納米管復(fù)合材料的制備及在生物傳感器中的應(yīng)用.pdf

1、納米材料和生物體系相結(jié)合的相關(guān)研究是納米生物學(xué)中很有前景的一個研究領(lǐng)域。將納米材料獨特的電子學(xué)，光學(xué)和催化特性與生物分子高度選擇性的催化能力和識別能力結(jié)合起來，構(gòu)建功能化的復(fù)合界面系統(tǒng)，對發(fā)展納米電子元件和生物傳感器具有重要意義。作為一種新型的碳納米材料，自從1991年被Iijima發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管(CNTs)因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，而成為人們廣泛研究關(guān)注的焦點。由于其較大的比表面積，良好的生物相容性和豐富的電子學(xué)性質(zhì)，碳納米管被認

2、為是一種構(gòu)建新型生物傳感器的理想材料?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了眾多的基于碳納米管的酶生物傳感器。在大多數(shù)情況下，CNTs修飾電極由滴涂法制備。但是，這種方法制備的修飾電極，其穩(wěn)定性和應(yīng)用性有一定局限，妨礙了其在電化學(xué)中的進一步應(yīng)用。為了克服這些問題，拓展CNTs在納米器件和生物傳感器中的潛在應(yīng)用價值，建立新型的多樣性地將CNTs和酶共同修飾到電極表面的可靠方法十分必要。另一方面，近年來，把CNTs和其它材料整合起來，制備復(fù)合功能材料也引起了研究者

3、相當(dāng)?shù)呐d趣。盡管在CNTs修飾電極的構(gòu)建方面已經(jīng)有了部分創(chuàng)造性的工作，但是，隨著CNTs和納米技術(shù)的發(fā)展，CNTs及其復(fù)合材料的制備、性質(zhì)及應(yīng)用仍然吸引了全世界眾多的研究者而成為熱點領(lǐng)域。 本論文內(nèi)容共分七章，主要摘要如下： 在第一章中，對CNTs的發(fā)展，制備、功能化及其應(yīng)用進行了較系統(tǒng)全面的綜述。 在第二章中，通過磁性負載碳納米管/納米四氧化三鐵(CNTs/Fe3O4)于電極上，發(fā)展了一種新型的電化學(xué)傳感平臺。

4、為了實現(xiàn)傳感器的構(gòu)建理念，首先在CNTs存在的堿性溶液中，F(xiàn)e2+和Fe3+化學(xué)共沉積形成納米Fe3O4于CNTs上。合成的磁性納米復(fù)合材料整合了CNTs和Fe3O4的優(yōu)點，為電化學(xué)傳感裝置帶來了新的改進，從而提供了一種把CNTs負載到電極表面的新方法。對磁性納米復(fù)合物修飾電極的制備和表現(xiàn)進行了研究。修飾電極對過氧化氫顯著的電化學(xué)催化性能使得低電位下檢測葡萄糖成為可能。本文中磁性負載碳納米管復(fù)合物的概念在基于CNTs的生物傳感裝置的創(chuàng)建

5、和電化學(xué)裝置的發(fā)展上有進一步的應(yīng)用價值。 在第三章中，將開口截斷的多壁碳納米管(MWNTs)在硝酸鐵溶液中水熱反應(yīng)后煅燒，從而制備了填充γ-Fe2O3的碳納米管。磁性粒子通過濕法化學(xué)填充到碳管內(nèi)部。產(chǎn)物用透射電鏡(TEM)、能量分散X射線熒光(EDX)、X射線粉末衍射(XRD)、電子結(jié)合能譜(XPS)和磁力計(VSM)進行了表征。制備得到的磁性碳納米管(M-MWNTs)能夠在溶液中得到很好的分散，而且可以很方便的進行磁性分離。對

6、染料的吸附實驗證明其是一種移除中性紅和亞甲基蘭的有效吸附劑。和其它吸附劑相比，M-MWNTs不僅有著很好的吸附能力，而且可以在外磁場作用下很方便的操作。把碳納米管的優(yōu)良的吸附能力和磁性粒子的磁學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來，使得磁性碳納米管成為了一種應(yīng)對環(huán)境污染的有力工具。 在第四章中，用磁性誘導(dǎo)組裝的方法構(gòu)建了一種基于磁性碳納米管的新型的電化學(xué)納米生物傳感器。在磁場作用下，M-MWNTs和酶組裝成了復(fù)合多層的功能化界面。辣根過氧化物酶(HRP

7、)作為一種模型蛋白，展示了所構(gòu)建的納米生物傳感器的最終性能表現(xiàn)。用掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外可見光譜和電化學(xué)技術(shù)對組裝過程進行了表征。最終形成的M-MWNTs/HRP三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜顯示了優(yōu)異的穩(wěn)定性、生物兼容性和電化學(xué)性質(zhì)。 結(jié)果表明，磁性組裝能夠有效增加酶和碳納米管在電極表面的功能化密度，從而提升傳感器的性能表現(xiàn)。這里，我們提供了一種以可控方式組裝碳納米管和生物分子形成納米生物功能化界面的通用方法。 在第五章中，

8、用電沉積的方法把氧化鋯、碳納米管和肌紅蛋白沉積到電極表面形成納米生物復(fù)合膜。膜中的肌紅蛋白實現(xiàn)了直接電化學(xué)，并且保持了對過氧化氫的高度催化能力。和單獨的碳納米管或者氧化鋯構(gòu)建的傳感器相比，通過簡單的一步電沉積方法構(gòu)建的生物傳感器展現(xiàn)了對過氧化氫更寬的檢測范圍和更低的檢測限。這里，我們提出了一種簡單有效的組裝CNTs、ZrO2和酶形成納米復(fù)合體系的方法，可以應(yīng)用于其它生物體系。 在第六章中，研究了血紅蛋白(Hb)在硅酸鹽納米管(S

9、NT)修飾電極上的直接電化學(xué)行為。首先在乙醇/水的混合溶液體系中通過水熱法合成了鎳鎂雜化的硅酸鹽納米管。這種新型的硅酸鹽納米管具有尺寸均一、端口開放和表面親水等特點。用TEM、EDX和XRD對產(chǎn)物進行了表征。然后把SNT修飾于電極表面，并對修飾膜用SEM和EIS進行了表征。SNT修飾電極上的Hb實現(xiàn)了直接電子傳遞，并保持了對過氧化氫的高度催化活性。可以預(yù)期，SNT修飾電極能在生物傳感器和生物燃料電池中得到進一步的應(yīng)用。 第七章是