本文關鍵詞：基于三維石墨烯電極的無酶電化學傳感器制備及應用研究

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【摘要】：電化學傳感器因具有選擇性好、靈敏度高、操作簡單、成本低、分析速度快、易于微型化等優(yōu)點,在環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷、食品和醫(yī)藥工業(yè)等領域具有極其重要的應用價值。電極材料及其結構對實現(xiàn)靈敏、穩(wěn)定的電化學檢測至關重要。石墨烯(graphene)是由sp2雜化碳原子緊密堆積成的二維(two-dimensional,2D)單層片狀碳質(zhì)材料,由于導電性好、比表面積高等優(yōu)點,而廣受關注,被用作電極材料應用在電化學器件中,例如超級電容器、充放電鋰離子電池、鋰-氧氣電池、燃料電池及電化學傳感器。除二維石墨烯外,以泡沫鎳為模板,通過化學氣相沉積法(CVD)可以制備出具有大尺度、高質(zhì)量的三維石墨烯(3D-G)材料。這種三維石墨烯材料完美的復制了泡沫鎳的孔道貫穿結構。與傳統(tǒng)的二維平面電極相比,這種3D石墨烯材料制備的三維石墨烯電極具有更大的表面積,快速的傳質(zhì)能力和低的電荷轉(zhuǎn)移阻力等優(yōu)點�；�3D石墨烯電極構筑新型高靈敏電化學傳感器具有潛在優(yōu)勢。本論文以三維多孔石墨烯(3D-G)材料為基礎碳電極,探索制備了兩類新型無酶傳感器構筑方法,并分別實現(xiàn)了對葡萄糖和過氧化氫的電化學檢測。具體如下:1、基于三維多孔石墨烯電極構筑無酶葡萄糖電化學傳感器,具體為:以三維石墨烯為無支載電極,用電沉積法在電極表面沉積金-普魯士藍(Au-PB)復合物。通過多巴胺(DA)堿性自聚和反應在3D-G/Au-PB電極上修飾一層聚多巴胺(pDA)層。利用pDA自身具有還原作用,還原氯金酸原位生成金納米粒子(Au NPs)后,通過金硫鍵組裝對巰基苯硼酸(MPBA)構筑了可用于葡萄糖檢測的無酶電化學傳感器(3D-G/Au-PB/pDA/Au NPs/MPBA)。MPBA與葡萄糖特異性結合后形成穩(wěn)定的五元環(huán)硼酸酯,這一過程引起電極表面PB電化學信號發(fā)生變化,該變化與結合的葡萄糖濃度在一定范圍內(nèi)具有線性相關性,因而實現(xiàn)對葡萄糖的無酶電化學檢測。利用電化學循環(huán)伏安法對3D-G/Au-PB/pDA/Au NPs/MPBA電極的構筑過程進行了表征并對檢測條件進行了優(yōu)化。考察了制備的傳感器對葡萄糖的檢測性能,檢測線性范圍為5.0x10-6 M-65.0x10-6 mol/L,檢測限為1.5x10-6 mol/L。2、基于三維多孔石墨烯電極構筑了無酶過氧化氫(H2O2)電化學傳感器,具體為:以三維石墨烯為無支載電極,通過電化學還原法在電極表面沉積Au NPs,通過Au-NH2鍵修飾硫堇(Th),構筑了用于檢測過氧化氫的無酶電化學傳感器。采用掃描電鏡(SEM)、電化學等方法對傳感電極的制備過程進行了表征,并考察了檢測機理,檢測機理為,以Th作為電化學活性組分直接電催化還原過氧化氫。Th將過氧化氫還原為水,自身被氧化變成氧化態(tài),隨后氧化態(tài)的硫堇從電極中得到電子,變成還原態(tài)。因此Th修飾三維石墨烯電化學傳感器可直接應用于無酶過氧化氫檢測。在最優(yōu)實驗條件下,制備的三維電化學傳感器對H2O2具有快速響應,檢測線性范圍為0.2x10-6 mol/L-1.1x10-3 mol/L,檢測靈敏度為227.8x10-6A/(mmol/L cm2),檢測限為58x10-9 mol/L。
【關鍵詞】：三維石墨烯 無酶傳感器 電化學 普魯士藍 硫堇
【學位授予單位】：浙江理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O657.1;TP212
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-15
• 1.1 選題依據(jù)及意義11
• 1.2 本論文主要研究內(nèi)容11-13
• 參考文獻13-15
• 第二章 文獻綜述15-45
• 2.1 引言15
• 2.2 三維結構石墨烯的制備方法15-23
• 2.2.1 自組裝法15-21
• 2.2.2 模板導向法21-22
• 2.2.3 其他技術22-23
• 2.3 三維石墨烯材料的修飾與改性方法23-27
• 2.4 三維石墨烯及其復合物的應用研究進展27-31
• 2.4.1 在鋰離子電池中的應用27-28
• 2.4.2 在太陽能電池和燃料電池中的應用28-29
• 2.4.3 在化學及生物傳感器中的應用29-31
• 2.5 結論與展望31-32
• 參考文獻32-45
• 第三章 無酶葡萄糖傳感器制備及葡萄糖檢測研究45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 實驗部分45-48
• 3.2.1 實驗儀器45-46
• 3.2.2 實驗試劑46
• 3.2.3 溶液配制46-47
• 3.2.4 三維石墨烯電極的制備47
• 3.2.5 無酶葡萄糖傳感器的制備47-48
• 3.2.6 電化學檢測方法48
• 3.3 結果與討論48-57
• 3.3.1 三維石墨烯電極的表征48-49
• 3.3.2 Au-PB共沉積機理49-51
• 3.3.3 傳感器的電化學表征51-53
• 3.3.4 條件優(yōu)化53-56
• 3.3.5 傳感器對葡萄糖的電化學檢測56
• 3.3.6 傳感器的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性56-57
• 3.4 本章小結57-58
• 參考文獻58-59
• 第四章 無酶過氧化氫傳感器制備及過氧化氫檢測研究59-72
• 4.1 引言59
• 4.2 實驗部分59-61
• 4.2.1 實驗儀器59-60
• 4.2.2 實驗試劑60
• 4.2.3 溶液配制60-61
• 4.2.4 三維石墨烯電極的制備61
• 4.2.5 硫堇修飾電極的制備61
• 4.2.6 過氧化氫的電化學檢測61
• 4.3 結果與討論61-69
• 4.3.1 3D-G/Au NPs電極的形貌表征61-63
• 4.3.2 3D-G/Au NPs/Th電極的電化學表征63-65
• 4.3.3 3D-G/Au NPs/Th電極對過氧化氫的檢測65-67
• 4.3.4 電極的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性67-69
• 4.4 本章小結69-70
• 參考文獻70-72
• 第五章 結論與展望72-73
• 5.1 主要結論72
• 5.2 后續(xù)工作展望72-73
• 攻讀碩士期間的科研成果73-74
• 致謝74

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