生物质衍生的树莓状碳基纳米材料在生物电化学中的应用

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基于生物质衍生的碳基纳米材料由于其成本低、比表面积大、生物相容性好等优势被广泛应用于电化学领域。近年来,制备碳基纳米材料的技术手段发展迅速,而且这类材料在多孔吸附剂、超级电容器、生物燃料电池(BFC)和电化学生物传感等领域均有着重要的应用。本研究以生物质芦菔为碳前驱体,聚(4-苯乙烯磺酸-顺丁烯二酸)钠盐(PSSMA)为阴离子表面活性剂,通过水热碳化(HTC)成功制备了树莓状碳基纳米材料(RCNs),并以RCNs为电极材料构建了性能优异的酶生物燃料电池(EBFC)以及电化学生物传感器。(1)在第一项工作中,以芦菔为碳前驱体,PSSMA为阴离子表面活性剂成功制备了RCNs,并将其应用于EBFC的构建。这种粒度可调、单分散性好、分层多孔结构的碳基纳米材料具有比表面积大、密度低、导电性好等优点。以RCNs材料作为酶载体材料,通过修饰乳酸氧化酶(LOD)构建以玻碳电极(GCE)为基底的生物阳极,同时以导电炭黑(KB)为阴极材料通过修饰胆红素氧化酶(BOD)构建以GCE为基底的生物阴极,然后成功构建了乳酸/氧气的EBFC。同时,本工作讨论了RCNs修饰量、(LOD+牛血清蛋白(BSA)):四硫富瓦烯(TTF)体积比例、酶混合物体积以及底物乳酸浓度对生物阳极性能的影响。经过优化后,该电池在静态条件下,开路电位(OCP)为0.65 V。当电压为0.30 V时,电池的最大功率密度可达51μW cm-2。该乳酸/氧气的EBFC在含有乳酸的商用饮品(市售果奶味饮料与奶啤)和含有乳酸的生物体液(尿液和唾液)进行发电。因此所提出的乳酸/氧气的EBFC有望在复杂的真实环境中发电。(2)在第二项工作中,在阴离子表面活性剂PSSMA存在下合成了芦菔衍生的RCNs。将其作为电极材料用于乳酸电化学生物传感器的构建。该传感器表现出了优异的电化学性能,具有线性范围广(50-1800μM)、检出限低(2μM)、灵敏度高(93.89μA mM cm-2)等优势。同时,该传感器对乳酸的检测具有较高的选择性,在一些干扰性生物分子存在的前提下,如多巴胺(DA)、葡萄糖、抗坏血酸(AA)、半胱氨酸(L-CYs)、乙酰胺基苯酚(APAP)、尿酸(UA),也能对乳酸产生高特异性识别。将乳酸传感器在4°C条件下放置4周后,响应信号仍保持初始值的92.60%,表明传感器具有较高的电化学稳定性。该乳酸传感器在实际样品复方乳酸乳膏中乳酸的检测应用也取得了令人满意的结果。因此,基于绿色环保的生物质芦菔衍生的RCNs构筑的电化学生物传感器是一个简单、经济、灵敏和便携的电化学设备,具有很高的实际应用前景。
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