普魯士藍填充的碳納米管新材料的制備、表征及化學-生物傳感應用.pdf

1、近年來，納米復合材料研究發(fā)展迅速。碳納米管作為一種具有特殊空腔管道的一維納米材料，其獨特的納米結構和優(yōu)異的力學、電學、熱學和物理化學性能備受關注。大量研究表明，通過填充碳納米管的一維內腔可有效改變碳納米管的電性、磁性、熱傳導性、光學及力學性能，但目前填充所采用的方法大多需要較為苛刻的條件，且填充電化學功能性物質的研究很少。一維納米孔道內的傳質問題一直是研究熱點與難點，但采用電化學技術可靠而便利地研究該傳質問題的報道很少。另外，填充型碳管

2、留空的外壁表面可便利地修飾其它活性物質，這樣，管內外活性物質的選擇多樣性及其協(xié)同作用允許人們開發(fā)雙/多功能的高性能集成器件，但鮮見這方面的研究(包括概念性的探索)。本學位論文在簡要綜述電化學生物傳感器、納米材料和普魯士藍研究工作的基礎上，成功實現(xiàn)了溫和條件下電活性物質普魯士藍(PB)在多壁碳納米管(MWCNTs)內的填充，對該復合材料的制備、表征及化學/生物傳感應用進行了系列研究。主要工作如下。
　　 1.制備了電活性PB填充的

3、多壁碳納米管(MWCNTs)新型復合材料，并將其應用于高性能生物傳感。首先將酸化并管端開口的MWCNTs于前驅體溶液中超聲，離心分離后加入硫酸亞鐵溶液得到管內外均附著PB的MWCNTs復合材料(PB/MWCNTs-PBin)，基于管內外PB不同的堿-酸反應性，可選擇性溶解管外PB，制得管內填充PB的MWCNTs復合材料(MWCNTs-PBin)。采用UV-vis、FT-IR、TEM、CV法對其填充選擇性、電化學性能及催化性能進行表征。M

4、WCNTs-PBin修飾電極對H2O2還原的優(yōu)異催化性能，其測試穩(wěn)定性突出，明顯優(yōu)于常規(guī)PB修飾電極。MWCNTs-PBin修飾電極傳感H2O2的線性檢測區(qū)間為0.01-6.5mM，靈敏度為116μAmM-1cm-2，檢測下限為0.2μM。此外，在MWCNTs-PBin外壁籍π-π共軛作用吸附吡啶酸(PBA)，再利用EDC/NHS交聯(lián)反應固定葡萄糖氧化酶(GOx)，研制了基于低電位(-0.1V)下、管內PB電催化管外酶生H2O2還原電流

5、信號的新型高靈敏度、高選擇性葡萄糖生物傳感器。
　　 2.通過調控制備PB納米粒子前驅體的比例調控PB納米粒子尺寸大小，基于碳納米管的限域效應及主客體匹配作用實現(xiàn)PB納米粒子的同步填充。采用UV-vis、FT-IR、TEM、CV法表征了MWCNTs-PBin的光譜性能、形貌特征、穩(wěn)定性及催化性能，表明這種方法已將PB成功填充至碳納米管內腔。采用計時電流法利用MWCNTs-PBin高效催化性能構建高靈敏H2O2傳感器，檢測下限為0

6、.8μM，線性檢測區(qū)間為0.01-8mM，靈敏度為71.51μAcm-2mM-1。該法反應條件溫和，操作簡便，易于批量制備。此外，基于π-π共軛作用在MWCNTs-PBin外壁修飾吡啶酸(PBA)，再利用EDC/NHS交聯(lián)反應固定乳酸氧化酶(LOx)，從而研制了低電位(-0.1V)下檢測管內PB電催化還原管外酶生H2O2的新型高靈敏度、高選擇性乳酸生物傳感器。這種調控活性物質納米粒子尺寸而實現(xiàn)管內填充的“可控納米填充”策略具有較高的普適

7、性，可望推廣到其他納米孔道的填充和填充型納米復合材料的研制。
　　 3.納米通道內的分子傳質問題一直是研究熱點與難點，但因電活性填充研究較少，該問題的電化學研究目前并不多見。因PB的直接電化學及電催化行為與溶液態(tài)K+及H2O2密切相關，故PB填充型碳納米管的電化學研究可提供有關管內K+及H2O2傳質的豐富的定量信息，從而構建面向填充型納米通道內傳質問題的新型電化學研究平臺。通過循環(huán)伏安實驗，我們發(fā)現(xiàn)在較低掃速(對K+≤125mV