纳米结构的黑磷传感性能研究

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黑磷(BP)作为一种新的单元素二维(2D)层状材料,具有直接带隙、高空穴迁移率、带隙随层数可调等性质,使其被广泛应用于光电子、能源、传感器等领域。黑磷纳米片及黑磷量子点是黑磷的两种纳米结构形式,纳米片及量子点具有量子限定效应和边缘效应,使得黑磷纳米片及量子点具有比块状黑磷材料更为优异的性能。因此,快速制备黑磷纳米片和稳定的黑磷量子点材料构建各种类型传感器受到研究者的广泛关注。本文主要以黑磷纳米片及其量子点材料为主要研究对象,通过超临界辅助和钝化方法制备所需的两种纳米材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)、拉曼(Raman)等表征手段对样品的形貌和结构进行表征。随后,进一步研究了这些材料构建的传感器性能。详细研究内容如下:首先采用超临界二氧化碳辅助结合超声的方法,快速制备(5小时,文献中的超声方法一般需要12小时)大小为几个微米,厚度为几个纳米的薄层黑磷纳米片,并且首次研究黑磷纳米片在液体环境下的传感性能,利用黑磷纳米片被双氧水氧化后电导率发生明显变化的特性,构建了基于薄层黑磷纳米片的非酶过氧化氢(H2O2)传感器,该传感器比现有的过氧化氢电化学传感器的检测下限低一个数量级,达到1×10-7M。其次制备出黑磷量子点(BPQDs),然后通过4-硝基苯-重氮(4-NBD)钝化,得到水溶液中稳定的BPQDs。通过TEM,AFM和Raman等表征手段研究稳定的BPQDs的晶体结构、形貌及光学性质。采用紫外-可见(UV-vis)吸收光谱研究稳定的BPQDs的PH传感性能,结果表明稳定的BPQDs可用作碱性溶液中的传感器,表现出优异的pH传感性能。我们的工作为BPQDs在水溶液中的新应用拓宽了道路。最后通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)构建稳定的黑磷量子点多巴胺传感器。加入多巴胺(DA)后,BPQDs在水溶液中的初始UV-Vis吸收峰被有效地猝灭。吸收峰的强度值与DA浓度成比例变化,线性范围为170 nM或11250 nM(人体尿液和血液中多巴胺的最低浓度(5.7×10-7 M和1.6×10-5 M)),该传感器的检测下限为0.33 nM(pH值为59)。该黑磷量子点光学传感器具有灵敏度高,选择性好,成本低,无毒等优点,可用于人体的多巴胺高灵敏临床检测。综上所述,黑磷纳米传感器对上述溶液中的物质均有优异的传感性能,这些传感器具有线性检测范围宽、高灵敏度、超低检测限等优点。我们工作表明黑磷纳米结构材料能够作为一种高性能、简便快捷、超灵敏传感器的材料(尤其是检测溶液中的物质),我们相信黑磷纳米材料传感器可以进一步应用于人类疾病检测,为人民生命健康提供技术支持。
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