏安图条件：剜鳓爵容液为o．2枷萌蹲嫒冲溶液，扫描速率为50mV／s． 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感2．3．4Ⅳ㈣CNrs／GC电极上的葡萄糖浓度电流测定Time／(Sd)Time“S’1)Concentration／(pM)Potential／(VVSAgCl)图2．6上左图为0．1V的扫描电压下，Pt2IrVMWCNT／RDE—GC(a)，Pt／MWCNT／RDE—GC(b)在合有不同浓度的葡萄糖的0．2M磷酸缓冲溶液中的时间-电流曲线：上右图为左图的校正曲线：下左图为0．1V扫描电压时PtzIru'MWCNT／RDE—GC(a)，Pt2IrVMWCNT／RDE—GC(b)，Ptdrz／MWCNT／RDE—GC(c)在依次加入40IJM葡萄糖时的0．2M磷酸缓冲溶液中的时间-电流曲线，插图为校准曲线：右下图为Pt2IrlJMWCNT／RDE—GC(a)，Pt／MWCNT／RDE-GC(b)在不同时扫描电压时的含有40UM葡萄糖的0．2M磷酸缎中溶液中的电压一电流曲线葡萄糖浓度通过计时电流法测定，如图2．6所示。图2．6A显示的是在0．1V时向pH7．4的含有0．15MNaCl的磷酸缓冲溶液中逐步加入葡萄糖过程中，Pt2hl／MWCNTS／GC和Pt／MWCNTs／GC电极上的时间．电流曲线。从图中可以看出，两支电极均能在5s内对葡萄糖浓度的改变作出稳定响应。当葡萄糖浓度低于3Ⅲ时，见图2．6A插图，Pt／MWCNTs／GC电极没有明显的响应，而Pt2Irl／MWCNTs／GC电极上却约有0．2351xA．cIn．2电流变化，图2．6B显示的是Pt2Irl／MWCNTs／GC和26一N．暑o．vTl暑ca|JnQ—N。_lJo．vTl一≥cm．1．I；Q一警Eo．Vo≥=ajJno￡。￡o．V3≥cm乏：o 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感Pt／MWCNTs／GC电极的校正曲线，对Pt／Irl／MWCNTs／GC电极，线性范围为1．0—1000lxM，灵敏度为206肚·mM-l·cm之舻0．9987)，检测限为0．5pM(信噪比=3)。而对Pt／MWCNTs／GC电极，线性范围变窄(6．0．800州)，灵敏度降低(48p．A·mM‘l·cm之(FO．9065))，检测限变低(41．tM)。如图2．6C所示，当PflrL匕例不同时，灵敏度存在如下不同：Pt2Irl／MWCNTs(206lxA·mM‘l·cm之)>Pt4Irl／MWCNTs(162}tA·mM-i．cm。2)>PhIrl／MWCNTs(114肚·mM‘locm。2)．此灵敏度顺序结果与铂基催化剂的电活性表面积结果相一致。葡萄糖的其他检测参数见表2．3，从表中明显可以看出，除灵敏度之外，Pt2Irl／MWCNTs／GC电极的线性范围和检测限都优于Pt4Irl／MWCNTs／GC和PtlIrl／MWCNTs／GC电极。在相同电解质溶液中固定葡萄糖的浓度在40州研究电极电势对电极的影响。图2．6D显示在．0．3~o．3V之间时各电极电势对电极的响应电流，同样，Phlrl／MWCNTs／GC电极在不同的电位下的葡萄糖氧化电流响应都比Pt／MWCNTS／GC电极强，最佳的氧化响应电位为O．1V，与循环伏安图的峰值相同。表2．4YU出了其他修饰电极对葡萄糖氧化催化的参数，从表中可以看LBPt2Irl／MWCNTs／GC电极的灵敏度，线性范围，检测线都较好，甚至优于曾报道过的其他电极。表2．3Pt催化剂对葡萄糖的分析检测参数 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感ElectrodematerialsSensitivityLinearDetection(gA．mMq．cm之RangelimitReferenceJfmM)(uM)Pd／SⅥ伦删T～1600．5-170．2士0．05『11NanoporousPt-Ir(38％)93．7Uptol0Notgiven【2】Pt／CNTNotgivenUpto46．628『31PtsoAuso／CNTs10．71Upto24．44Notgiven【4】PtRu(1：1、卜MWNTLIL／GCE10．7upto1550『51PtPb／CNT18Upto5160f61PtIrnanotube63．8Upto20Notgiven『712．3．5Pt2Irl／MWCNTs／GC电极的选择性和稳定性实际样品中，人体血液中存在一些与葡萄糖并存的易氧化物质，如抗坏血酸，尿酸，乙酰氨基酚等，会对传感造成影响【861。考虑到人体血液中葡萄糖浓度是其他干扰物质的30倍【871，研究电极的选择性时选择物质的浓度分别为2．5gM尿酸，2．5肛M乙酰氨基酚，2．51．tM抗坏血酸，25}tM肌酸酐，180gM胆固醇，180“M葡萄糖。如图2．7所示，当加入葡萄糖时可以看到显著的电流响应，而尿酸，胆固醇和乙酰氨基酚的响应可以忽略不计，而抗坏血酸和肌酸酐产生的电流响应只有葡萄糖的5．6％和4．1％，因此在检测葡萄糖时也可以忽略。 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感Time／(S一)图2．7n2岫／MwC№腹在台．有2．5州尿酸，2．5州乙酣氡妻鼢，2．5州㈣，180黼,25pM肌酸酐，180pM胆固醇的0．2M瞵酸翳中溶液中0．1V扫描电压时的电流·时间曲线电极对葡萄糖检测的稳定性也是一个重要的参数，由于电化学催化原理相似，只比较了Pt2Irl／MWCNTs／GC和Pt／MWCNTs／GC电极检测的稳定性。图2．8比较了两电极在300ⅢM葡萄糖中反应12min时的电流响应稳定情况，Pt／MWCNTs／GC电极在12min内产生了45％的电流衰减，而Pt2Irl／MWCNTs／GC电极在整个实验中基本保持不变，从而说明了该电极对葡萄糖及其氧化产物的检测没有抑制作用【8羽。 第二章均与负载铂铱纳米粒子的碳纳米管用于葡萄糖安培电流传感■■、NEU《i’■一≥Co‘-k=QTime／(s’1)图2．8O．1v扫描电压下，Pt2Irl／MWCNTs／GC(a)和Pt／MWCNT／RDE．GC(”在含有300肛M葡萄糖的0．2M{朔辫鼢中溶液中的时间．电流曲线2．4结论总之，我们找到了一种基于Pt／MWCNTs复合电极材料用于无酶电化学葡萄糖传感。通过一步合成法将Pt-Ir纳米粒子以不同的比例均匀负载在多壁碳纳米管的表面，合成的Pt2Irl／MWCNTs复合物在生物干扰物质存在的条件下对葡萄糖的电化学氧化有明显的电流响应，易于合成，快速响应，高灵敏度，强稳定性将使得这种传感器在葡萄糖的临床诊断和制药方面获得广泛的应用前景。30 3基于一维的纳米介子LPtNW@C核壳复合材料对H202检测的高选择性及其应用于葡萄糖生物传感器3．1引言葡萄糖检测已经吸引了广大科研工作者的兴趣，从医学检测到生态检测方面应用都比较广泛，如用于废水处理领域、食品、纺织和环境监控等领域。目前，大部分的分析工作主要致力于寻找选择性高，响应快，稳定性好，灵敏度高，经济的葡萄糖水平控制技术。文献已经报道过许多确定葡萄糖浓度的方法，如红外光谱、拉曼光谱、光声光谱[89-92]等光谱学方法、表面等离子共振传感器f93】、电容检测【941、电化学发光【951、比色法【961和电化学方法【97-101,102,103]等等。在这些方法中，由于电化学方法具有稳定，简易，低耗材，高选择性和灵敏度等优点受到越来越多的关注。而在电化学方法中，报道较多的是葡萄糖氧化酶(GOx)生物传感器。葡萄糖氧化酶包含两个黄素腺嘌呤二核苷酸辅酶因子，它催化葡萄糖的氧化过程如下：葡萄糖+D’—箜q葡萄糖酸内酯+风a因此产生的H202浓度与葡萄糖浓度成比例，可通过检测H202电化学反应时产生的电流来确定葡萄糖的浓度。由于铂元素含有一些已经证实的优良性质，它可作为一种良好的过渡金属电极改良剂【1041。H202的检测分为氧化和还原检测，当H202被氧化时需要的电位较高，达到0．4．0．5V，此时，体内的生物干扰物质如抗坏血酸，尿酸等也会氧化，从而影响检测的选择性，而当H202还原时，由于氧气在铂电极上的还原也会干扰检测，所以一般情况下是在减小过电位的情况下利用H202的氧化来检测的浓度。最新研究结果表明，在高压反应釜中，在160—200。C的水热条件下面，大自然中糖类的碳水化合物的分子可以实现高效碳化。由于这个温度要比正常的苷化温度高，从而会导致糖类物质芳香化与碳化【123,124】，在没有模板存在时，水热条件下，像葡萄糖与蔗糖，都可以实现快速和高效的碳化制得胶体碳球【125,126】。除此之外，众所周知，葡萄糖还是一类典型又温和的还原试剂，它曾被大量地用在银镜反应从而来生产镜子。因此葡萄糖即可以做碳源碳化为碳，又可以做还原 第三章基于一维的纳米介孔Pt@C核壳复合材料对H202检测的高选择性及其应用于葡萄糖塑传埋塑剂。根据以上思路，以葡萄糖为碳源一步法合成Te@C核壳纳米结构后用铂置换其中的Te而形成PtNW@C核壳纳米线，修饰到玻碳电极上，用于双氧水的电化学检测，经研究，该方法合成的纳米复合材料对双氧水的检测灵敏度高，检测限低，稳定性好。3．2实验部分试剂：葡萄糖(国药集团)，Na2Te03(阿拉丁试剂)，浓氨水(国药集团)，85％水合肼(光复精细化工)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(分子量40000)(stremchemicals)，葡萄糖氧化酶(GOD，Fluka公司，211U／rag)，戊二醛(GA，上海试剂公司)，H2PtCl6"6H20，双氧水，磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，抗坏血酸，烟碱酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，尿酸等均为分析纯且购自ACROS公司。3．2．1TeNW@C核壳结构复合材料的制备称取0．49聚乙烯吡咯烷酮溶解在15mL水中，再向其中加入0．11079亚碲酸钠，搅拌，形成均匀透明的溶液，加入lmL水合肼，2mL氨水，1．59葡萄糖，再搅拌均匀，最后加入6mL水形成24mL的无色透明溶液，转入到反应釜中，置于180。C反应4h，冷却后离心出产品，分别用乙醇和水洗涤，直到上清夜无色。3．2．2PtNW@C核壳结构纳米线的制备将上面合成的产品分散在20mL水中，取适量再分散在20mL水中，加入200肛LO．5MH2PtCl6搅拌15min之后置于油浴锅上50。C反应14h。冷却下的产品离心分离后用无水乙醇和水洗涤多次。3．2．3葡萄糖传感电极的制备称取2mg葡萄糖氧化酶(GOD)和lmgBSA溶解于lOOp．L磷酸缓冲溶液中配制成GOD溶液。再取上述合成的PtNW@C核壳复合材料lmg溶于lmL磷酸缓冲溶液中形成溶液，最后将5I，tLPtNW@C溶液与5“LGOD溶液和41aL0．025％ 第三章基于一维的纳米介孔Pt@C核壳复合材料对H202检测的高选择性及其应用于葡萄糖生物传感器的戊二醛混合形成均匀混合溶液，取该混合溶液51iL滴到抛光过的玻碳电极上晾干，形成葡萄糖传感电极。3．3表征透射电子显微镜(TEM)表征取白配备有X射线电子能量散射光谱(EDXS)的2010JEOL显微镜，在200kV下使用LaB6高亮度电子枪，催化剂的组成由150kV下的能量散射仪(EDS)获得。TEM制样过程如下：取微量合成的复合物放于离心管中，加入适量去离子水，超声30min左右，，再分别取8此上述悬浮液滴于铜网上，空气中干燥。3．4电化学检测电化学检测时使用三电极系统：修饰过的玻碳电极(直径为3．0mm)作为工作电极；铂丝辅助电极；Ag／AgCl(饱和KCl)参比电极。玻碳电极在修饰之前用氧化铝粉末进行抛光处理，去离子水洗涤之后用乙醇冲洗一次，晾干备用。电化学表征通过将三电极体系与CHI660C电化学工作站连接获得，电解质溶液在使用之前通氮气15min。使用修饰过的玻碳电极作为工作电极，循环伏安法检测电极对双氧水的电流响应，扫描电压为一0．4V~+O．8V，扫描速率为50mV／s，电解质溶液为含有浓度为ImM双氧水的0．2M磷酸缓冲溶液(pH7．4)。双氧水浓度检测在0．2V恒电位下，加入一系列浓度的双氧水溶液于0．2M磷酸缓冲溶液中进行。实验进行前，所用电解质溶液均需通入氮气15min，且室温下进行实验。电极的选择性通过在相同时间间隔内加入lmM抗坏血酸，ImM尿酸，In—kM葡萄糖，I珈LMNADH，1mM双氧水到O．2M磷酸缓冲溶液中时的时间．电流曲线获得。3．5结果与讨论3．5．iPtNW@C核壳结构复合材料和PtNW材料的表征复合材料TEM图如图3．1所示，图A为TeNW的TEM图，图B为它的高 第三章基于一维的纳米介孔Pt@C核壳复合材料对H202检测的高选择性及其应用于葡萄糖生物传壁墨分辨图像，从图中可以看出，TeNW的直径大约为0．694nm。图C为PtNW材料的TEM图，图D为它的高分辨图像，通过此种方法置换出的纳米线表面粗糙。图3．1TcNW(A，B)和11NW(C，D)的TEM图图3．2是TeNW@C复合材料(图A，B)和PtNW@C核壳结构复合材料(图C，D)的TEM图，从图上可以看出，经此方法合成的TeNW@C和PtNW@C复合材料的直径均匀，约为10rim，包覆碳层的厚度大约为3rim。据文献报道，H2PtCl6加入后，Pt直接置换了其中的Te，Te被氧化成死D；一[127]，因此Te纳米线与金属粒子发生的反应可以表述为：马R瓯+死+3马D=R+死嗜一+6a一+明+且合成的PtNW@C复合材料为多孔的结构。 图3．2TeNW@C复合材料(图A，B)和PtNW@C核壳结构复合材料(图C,D)的TEM图图3．3是通过附加在TEM上的EDS测得的复合物的组成，由A图与B图的对比可知，H2PtCl6加入后，取图部分复合物中的碲被铂完全置换，因此，通过此方法可以制得置换完全的PtNW@C复合物。Energy．KeYEnerqvKeY-一，Energy-KeYEnergYKeY-一一图3．3TePNW@C，PtPNW@C复合物的EDS图 第三章基于一维的纳米介孔Pt@C核壳复合材料对H202检测的高选择性及其应用于葡萄糖生物传感器3．5．2电化学表征3．5．2．1mnv@c核壳结构复合材料修饰电极(PtNW@C／GCE)在0．5M硫酸中的电化学研究图3．4为PtNW@C核壳结构复合材料修饰电极和Pt纳米线电极在氮气饱和的0．5M硫酸中的循环伏安图，从图中可见，PtNW@C／GCE电极和PtNW／GCE电极在0．60V出现Pt-O的吸附氧化峰，在．O．2~0．1V为典型Pt．H阴极扫描时的质子还原吸附峰和阳极扫描时的氢原子氧化脱附峰，由图上可以看出，包覆C层后氧化还原电流减小，这是由于包覆的碳层导电能力弱引起的，该结论也可以从两电极在铁氢化钾溶液中的电化学响应得出，如图3．5所示，PtNW@C／GCE电极的氧化还原峰电位的差值较大。eotential／VVSSCE图3．4洲、Ⅳ@c核壳绪陶：复合材斡瞻饰电极(b)和PtNW修饰电极(硼封酽濑的0．5M硫酸39 第三章基于一维的纳米介孔P自@C核壳复合材料对H202检测的高选择性及其应用于葡萄糖生物传感器2_{binarynanocompositesonflee-standinggraphenepaperforflexiblenonenzymmicglucosesensors[J]．BiosensorsandBioelectronics，2009，41：417-423．[74】P．H．Hindle，S．Nigro，M．Asmussen，A．C．Chen，GlucosebiosensingbasedonthehighlyefficientimmobilizationofglucoseoxidaseonaPrussianbluemodifiednanostructuredAusurface[J]．ElectrochemistryCommunications2009，10：2048．2051．[75】L．C．Jiang，W．D．Zhang，AhighlysensitivenonenzymmicglucosesensorbasedonCuOnanoparticles—modifiedcarbonnanotubeelectrode[J]．BiosensorsandBioelectronics2010，25：1402-1407．[76】YMu，D．L．Jia,YYHe，Y．Q．Miao，H．L．Wu，Nanonickeloxidemodifiednon—enzymaticglucosesensorswithenhancedsensitivitythroughanelectrochemicalprocessstrategyathighpotential[J]．BiosensorsandBioelectronics，2011，26：2948-2952．[77】J．P．Wang，D．EThomas，A．C．Chen，NonenzymaticElectrochemicalGlucoseSensorBasedonNanoporousPtPbNetworks[J]．AnalyticalChemistry,2008，80：997．1004．【78】B．Beden，ELargeaud，K．B．Kokoh，C．Lamy,FouriertransforminfraredreflectancespectroscopicinvestigationoftheelectrocatalyticoxidationofD-glucose：Identificationofreactiveintermediatesandreactionproducts[J]．ElectrochimicaActa,1996，41：701-709．[79]I．T．Bae，E．Yeager，X．Xing，C．C．Liu，Insituinfraredstudiesofglucoseoxidationonplatinuminanalkalinemedium[J]．JournalofElectroanalyticalChemistry1991，309：131·145．[80】S．J．Park，T．D．Chung，H．C．Kim，Nonenzymaticglucosedetectionusingmesoporousplatinum[J]．AnalyticalChemistry,2003，75：3046-3049．[81]YDing，Y．X．Liu，L．C．Zhang，YWang，M．Bellagamba,J．Parisi，C．M．Li，Y．Lei，S6 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致谢本论文在导师袁军华教授的悉心指导下完成，袁老师丰富的学识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、真诚的为人、和蔼的作风都为我树立了良好的榜样。在此对老师多年来在学习、科研和生活上给予我的指导和爱护表示衷心的感谢!在今后的工作和生活中，老师的人生经历、为人与期望都将时刻激励和鞭策着我。论文工作期间，实验室师姐师妹给予了大力帮助，衷心感谢师姐在学术上的指导和生活上的细心帮助，感谢师妹的热心，感谢分析化学专业的每一位老师在读研期间给予的学习上的指导!衷心感谢我的父母及其他亲朋好友，对我的关心、支持与理解，他们对我的关心、鼓励和支持，使我顺利完成现在的硕士学业。最后，感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和教授们! 攻读学位期间取得研究成果1．JunhuaYuan，BoHe，LijiHong，JuanLu，JigenMiaoandLiNiu，．UniformPtlrcatalystssupportedoncarbonnanotubesprepared、析tIlassistancefromphosphomolybdicacid，andtheirenhancedperformanceintheoxidationofmethanol[J]．J．Mater．Chem．，2012，22：19658—196652．BoHe，LijiHong，JuanLu，JianguoHu，YunyunYang，JunhuaYuan，LiNiu，．AnovelamperometricglucosesensorbasedonPtIrnanoparticlesuniformlydispersedoncarbonnanotubes[J]．Electrochim．Acta,2013，91：353—3603．XiaoliJin，BoHe，JigenMiao，Junhuayuan，QixianZhang，LiNiu，Onepotsynthesisof／PtRuandPtnanoparticles／multiwalledcarbonnanotubehybridsinthepresenceofphosphomolybdicacid，andtheirusesindirectmethanolfuelcell[J]．Carbon，2012，3：3083-3091．4．NaLi，BoHe，ShaoyaXu，JunhuaYuan，JigenMiao，LiNiu，JixiaSong，．InsiteformationandgrowthofPrussianbluenanoparticlesanchoredtomultiwalledcarbonnanotubes谢mpoly(4-vinylpyridinellinkerbylayer-by-layerassembly[J]．Mater．Chem．Phys．，2012，133(2—3)：726—734．65 浙江师范大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：咕员泊日期：乙。l≥年f月f7日学位论文使用授权声明本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。作者签名：喂铂导师签名：袁辱彳日期：矽J肄f月／7日}