碳纳米管电极的制备及应用研究

碳纳米管电极的制备及应用研究

【摘要】：氧化还原蛋白质(酶)的直接电化学研究引起了越来越多研究者的兴趣，这些研究能帮助我们了解蛋白质的结构和蛋白质发生电子传递的机理。由于多数蛋白质分子量较大，其电活性中心很难与电极直接交换电子。为了促进蛋白质和电极的电子传递，研究运用了各种纳米材料修饰电极，如金属纳米颗粒、碳纳米管等。碳纳米管自从被发现后，因为其独特的力学、电子特性以及化学特性成为世界范围内的研究热点之一。因其具有独特的结构、优良的力学性质及杰出的电学性质，碳纳米管在显微镜探针、场发射显示器、超级电容器、分离领域及传感器等领域得到广泛应用。由于碳纳米管的表面效应，即直径小、表面能高、原子配位不足，使其表面原子活性高，易与周围的其它物质发生电子传递作用，在电化学和电分析化学的研究中，如蛋白质的直接电化学和电化学生物传感器的构筑，具备了独特的优势。本文利用碳纳米管优良的物理、化学、电催化性能以及它们良好的生物相容性，结合纳米粒子的小粒径和大的比表面积效应，制备了2种不同类型的多壁碳纳米管修饰电极，实现了血红蛋白的直接电化学，该类修饰电极对过氧化氢等具有良好的生物电催化性质，能用于生物传感界面的构建。采用化学气相沉积法在石英基底上成功制备了直立碳纳米管阵列，并将其制成直立碳纳米管阵列电极，将血红蛋白、葡萄糖氧化酶采用多种方法固定到阵列电极界面上，制备的生物传感器具有较高的灵敏度、较低的检测下限以及快的响应速度。具体内容如下：第一章绪论首先系统介绍了碳纳米管的发现及应用研究，包括

碳纳米管的分类、性能、制备方法、功能化以及应用现状。接着介绍了氧化还原蛋白质(酶)的直接电化学，包括研究意义、研究现状以及纳米材料在蛋白质(酶)生物传感器中的应用。第二章血红蛋白在1-芘丁酸琥珀酰胺酯／碳纳米管和金胶纳米粒子修饰电极上的直接电化学本章采用多壁碳纳米管(MWNTs)、1-芘丁酸琥珀酰胺酯(PASE)和金纳米粒子(AuNPs)构筑生物兼容性薄膜，用于固定血红蛋白生物分子。首先1-芘丁酸琥珀酰胺酯的芘基端可以与碳纳米管的侧壁通过π键合作用形成PASE／MWNTs，然后，血红蛋白(Hb)通过蛋白分子中的胺基与PASE的琥珀酰胺酯基端的亲核取代反应形成胺键，固定到PASE／MWNTs纳米复合材料表面。最后，金胶纳米粒子通过静电作用力吸附血红蛋白分子表面，形成Au／Hb／PASE／MWNTs。采用紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、电化学交流阻抗(EIS)及循环伏安扫描(CV)等方法对电极修饰过程进行表征。实验结果表明，Hb在Au／Hb／PASE／MWNTs／GCE电极表面没有发生变性，能够进行有效和稳定的直接电子转移反应。所得的Au ／Hb／PASE／MWNTs／GCE电极对H_2O_2、TCA、NaNO_2、O_2具有良好的催化还原的生物传感特性。第三章血红蛋白在多壁碳纳米管／金胶纳米粒子和SiO_2层层组装膜电极界面上的直接电化学本章提出一种基于多壁碳纳米管／金胶纳米粒子(MWNTs／Au)，SiO_2溶胶-凝胶和蛋白质层层组装的方法固定血红蛋白(Hb)，制得蛋白质电化学生物传感器。首先将一定量的MWNTs和金胶掺杂在一起后滴涂在玻碳(GC)电极表面，随后先后将一定量的Hb和SiO_2均匀滴涂

在MWNTs／Au／GC电极表面，如此交替，即可进行层层组装，得到{SiO_2／Hb}_n的层层组装膜。采用差分脉冲伏安法(DPV)对组装过程进行监测。结果表明，当组装层数n=2时，Hb在层层组装膜内的固定达到了饱和。在{SiO_2／Hb}_2/MWNTs／Au／GC电极上Hb 保持其原有的生物活性，能够进行稳定、有效的直接电子转移。固定的Hb呈现过氧化物酶的特性，对溶液中的H_2O_2具有良好的生物电催化还原特性。第四章葡萄糖氧化酶在CdS纳米粒子／壳聚糖和Pt纳米颗粒修饰直立碳纳米管阵列电极上的直接电化学及电催化性质研究本章采用化学气相沉积法，以酞菁铁为原料，在石英基底上气相沉积制备大面积的直立碳纳米管阵列。将制得的碳纳米管表面喷金后，用10％的HF将直立碳纳米管阵列从石英基底上剥离，制成电极。场发射扫描电镜图表明，直立碳纳米管(ACNTs)阵列电极的顶端开口，侧壁直立、均匀、有序。以ACNTs阵列电极作为工作电极，并且使用了两种类型的纳米粒子对电极进行修饰。首先在直立碳纳米管阵列上电沉积的铂纳米粒子(Pt_(nano)；当溶液pH值大于壳聚糖的pKa时，葡萄糖氧化酶(GOD)、CdS纳米粒子和壳聚糖(CS)的混合溶液电沉积到ACNTs-Pt_(nano)电极表面。实验表明，铂纳米粒子有效地增加了电极表面积、提高电极的电子传递速率，CdS纳米粒子有效的促进了葡萄糖氧化酶与直立碳纳米管阵列电极之间的直接电子传递，实现了葡萄糖氧化酶的活性中心FAD／FADH_2的直接电化学。基于CS-GOD-CdS／ACNTs-Pt_(nano)电极的葡萄糖生物传感器显示了良好的传感性能，其检测线性范围为400μM～21．2mM，最低检

测限为46．8μM(S／N=3)，表观米氏常数为11．86mM。第五章血红蛋白在重氮化修饰直立碳纳米管阵列电极上的直接电化学及电催化性质研究本章采用一种简单有效的方法，对直立碳纳米管阵列电极进行功能化修饰。通过在溶液中电化学还原4-羧基苯基重氮盐，得到基于表面羧基化的直立碳纳米管阵列电极，并且成功的将血红蛋白(Hb)分子固定在直立碳纳米管阵列电极表面。制备的直立碳纳米管阵列电极具有良好的生物兼容性和导电性，电极表面的羧基提供了更多的蛋白质结合位点，使得血红蛋白分子在此功能界面上可实现直接电子转移。采用循环伏安法和计时电流法对Hb分子的直接电化学和生物电催化活性进行监测。结果表明，在0．1MpH7．0的PBS中，Hb的示量电位为-0．312V(vs．Ag/AgCl)，异相电子传递速率常数为0．95±0．05s~(-1)。该电极对H_2O_2有很好的电催化还原作用，其表观米氏常数K_m~(app)为0．15mM。第六章血红蛋白在金胶纳米粒子和SiO_2溶胶凝胶修饰直立碳纳米管阵列电极上的直接电化学及电催化性质研究采用直立碳纳米管阵列(ACNTs)作为工作电极，结合金纳米粒子的生物相容性和SiO_2溶胶凝胶较好的成膜性，并利用直立碳纳米管阵列大的表面积研究了血红蛋白的固定。实验表明，固定在SiO_2／Hb-AuNPs／ACNTs电极上的Hb在0．1MPBS(pH7．0)中有一对很好的、几乎对称的氧化还原峰，分别位于-0．221和-0．323V(vs．Ag／AgCl)。所得的SiO_2／Hb-AuNPs／ACNTs电极对H_2O_2具有良好的生物传感性能，其检测线性范围为40μM～4mM，最低检测限为22μM(S／N=3)，表观米氏常数为0．44mM。【关