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几种新型化学修饰电极的构建及其在环境与生物分析中的应用

刘亚雄  
【摘要】:21世纪是环境科学、生命科学以及材料科学的世纪,这些科学的基础研究和高技术开发都需要分析科学的支持,同时也对分析科学提出了新的挑战。基于不同化学修饰电极作为化学/生物传感器的电化学技术具有装置简单、廉价、响应快速以及检测灵敏度高等特点,因而日益得到人们的重视。本文在构建新型化学修饰电极作为化学/生物传感器方面开展了一系列研究,取得了一些很有价值的成果。本论文的主要研究工作如下: 1、构建了一种金纳米粒子掺杂的阴离子修饰支撑平板双层磷脂膜(sBLM)修饰玻碳电极,该修饰电极用于细胞色素c的检测。0.1 M KCl作为支持电解质,用10 mM HAuCl4以循环伏安法将金纳米粒子直接沉积至月桂酸修饰的sBLM中。以循环伏安法、电化学阻抗以及扫描电镜对该掺杂的sBLM进行了表征。结果表明,金纳米粒子被成功沉积至sBLM中,其平均直径约为20-30 nm,与未掺杂的sBLM比较,由于金纳米粒子优异的导电性能,该sBLM的电阻大大降低。利用该修饰电极,以方波法检测细胞色素c,其检测线性范围为1.0×10-7 M至3.2×10-6 M,检测下限为(S/N = 3)为5×10-8 M。另外,由于sBLM具有良好的抗干扰能力,因而该修饰电极对细胞色素c的检测具有良好的选择性。 2、基于单壁碳纳米管巨大的比表面积与–NH–C较低的接触电阻,乙二胺分子有序单层膜修饰玻碳电极用于枝接利用共价键合与非共价键合方式联合修饰了–SH的单壁碳纳米管,该修饰电极被应用于As(III)的痕量检测。分别利用电化学阻抗、原子力显微镜以及对As(III)的检测对乙二胺分子有序单层膜修饰玻碳电极、自组装的单壁碳纳米管以及以非共价键合方式固定在单壁碳纳米管管壁的十二烷基硫醇进行了表征。利用巯基乙醇以共价键合方式对单壁碳纳米管的羧基进行封尾后,所得到的修饰电极被用于As(III)的痕量检测,其检测下限(S/N = 3)为0.008μg L-1。 3、DNA修饰的单壁碳纳米管(DNA-SWCNTs)复合物以层层自组装的方式被固定在玻碳电极上,该修饰电极被应用于在近生理pH条件下对As(III)的检测,其检测原理基于As(III)在该修饰电极上被DNA中的鸟嘌呤化学还原至As(0),以记录后者被电化学氧化至As(III)的氧化峰峰电流对As(III)进行检测。利用原子力显微镜对DNA-SWCNTs进行了表征,利用对As(III)的检测监测了DNA-SWCNTs在玻碳电极上的层层自组装过程。该修饰电极能够在pH 3.0至8.0之间检测As(III),其检测下限(S/N = 3)为0.05μg L-1 (pH 7.0)。另外,该修饰电极可连续使用高达16次。 4、DNA修饰的单壁碳纳米管(DNA-SWCNTs)复合物以层层自组装的方式被固定在玻碳电极上,该修饰电极被应用于对2,4,6-三硝基甲苯的快速检测。利用原子力显微镜对DNA-SWCNTs进行了表征。与单壁碳纳米管(π电子受体)单独修饰的电极相比,DNA-SWCNTs修饰的电极对2,4,6-三硝基甲苯表现出更优越的检测性能,包括更高的检测灵敏度与更正的还原电压,这主要归因于作为π电子供体的DNA-SWCNTs可以提供丰富的π电子与氢键结合位点。该修饰电极对2,4,6-三硝基甲苯的响应小于15 s,检测下限为0.5μg L-1。 5、基于疏水作用力,碳纳米管被定量吸附在疏水长链烷基分子有序单层膜修饰电极上,从而开发了一种新的碳纳米管修饰电极构建方法。分别以十二烷基硫醇自组膜与十二胺分子有序单层膜对金电极与玻碳电极进行修饰,并用循环伏安法与电化学阻抗对两种修饰电极进行了表征,结果表明十二胺分子有序单层膜修饰玻碳电极具有较低的电阻。当单壁碳纳米管被定量吸附至十二烷胺分子有序单层膜修饰玻碳电极后,由于碳纳米管优异的电子传导性能以及十二胺分子有序单层膜较低的电阻,其修饰电极的电容得到大大提高,甚至大于裸露玻碳电极的电容,而相同条件下吸附了单壁碳纳米管的金电极不能达到同样的效果。同时,当该单壁碳纳米管修饰玻碳电极吸附ssDNA后被成功应用于对多巴胺的选择性检测。 6、基于ssDNA与单壁碳纳米管管壁之间的π–π共轭作用,ssDNA在未超声辅助条件下被吸附至单壁碳纳米管修饰电极上,并用循环伏安法与扫描电镜对ssDNA的吸附进行了表征。相比于单壁碳纳米管单独修饰电极,由于DNA含有丰富的功能基团,如氨基、羰基,该修饰电极对多巴胺具有更强的电催化能力。利用该修饰电极在抗坏血酸条件下对多巴胺进行了选择性检测,表现出良好的检测效果,其检测下限(S/N = 3)为0.4μM。该修饰电极构建简单、快速,不同修饰电极之间表现出良好的重现性,为快速、选择性地检测多巴胺提供了新选择方式,因而具有良好的应用前景。


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