氧化锌纳米材料基生物传感器的构建及性能研究

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纳米生物传感器是在生物传感器件领域引入纳米材料与技术以期获得灵敏度高、抗干扰性强、长效稳定、分析实时迅速、简单便携和成本低廉的检测器件。氧化锌(ZnO)纳米材料具有大的比表面积、高的等电点、优良的电子输运性能、较强的生物相容性,被广泛应用于纳米器件的构建及性能研究中。而贵金属金纳米颗粒也具有良好的导电性、生物兼容性和电催化活性等。因此,本文围绕ZnO纳米材料及其贵金属Au纳米颗粒复合物的制备、电催化性能和相应生物传感器件的性能方面开展了系统性的研究,主要内容如下:分别采用化学气相沉积法和水热法,可控制备ZnO微/纳线、ZnO纳米线及Al掺杂的ZnO纳米片,利用光还原法结合静电自组装技术成功地在纳米片上修饰Au纳米颗粒。通过场发射扫描电镜、能谱分析仪、X射线衍射仪、共聚焦拉曼光谱仪、X射线光电子能谱技术、透射电镜等仪器手段对形貌、成分和结构进行表征。优化ZnO线和纳米Au颗粒修饰Al掺杂ZnO纳米片的制备工艺参数。设计构筑了单根ZnO微/纳线基酶电极电化学尿酸生物传感器,采用循环伏安法和计时电流法标定器件的灵敏度高达89.74μA cm-2mM-1,线性检测范围宽为100μM~0.59mM(人体血尿酸的正常含量范围为90μM~0.42mM).并研究了器件的抗干扰性优劣,分析器件的实际应用前景。构建了大面积ZnO纳米线生物酶电极,该酶电极传感器对乳酸溶液的线性检测范围宽12μM~1.2mM,灵敏度15.6μAcm-2mM-1,探测下限12μM,米氏常数低至0.85mM。探究了器件性能的影响因素,分析如何进一步改善其性能。设计并构建了Al掺ZnO纳米片电化学乳酸生物传感器,其灵敏度为33.46μA cm-2mM-1,线性探测范围宽1.2μM~0.12mM,米氏常数为0.25mM,这是通过Al的掺杂和ZnO的垂直纳米片结构提高了材料的导电性和酶电极的电子传输特性而得以实现的。该传感器性能相对优于纯ZnO纳米线等乳酸传感器。对比研究了引入纳米Au颗粒后,Al掺ZnO纳米片乳酸生物传感器的性能,发现其灵敏度提高至115.65μAcm-2mM-,线性检测范围展宽为0.6μM~0.18mM,米氏常数降低至0.2mM。Au纳米颗粒优异的电催化活性、电子传输特性和生物兼容性以及Au颗粒引入的更大材料表面积便得器件的性能得以明显改善。
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