过渡金属氧化物纳米复合材料在无酶葡萄糖传感器中的应用

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葡萄糖是生命过程中主要的特征化合物,它的分析与检测对人类疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义。1967年第一支含酶葡萄糖生物传感器的诞生,成功将纳米材料与电化学分析检测结合在一起。酶式葡萄糖生物传感器具有良好的选择性和高的灵敏度,但它易受温度、湿度、pH等外界环境的影响,而且酶的固定程序比较复杂,价格昂贵,寿命较短等缺点也限制了它的应用及发展。近年来,无酶葡萄糖传感器凭借响应速度快,高的灵敏度,低的检测限和良好的稳定性等优势成为当今研究热点。  本文着重设计和制备了3种新型纳米复合材料,并结合电化学检测手段构建无酶葡萄糖电化学传感器。在提高无酶葡萄糖传感器的灵敏度方面取得了一定的研究进展,具体内容如下:  1.氧化镍-碳纤维纳米复合材料的制备及其在无酶葡萄糖传感器中的应用。  采用均匀沉淀法,将NiO纳米粒子均匀生长在CNFs上,并利用XRD、EDS和SEM对其成分和形貌进行表征。采用滴涂法将该材料修饰于玻碳电极表面构建了无酶葡萄糖传感器。通过对电极的制备条件、检测条件的考察和对葡萄糖的电化学行为的研究,结果表明碳纤维有效的加快了电极表面电子的传递速率,提高了电极对葡萄糖的催化效果。在最佳实验条件下,该传感器对葡萄糖具有较宽的检测范围5.0×10-4~4.5mM和很高的灵敏度3100μA mM-1cm-2。除此之外,该传感器还具备选择性好和不受氯离子毒害等优点,并成功应用于血清样品中葡萄糖含量的检测。  2.氧化铜-碳球纳米复合材料的制备及其在的无酶葡萄糖传感器中的应用。  采用葡萄糖水热法合成直径约600 nm的碳球,并成功引导氧化铜纳米粒子均匀的生长在其表面得到CuONPs-CSs纳米复合材料。利用XRD、XPS、FIR、SEM对其结构组成和形貌进行分析。基于该功能材料在碱性溶液中对葡萄糖具有较高的催化活性,将其修饰于玻碳电极表面,研究其对葡萄糖的电化学行为。结果显示采用该纳米复合材料构建的无酶葡萄糖传感器与单纯的CuONPs相比,具有较高的灵敏度2981μA mM-1cm-2、宽的线性范围5.0×10-4~2.3mM以及低的检测限0.1μM。将其用于人血清中葡萄糖浓度的检测,测定的结果与参考值基本一致。  3.氧化铜-氧化镍纳米复合氧化物的制备及其在无酶葡萄糖传感器中的应用。  基于纳米复合氧化物独特的催化特性,我们以硝酸铜和硝酸镍为原料,采用化学共沉淀法制备 CuO-NiO纳米复合氧化物,并利用SEM、XRD、EDS对其形貌和结构组成进行表征。由于相互掺杂引起晶格畸变,产生更多的活性位点,使得该复合材料构建的葡萄糖传感器对葡萄糖有很好的电催化效果,将其修饰于玻碳电极表面对葡萄糖进行分析检测。在最佳实验条件下,该传感器对葡萄糖响应迅速(小于5 s),灵敏度高达4116μA mM-1cm-2,检测限低至0.2μM(S/N=3),检测范围宽达2×10-3~4.1 mM,并且具有良好的重复性和重现性。
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