新型葡萄糖电化学传感器的研究与分析应用开题报告

毕业设计(论文)开题报告

论文题目一种基于无酶的电化学葡萄糖传感器的研究选题意义：

传感器和传感器技术已经成为现代社会中的重要部分，它在我们的生活生产中无处不在，起着重要的作用。目前在各种期刊上已经发表了大量关于传感器的各种领域的论文。包括分子识别、纳米技术、聚合物化学、微流技术、分子生物学都能作为潜在的传感器应用技术。无论在现在还是在将来，传感器都拥有巨大的价值。传感器可以测量环境组成、健康状况、机器性能、食品质量等等。举例来说，汽车发动机内如果安装上氧气传感器，通过检测氧气含量，可以帮助优化发动机内的空气-燃料比，从而实现优化引擎性能，提高能效比。葡萄糖传感器如果能实现连续在线检测，糖尿病人就可以实时监测自身的血糖变化，从而调节饮食，控制血糖浓度，或者按照需要注射胰岛素。如果将传感器连上封闭控制的胰岛素注射器，还能实现胰岛素的自行注射，使糖尿病人过上普通人的生活。因此，对葡萄糖传感器的研究具有十分重要的现实意义。

与有酵葡萄糖传感器比较,无酶葡萄糖传感器具有以下优点:首先,无酶葡萄糖传感器不受糖易变性失活的影响,不需要在特殊条件下保存,比有酶葡萄糖传感器使用寿命要长;其次,制备无酶葡萄糖传感器比较简单,没有把酶修饰到电极上的技术难题;再次, 无酶型的传感器制备成本要比有酶葡萄糖传感器便宜,因为酶的制备和纯化都较为困难,这就导致酶的使用价格比较高;最后无酶葡萄糖传感器的稳定性和重现性方面都比有酶生物传感器优良,因为它不受修饰到电极上的酶的数量的影响。

虽然近年来电化学方法检测葡萄糖体现出大量的优点,然而这些新型材料在检测葡萄糖时也表现出一定的缺点,如无酶葡萄糖传感器氧化选择性并没有酶电极传感器的选择性好,当样品中存在大量的抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)时,使用镍电极检测也有相应的响应电流。而且部分无酶葡萄糖传感器成本也比较高,容易发生氯离子中毒等等,这些缺点都大大限制了它们的应用。因此,制备一种成本较低、高选择性、可快速可靠检测葡萄糖的无酶葡萄糖传感器仍是科研工作者关注的焦点。

研究背景：

检测葡萄糖含量的方法有很多种。实验室常用的方法是碘量法，实际应用中常用的方法有高效液相色谱法(HPLC法)、分光光度法、旋光度法、气相色谱法、生物传感器法,此外还有比色法、薄层色谱法等。葡萄糖的检测方法很多,各有利弊。髙效液相色谱法中的离子色谱法在近年来发展非常快;银类杂多酸常常用作分光光度法分析中的重要显色剂,用来测定桂、等物质;旋光度法常常用作检测葡萄糖的一种辅助方法,这是由于葡萄糖的结构比较复杂;用气相色谱法检测分析葡萄糖时,操作过程较为复杂,需要对葡萄糖进行桂酸化预处理;使用生物传感器法检测葡萄糖时,表现出线性检测范围宽、灵敏度高、成本比较低等优点,所以生物传感器法检测葡萄糖应用前景较好。葡萄糖传感器的研究一直为化学与生物传感器研究的热点,基于其使用变换器的物理化学原理,葡萄糖传感器可分为电化学传感器、压电传感器、热电传感器、声学传感器和光学传感器等等,其中电化学传感器是最早研制的生物传感器。按有无使用酶用于构建葡萄糖传感器,可将葡萄糖电化学传感器分为基于酶的葡萄糖电化学传感器和无酶电化学传感器。

对于酶电极的电化学葡萄糖传感器的研究已经进行了几十年,同时也取得了令人满意的成果。但是随着研究的发展,人们发现,用酶来修饰电极暴露出了越来越多的缺点,比如电极稳定性不好,因为GOD在电极构造、储存和使用的过程中容易发生变性;酶的成本较高;GOD固定到电极上的过程复杂,仍然没有一种完美的方法,使得其既能满足酶的稳定性和高效性,又能使其不易脱落、失活;实验操作条件需要严格控制;实验数据重现性较差;抗干扰能力差等等。这些因素影响了酶电极葡萄糖生物传感器的灵敏度、稳定性及重现性,也限制了其产业化发展。因此,越来越多的科研工作开始关注无酶电极来解决这些问题。

随着酶修饰电极葡萄糖传感器的缺点不断出现人们开始更多的关注无酶葡萄糖传感器。碳纳米管、稀有金属纳米材料、金属合金、以及金属纳米氧化物,等材料逐渐用于构建无酶葡萄糖传感器。用无酶葡萄糖传感器检测葡萄糖时,其表现出良好的电催化活性,总体来看,优点有线性范围广,检测限低,灵敏度高,选择性好,同时表现出很好的可重现性以及长期稳定性。

纳米材料的一个应用是制备纳米级电极。对于纳米结构材料修饰的电极来说,纳米颗粒尺寸较小,表面的键态及电子态与内部的状态不同,从而使纳米颗粒表面活性的位置大大增加,而且纳米颗粒比表面积大、表面自由能高、具有良好的生物相容性,因此使纳米材料修饰电极具有较好的反应活性和选择性,进一步使修饰电极对某些特定物质的电化学行为产生某种特有的催化效应。纳米材料修饰电极主要有以下三类。

(1)碳纳米管修饰电极；

(2)金属纳米材料修饰电极；

(3)纳米半导体材料修饰电极。

国内外研究现状：

很多文献报道使用碳纳米管或者将金属纳米材料与碳纳米管复合后的材料

用作构建无酶葡萄糖传感器,检测葡萄糖时表现出良好的电化学性能。如

Jian-Shan Ye等人使用多壁碳纳米管电极检测葡萄糖就表现出较好的电催化活性。稀有金属如Au、Ag、Pt等材料,常用做电极材料,制成无酶葡萄糖传感器来检测

葡萄糖,并表现出良好的性能。如SejinPark等人用介孔Pt电极来检测葡萄糖,表

现出良好的选择性、灵敏度以及稳定性。金属合金如Pt-Pb材料用于电极材料检测葡萄糖时,具有良好的电催化性能。如Jingpeng Wang等人合成纳米多孔Pt-Pb

材料,用来检测葡萄糖时表现出很好的电催化活性。金属纳米粒子Pt、Ni等材料,也常用于修饰电极构建葡萄糖传感器检测葡萄糖,表现出良好性能。如Lian-Qing Rong等人在碳纳米管上修饰了高度分散的Pt纳米粒子,并用此材料钻-多壁碳纳

米管(Pt-MWCNTs)修饰电极,以及Li-Min Lu等人制备了Ni纳米线阵列电极,这些材料用于电化学方法检测葡萄糖时,都表现出良好电催化性能。金属氧化物如MnO2或金属纳米氧化物如纳米CuO等材料,常与碳纳米材料复合后,用于制成无酶葡萄糖传感器来检测葡萄糖,也表现出良好的性能。如Jin Chen等人将制备的MnO2/MWCNTs复合材料修饰到电极表面检测葡萄糖,表现出很好的电化学性

能;Liao-Chuan Jiang等人用氧化铜纳米粒子修饰多壁碳纳米管制成

CuO/MWCNTs电极来检测葡萄糖,也表现出良好的选择性、灵敏度以及稳定性。

课题内容：

1、本研究工作的目标在于通过纳米过渡金属氧化物NiO修饰碳糊电极、过

渡金属Au的纳米复合材料修饰玻碳电极,构建无酶葡萄糖传感器,检测葡

萄糖。并进一步探索了如何提高电化学无酶葡萄糖传感器的性能,改善它

的选择性、灵敏度、检测限以及稳定性。

2、工作准备：

（1）在前期工作中,我们尝试使用了几种过渡金属氧化物的纳米材料修

饰碳糊电极,用于检测葡萄糖。

（2）Ni、NiO或者Ni(OH)2能够在电极表面通过NiOOH/Ni(OH)2氧化

还原对催化葡萄糖的电化学氧化。我们将氧化镍与碳糊混合制备电化学

葡萄糖传感器。该材料可用于修饰玻碳电极,检测葡萄糖,表现出良好的电

化学性能。