基于二氧化鈦納米管陣列酶電極的制備及其應用研究.pdf

1、電化學酶生物傳感器是一種將電化學分析方法與酶生物技術相結(jié)合的生物傳感器，已在臨床檢測、環(huán)境監(jiān)測以及食品、制藥等領域表現(xiàn)出廣闊的應用前景。目前，在酶生物傳感器的制備和應用過程中，所面臨的最大問題就是酶電極的生物電催化活性較低，且穩(wěn)定性較差，容易失活。然而，此類問題與酶電極制備過程中所采用的酶固定化方法、以及酶固定化所選用載體材料密切相關。此外，酶電極的生物電催化活性不僅與載體材料的親水性密切相關，而且與載體材料的導電性也密切相關?；诖耍?/p>

2、本論文從新型二氧化鈦(TiO2)納米載體材料用于酶電極的構(gòu)建以及酶的高效固定化方法等方面進行了探索性的研究。
　　本論文研究工作主要是基于TiO2NTAs酶電極的制備及其應用研究。設計合成了4種不同TiO2NTAs基載體材料:二氧化鈦納米管陣列(TiO2NTAs)，二氧化鈦納米管陣列/銀納米顆粒(TiO2NTAs/AgNPs)，二氧化鈦納米管陣列/還原氧化石墨烯/銀納米顆粒(TiO2NTAs/r-GO/AgNPs)，氮摻雜二氧化鈦

3、納米管陣列(N-TiO2NTAs)。基于以上所制備的TiO2NTAs基載體材料構(gòu)建了一系列具有較高生物電催化活性的TiO2NTAs基酶電極，并研究了所制備酶電極在生物電催化領域中的應用。本論文研究的具體工作包括以下幾個方面:
　　1、TiO2NTAs/GOx酶電極的制備及其生物電催化性能研究。TiO2 NTAs具有良好的生物相容性和良好的親水性，并且具有較大的比表面積和較強的吸附能力;此外，高度有序的TiO2納米陣列可以為電子傳輸

4、提供單向通道，有利于電子傳導。因而，TiO2NTAs是一種理想的酶電極載體材料。探索研究了以TiO2NTAs為載體材料，在其表面進行葡萄糖氧化酶(GOx)的固定化，以制備TiO2NTAs/GOx酶電極。提出了一種可直接將GOx固定化于TiO2NTAs表面以制備酶電極的新的酶固定化方法，即改進交聯(lián)法。與傳統(tǒng)的交聯(lián)法相比，該種改進交聯(lián)法可以直接將酶固定化于載體材料的表面，避免酶的活性中心在固定化過程中被包埋，因此可以有效提升酶電極的生物電催

5、化活性。研究表明，基于TiO2NTAs/GOx酶電極的生物傳感器對葡萄糖濃度響應的線性范圍為0.05-0.65mM，其檢測靈敏度為199.61μA mM-1 cm-2。因此，TiO2NTAs/GOx酶電極具有良好的生物電催化活性，可以作為葡萄糖生物傳感器用于葡萄糖的檢測。
　　2、TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的制備及其生物電催化性能研究。銀不僅是導電性最好的貴金屬材料，而且具有良好的生物相容性，基于AgNPs修飾酶生

6、物傳感器具有較強的檢測靈敏度。探索研究了以TiO2NTAs/AgNPs為載體材料的酶電極，通過提高載體材料電子傳遞能力來提升酶電極生物電催化活性。本研究采用了化學沉積法將AgNPs沉積于TiO2NTAs表面，得到了TiO2NTAs/AgNPs，單個銀顆粒的尺寸大小在30到100nm范圍之間。然后，采用改進交聯(lián)法將GOx固定化于TiO2NTAs/AgNPs載體材料表面制備得到了TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極，并研究的該酶電極在

7、生物電催化領域中的應用。研究表明，基于TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的生物傳感器對葡萄糖濃度響應的線性范圍為0.05-0.65mM，其檢測靈敏度為207.43μA mM-1。與TiO2NTAs/GOx酶電極的檢測靈敏度(199.61μA mM-1 cm2)相比較為接近或者有輕微的提升，但重要的是TiO2NTAs/AgNPs電極電子傳遞能力的提升，使得其在酶生物燃料電池領域中的應用成為了可能?；赥iO2NTAs/AgNPs/

8、GOx酶電極的生物燃料電池的開路電壓為0.202V，短路電流為0.197mA cm-2，最大輸出功率密度為8.66μW cm-2。因此，TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的生物電催化活性高于TiO2NTAs/GOx酶電極，能夠一定程度上提高葡萄糖生物傳感器的檢測靈敏度性能，并且可以應用于構(gòu)建酶生物燃料電池。
　　3、TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的制備及其生物電催化性能研究。石墨烯與納米顆粒之間能夠形

9、成的較強的范德華力，可以有效防止其表面所沉積的納米顆粒的團聚，在石墨烯的表面進行納米顆粒的沉積可以得到較小尺寸的納米顆粒。此外，r-GO表面富含親水性基團，這些親水性基團有助于酶電極構(gòu)建過程中提升酶的固定化效率。為了解決TiO2NTAs/AgNPs載體材料中AgNPs的團聚現(xiàn)象、粒徑大小不一和分布不太均勻等問題，探索研究了以TiO2NTAs/r-GO/AgNPs為載體材料的酶電極，通過提高表面修飾AgNPs分散性能來提升酶電極生物電催化

10、活性。采用化學沉積法將AgNPs沉積于r-GO修飾的TiO2NTAs表面，得到了TiO2NTAs/r-GO/AgNPs。然后，采用改進交聯(lián)法將GOx固定化于TiO2NTAs/r-GO/AgNPs載體材料表面制備得到了TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極，并研究了該酶電極在生物電催化領域中的應用。研究表明，與TiO2NTAs/AgNPs相比，TiO2NTAs/r-GO/AgNPs表面AgNPs的覆蓋密度更大，AgNPs顆粒

11、尺寸又小又均勻，單個銀顆粒的尺寸大小在20到30 nm范圍之間?；赥iO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的生物傳感器對葡萄糖濃度響應的線性范圍為0.05-0.3mM，其檢測靈敏度為257.79μA mM-1，比較TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶電極的檢測靈敏度(207.43μA mM-1 cm-2)有明顯的提升;基于TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的生物燃料電池的開路電壓為0.225 V，短路

12、電流為0.232mA cm-2，最大輸出功率密度為13.45μW cm-2，比較基于TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的生物燃料電池(8.66μW cm-2)有一定程度的提升。因此，TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的生物電催化活性優(yōu)于TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶電極，可以進一步提高葡萄糖生物傳感器的檢測靈敏度和酶生物燃料電池的最大輸出功率密度。
　　4、N-TiO2NTAs/GOx酶電極的制

13、備及其生物電催化性能研究。氮元素摻雜改性TiO2不僅具有較好的親水性，而且與TiO2相比具有較高的導電性。為了既能提升TiO2NTAs載體材料的電子傳遞能力，又能保持其親水性，采用氮元素摻雜改性TiO2NTAs制備得到了N-TiO2NTAs。TiO2和N-TiO2材料的接觸角分別為39°和44°，因此，它們具有相近而優(yōu)良的親水性;N-TiO2NTAs電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)為500.2ohm，明顯低于TiO2NTAs的Rct(6431oh

14、m)，因此，N-TiO2NTAs與TiO2NTAs相比具有更好的電子傳遞能力。采用改進交聯(lián)法將GOx固定化于N-TiO2NTAs載體材料表面制備了N-TiO2NTAs/GOx酶電極，并研究了該酶電極在生物電催化領域中的應用。研究表明，基于N-TiO2NTAs/GOx酶電極的生物傳感器對葡萄糖濃度響應的線性范圍為0.05-0.85mM，其檢測靈敏度為733.17μA mM-1 cm-2，比較TiO2NTAs/GOx酶電極的檢測靈敏度(19

15、9.61μAmM-1 cm-2)有非常顯著的提升。此外，基于N-TiO2NTAs/GOx酶電極的生物燃料電池的最大輸出功率密度為23.92μW cm-2，比較基于TiO2NTAs/GOx酶電極(5.38μW cm-2)和TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極(13.45μW cm-2)的生物燃料電池都有明顯的提升。因此，N-TiO2NTAs/GOx酶電極的生物電催化活性明顯優(yōu)于TiO2NTAs/GOx和TiO2NTAs/