基于组装技术的导电高分子纳米界面构筑及其应用研究

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21世纪是纳米科技的时代,纳米技术引起了世界各国政府和科学界的高度关注。当物质的结构单元小到纳米量级时,会产生特异的表面效应、体积效应和量子尺寸效应等常规材料不具备的优越性能,因此纳米微粒在催化、电子材料、微器件及传感器材料等方面有着广阔的应用前景。纳米技术的发展将史无前例地把分析工作者更加深入地融合到生命科学领域。由于高分子基体具有易加工,耐腐蚀等优异性能,且能抑制纳米单元的氧化和团聚,使体系具有长效稳定性,充分发挥纳米单元的特异性能,因此基于高聚物纳米复合材料研究成为当今的一个热点。在众多导电高分子中,导电聚合物如聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh),由于其具有良好的机械弹性、表面效应、化学特异性、易合成性等特点,使得它们修饰的电极有希望成为超灵敏的痕量生物化学的纳米传感器。传统的纳米修饰电极多采用滴涂法,电聚合等方法,不可避免使电极表面材料易团聚,分散不均匀,且表面材料可能没有良好的生物兼容性,功能化不强。但是如果将电极表面的材料进行认为的设计,通过不同电荷的物质相互吸引而实现自组装或层层组装,使其生物传感器具有更加完美的界面,无疑能提高传感器的检测性能。本论文工作致力于纳米结构导电高分子材料修饰传感界面的设计,努力通过组装技术构建表面结构可调可控的纳米界面,从而有机地将纳米技术、电分析化学和生命科学三者结合。本论文包括以下几个部分:第一章绪论导电高分子是由具有共轭π-键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为半导体、导体的一类高分子材料。它的结构特征除了具有高分子结构外,还含有“掺杂”而引入的对阴离子(P-型掺杂)或对阳离子(n-型掺杂)。导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属(高电导率)和半导体(p-和n-)的特征,还具有高分子的分子设计结构多样化,可加工和比重轻的特点。另一方面,纳米技术为人们提供了新的功能材料和具有卓越性能的功能器件,对人类未来生活产生深远的影响。将导电高分子材料与低维技术结合所制备的纳米结构导电高分子材料具有许多独特的性质,在微电子、传感技术、光学器件、医学诊断、太阳能电池等方面有着非常重要的应用前景。第二章低浓度聚合法合成聚苯胺纳米线及其应用于过氧化氢检测的研究本实验通过低浓度聚合法合成了聚苯胺纳米线,并将其用于和聚丙烯酸(PAA)的层层组装(LBL Assembly)的研究。我们通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对已合成的聚苯胺进行了表征,并采用紫外可见光谱(UV-vis),扫描电镜(SEM)以及电化学方法对层层组装过程进行了表征。实验表明,PAA能够掺杂在纳米结构的聚苯胺中并能有效的使其在中性pH条件下保持电化学活性。相对与在电极上通过电化学聚合PANI和PAA的方法,在电极上层层组装PANI和PAA多层复合膜在具有更好的电化学可逆性,表明电子在膜内传递更好。实验制备的纳米结构的PANI和PAA的多层复合膜性质非常稳定,并且对过氧化氢(H2O2)有着非常好的电催化活性,因此可以用于对过氧化氢(H2O2)的检测以及用于生物传感的研究。第三章改性多壁碳纳米管与聚苯胺层层组装的研究本实验中,我们采用了一种简单易行的方法使用聚苯乙烯磺酸钠(PSS)对多壁碳纳米管(MWNTs)进行非共价键修饰。通过PSS包裹MWNTs,使MWNTs溶解性极大提高(在水溶液中保持均一稳定长达3个月),且由于PSS引入的磺酸基团,使MWNTs带负电,PSS包裹MWNTs被进一步用于同带正电的聚苯胺(PANI)的层层组装,制得了PANI/MWNTs纳米复合薄膜。实验采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对PSS包裹的MWNTs进行了表征,同时采用了SEM,EDS光谱和电化学方法对层层组装过程进行了研究。实验结果表明,带负电的MWNTs能有效地使PANI在中性pH条件下保持电化学活性。实验制备的纳米结构的PANI和MWNTs的多层复合膜性质非常稳定,并且对过氧化氢(H2O2)有着非常好的电催化活性,因此可以用于对过氧化氢(H2O2)的检测以及用于生物传感的研究。第四章4-氨基苯硫酚的组装、酶催化及其电化学性能研究分子自组装(self-assembly)是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜技术,是指分子间通过非共价相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体。本章选择含有苯环的4-氨基苯硫酚(4-ATP)首先在粗糙化的金电极上进行自组装,并采用酶催化聚合的方式在金电极表面对4-ATP单体膜进行了酶催化聚合,并对酶催化过程进行了研究。电化学实验证明:自组装的4-ATP经酶催化后在金电极上的聚合与电化学聚合的机理相似,即:4-氨基苯硫酚单体自组装膜在电极表面发生头尾反应并生成具有电活性的二聚物4′-巯基-N-苯基苯醌二亚胺(NPQD)。
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