关键词：
多壁碳纳米管
普鲁士蓝
纳米通道填充
传质
生物传感
摘要：
近年来,纳米复合材料研究发展迅速。碳纳米管作为一种具有特殊空腔管道的一维纳米材料,其独特的纳米结构和优异的力学、电学、热学和物理化学性能备受关注。大量研究表明,通过填充碳纳米管的一维内腔可有效改变碳纳米管的电性、磁性、热传导性、光学及力学性能,但目前填充所采用的方法大多需要较为苛刻的条件,且填充电化学功能性物质的研究很少。一维纳米孔道内的传质问题一直是研究热点与难点,但采用电化学技术可靠而便利地研究该传质问题的报道很少。另外,填充型碳管留空的外壁表面可便利地修饰其它活性物质,这样,管内外活性物质的选择多样性及其协同作用允许人们开发双／多功能的高性能集成器件,但鲜见这方面的研究(包括概念性的探索)。本学位论文在简要综述电化学生物传感器、纳米材料和普鲁士蓝研究工作的基础上,成功实现了温和条件下电活性物质普鲁士蓝(PB)在多壁碳纳米管(MWCNTs)内的填充,对该复合材料的制备、表征及化学／生物传感应用进行了系列研究。主要工作如下。
1.制备了电活性PB填充的多壁碳纳米管(MWCNTs)新型复合材料,并将其应用于高性能生物传感。首先将酸化并管端开口的MWCNTs于前驱体溶液中超声,离心分离后加入硫酸亚铁溶液得到管内外均附着PB的MWCNTs复合材料(PB/MWCNTs-PBin),基于管内外PB不同的碱-酸反应性,可选择性溶解管外PB,制得管内填充PB的MWCNTs复合材料(MWCNTs-PBin)。采用UV-vis、FT-IR、 TEM、CV法对其填充选择性、电化学性能及催化性能进行表征。MWCNTs-PBin修饰电极对H202还原的优异催化性能,其测试稳定性突出,明显优于常规PB修饰电极。MWCNTs-PBin修饰电极传感H2O2的线性检测区间为0.01-6.5mM,灵敏度为116μA mM-1cm-2,检测下限为0.2μM。此外,在MWCNTs-PBin外壁籍π-π共轭作用吸附吡啶酸(PBA),再利用EDC/NHS交联反应固定葡萄糖氧化酶(GOx),研制了基于低电位(-0.1V)下、管内PB电催化管外酶生H2O2还原电流信号的新型高灵敏度、高选择性葡萄糖生物传感器。
2.通过调控制备PB纳米粒子前驱体的比例调控PB纳米粒子尺寸大小,基于碳纳米管的限域效应及主客体匹配作用实现PB纳米粒子的同步填充。采用UV-vis、FT-IR、TEM、CV法表征了MWCNTs-PBin的光谱性能、形貌特征、稳定性及催化性能,表明这种方法已将PB成功填充至碳纳米管内腔。采用计时电流法利用MWCNTs-PBin高效催化性能构建高灵敏H202传感器,检测下限为0.8μM,线性检测区间为0.01-8mM,灵敏度为71.51μAcm-2mM-1。该法反应条件温和,操作简便,易于批量制备。此外,基于π-π共轭作用在MWCNTs-PBin外壁修饰吡啶酸(PBA),再利用EDC/NHS交联反应固定乳酸氧化酶(LOx),从而研制了低电位(-0.1V)下检测管内PB电催化还原管外酶生H202的新型高灵敏度、高选择性乳酸生物传感器。这种调控活性物质纳米粒子尺寸而实现管内填充的“可控纳米填充”策略具有较高的普适性,可望推广到其他纳米孔道的填充和填充型纳米复合材料的研制。
3.纳米通道内的分子传质问题一直是研究热点与难点,但因电活性填充研究较少,该问题的电化学研究目前并不多见。因PB的直接电化学及电催化行为与溶液态K+及H2O2密切相关,故PB填充型碳纳米管的电化学研究可提供有关管内K+及H202传质的丰富的定量信息,从而构建面向填充型纳米通道内传质问题的新型电化学研究平台。通过循环伏安实验,我们发现在较低扫速(对K+≤125mV s-1,对H202≤75mV s-1)时,碳管内部PB与碳管修饰金电极(MWCNTs-PBe/Au)或金电极(PB/Au)上的常规电沉积PB无明显的直接电化学和电催化性能差异,表明低于这两个临界扫速时管内传质速率与管外相当,而在更高的扫速条件下则管内传质更为迟缓。此外,我们首次采用石英晶体微天平(QCM)定量测定了MWCNTs-PBin中PB的填充率及电活性百分率,并对填充率及电活性进行理论探讨。
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