【摘要】：糖尿病是由胰島素缺陷或受損引起的代謝性疾病,全球患者已超過2.2億,預計2030年將增加至3.66億,成為了世界公共健康問題之一。目前,糖尿病的治療方案是定期監(jiān)測糖尿病患者的血糖,及時了解體內葡萄糖代謝情況,實時調整治療方案,以達到最佳的葡萄糖含量。因此,開發(fā)一種快速、靈敏和可靠的葡萄糖傳感器,對降低糖尿病及其并發(fā)癥具有十分重要的意義。值得關注的是,氧化銅(CuO)因具有優(yōu)良的電化學活性、可調節(jié)的形貌結構和合適的表面電荷等性質,成為了高效催化葡萄糖氧化的良好候選者。然而,CuO是一種半導體材料,對葡萄糖氧化的催化性能易受自身導電性能和形貌結構的限制。因此,本論文以CuO為研究對象,采用比表面積大和導電性能優(yōu)異的還原氧化石墨烯(rGO)和碳納米管(CNTs)進行改性,制備了具有不同尺寸和形貌的復合材料,作為無酶型葡萄糖傳感器的修飾材料;并以CuSO_4、Cu(NO_3)_2或Cu(CH_3COO)_2作為銅鹽前驅體,制備了三種不同形貌結構的CuO,探索了銅鹽前驅體對CuO形貌結構的影響,以及形貌結構對檢測性能的影響。具體內容如下:采用水熱合成法與原位分解法相結合,制備了具有向外生長模式的獨特的米粒狀CuO。在整個制備過程中不使用任何軟模板和強堿,綠色環(huán)保。將得到的CuO與Nafion溶液匹配,制作成化學修飾電極(CME),開展對葡萄糖的無酶檢測。研究結果表明:所制備的CuO形貌在微觀下酷似米粒,長度約0.5~1.0μm,直徑約250~320nm。當CuO修飾量為0.35 mg時,由其組成的CME對葡萄糖具有明顯的電流響應能力:在0.036~2.36 mmol/L濃度范圍內存在良好的線性關系,靈敏度為950.36μA·L/(mmol·cm~2),檢出限為0.065μmol/L(S/N=3);并且表現出了良好的選擇性、穩(wěn)定性和可靠性。對米粒狀CuO的導電性能加以改進,通過對石墨進行二次剝離得到片層狀氧化石墨烯(GO),并以此作為模板劑引入米粒狀CuO的制備過程,得到導電性能優(yōu)異的CuO/rGO納米復合材料。所制備的納米復合材料,仍然保持原來CuO的向外定向生長的米粒狀結構,且顆粒尺寸縮小到了納米級。當CuO與rGO的質量比約為3.5:1時,由其組成的CME對葡萄糖具有良好的電流響應能力:在0.010~2.53 mmol/L濃度范圍內存在良好的線性關系,靈敏度為1746.16μA·L/(mmol·cm~2),檢出限為0.047μmol/L(S/N=3);并且表現出了良好的重現性、選擇性和可靠性。對米粒狀CuO的導電性能和催化活性加以改進,通過引入經酸化處理的CNTs,制備得到具有協(xié)同效應的CuO/CNTs復合材料。因CNTs的模板作用,所制備的復合材料呈球狀,球體內部由球心向外呈片層狀排列,仍然保持原始空白CuO的向外定向生長的模式。CNTs連接在CuO球體和納米片之間,使得CNTs的高導電通道與CuO的低導電通道連接,形成電子通道網絡,提高了材料的導電性能。并且CNTs的摻入,增多了對葡萄糖氧化的催化位點,與CuO產生了協(xié)同效應。當CNTs的質量為CuO的理論質量的30%時,由其組成的CME對葡萄糖具有較高的電流響應能力:在0.20~4.56 mmol/L濃度范圍內存在良好的線性關系,靈敏度為1377.01μA·L/(mmol·cm~2);檢出限為0.059μmol/L(S/N=3);并且表現出了良好的選擇性、重現性和穩(wěn)定性。對CuO的形貌結構加以改進。采用冷凝回流與原位分解相結合的方法,以CuSO_4、Cu(NO_3)_2或Cu(CH_3COO)_2作為銅鹽前驅體,制備了三種納米CuO。因不同的陰離子在不同的晶面具有選擇性吸附,所制備的CuO呈現三種不同的形貌結構。通過電化學性能測試發(fā)現,由CuSO_4合成的納米棒狀CuO具有較大的比表面積和較多的電子通道,并且獨特的溝壑結構防止了施壓過程結構的坍塌,因此對葡萄糖表現出了最高的電流響應能力:在0.022~4.20 mmol/L濃度范圍內存在兩個良好的線性關系,靈敏度分別為4086.95μA·L/(mmol·cm~2)和2160.48μA·L/(mmol·cm~2),檢出限為0.089μmol/L(S/N=3);并且表現出了良好的重現性、選擇性和穩(wěn)定性。
【圖文】：

Au電催化葡萄糖氧化的機理示意圖

傳感器的檢測性能[38-40]。這些材料的研發(fā)，目的是為擴身的電導率。并且相關研究者發(fā)現，具有高電催化活觸對于提高電極的電子傳導性能以及充分利用電催化Zhao 等人[41]合成了由 1D Cu納米線（NWs）和外延生組成的新型同軸納米結構（如圖 1-2所示），應用于堿性于同軸納米線分層結構的優(yōu)勢，大的比表面積提供了葡萄糖分子接觸；內置集流體（Cu核）與活性介質（大大提高了電子傳輸能力。此外，分支和各向異性納可適應大的體積變化，以避免施加電壓的過程中結構，，在所制備的傳感器上獲得了非常低的檢出限（40 nm內）。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R587.1;O657.1

【參考文獻】

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2 Hajar SHEKARCHIZADEH;Mahdi KADIVAR;Ali A.ENSAFI;;利用Cu0/多壁碳納米管納米復合物修飾玻碳電極快速非酶法檢測葡萄糖和果糖(英文)[J];催化學報;2013年06期

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本文編號：2601433