MXene纳米复合材料的制备及在电化学传感器上的研究

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生物分子的分析对于疾病诊断、食品安全检查、环境监测和药物开发等领域至关重要。然而传统检测方法所需的大型精密仪器,价格昂贵且操作复杂。因此,建立简单快速且准确检测生物分子的方法是未来的发展趋势。电化学方法因其具有操作简便和灵敏度高等优点,在生物电化学分析和电化学传感方面应用广泛。而选择合适的界面材料作为电化学传感器识别生物分子的修饰剂也成为关键性的一步。基于以上背景,本论文主要利用MXene(Ti3C2Tx)材料开展了对电化学传感器界面的修饰以及电化学传感器的性能研究,构建电化学传感器对槲皮素、血红蛋白(Hb)、多巴胺(DA)和吲哚-3-乙酸(IAA)进行分析与检测,具体工作如下:1.将二维MXene材料修饰在玻碳电极(GCE)上,提高了电化学检测性能。首先,利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察了MXene的形态学和结构学特征,发现MXene是一种类似手风琴状的二维层状材料。其次,采用多种方法研究了MXene/GCE的电化学性能。对槲皮素的直接电化学反应进行了研究,发现在循环伏安(CV)图上出现了一对峰间距为67 m V且形状良好的氧化还原峰。利用该电极求解了电子转移数(n),电子转移系数(α)和反应速率常数(ks)等电化学参数,分别为1.99、0.65和0.29 s-1。另外,所制备传感器的检测限为33 nmol/L(3S0/S)。最后,采用MXene/GCE修饰电极对银杏片中槲皮素含量进行分析,回收率在100.92%~104.66%之间。MXene/GCE对槲皮素的检测具有良好的抗干扰性能、稳定性和重现性。2.通过自组装法将还原氧化石墨烯(rGO)和MXene进行了合成,并将其修饰于电极表面用于Hb的电化学研究。通过SEM、TEM、X射线衍射(XRD)等技术对rGO-MXene进行了表征。在rGO-MXene/CILE修饰电极上制备了Hb电化学生物传感器,用于三氯乙酸(TCA)和过氧化氢(H2O2)电化学性质的研究。通过计算n、α、ks,研究了Hb在修饰电极上的直接电化学行为。rGO-MXene纳米复合材料在电极上的修饰可以提高电极界面的有效表面积和生物相容性,获得更高的电子转移速率。此外,该Hb生物传感器在TCA和H2O2分析中也表现出较好的稳定性。3.通过在GCE上滴涂金纳米颗粒(AuNPs)和MXene材料构建了一种新型的DA探测传感系统,采用SEM、TEM等技术研究其微观结构。AuNPs/MXene复合材料的存在可以显著扩大传感器的电化学活性表面积,促进电子传递,从而增强响应信号。在最优的实验参数下,AuNPs/MXene/GCE对DA呈现良好的线性关系,浓度范围在2.0~250μmol/L之间,检测限为0.67μmol/L。此外,所制备的AuNPs/MXene/GCE电化学传感器具有良好的稳定性和选择性。最后,利用该传感器可灵敏地检测医用盐酸多巴胺注射液中的DA含量。4.采用一种简单的、可扩展的自组装方法制备了具有良好导电性的MXene-CNTs传感材料,通过SEM、XRD、X射线光电子能谱(XPS)等技术对MXene-CNTs的形貌和组成进行表征。由于1维(1D)CNTs和2维(2D)MXene纳米片之间的细微组装和协同作用,使得MXene-CNTs具有优异的导电性。同时,CNTs的加入有效地抑制了MXene纳米片的无序堆积,为IAA分子的吸附提供了丰富的空间位置,促进了电子的传递速率。将该复合材料用于丝网印刷电极(SPE)的修饰,该修饰电极对IAA表现出良好的电化学响应。另外,MXene-CNTs/SPE对IAA的检测范围为0.05~125μmol/L,检测限为16.7 nmol/L。该传感器可用于豌豆苗中IAA含量的测定,结果令人满意。
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