基于聚苯胺和阳离子表面活性剂的化学修饰电极研究及应用

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应用复合材料、纳米材料以及生物材料等新型材料制备修饰电极,以提高其分析性能和扩大分析应用范围,已经成为电分析化学以及生物传感工作中的研究热点。本论文基于聚苯胺(PANI)和阳离子表面活性剂制备了四种化学修饰电极,采用循环伏安法、脉冲伏安法、计时安培法等电化学手段研究了葡萄糖、葡萄糖氧化酶(GOD)以及多巴胺(DA)和抗坏血酸(AA)在所制修饰电极上的电化学、电催化行为,并制备了葡萄糖生物传感器。该研究对于发展新型修饰电极、丰富电分析化学及生物传感研究内容具有一定的意义。本论文共分三章,作者的主要贡献如下:1、采用电化学方法,分步将PANI/碳纳米管(MWNTs)复合物、聚吡咯烷酮(PVP)保护的普鲁士蓝纳米粒子(PBNPs)修饰于玻碳电极上。实现了GOD在壳聚糖(CS)膜中的固载,并采用组合法制备了一种电流型葡萄糖生物电化学传感器。使用SEM技术对修饰电极表面形态进行了表征,发现PB粒子为纳米级。研究了实验条件对该传感器分析测试性能的影响。实验发现:该传感器对葡萄糖具有良好的电流响应,安培法检测葡萄糖的线性范围为6.7×10-6~1.9×10-3mol·L-1,灵敏度为6.28μA·(mmol·L-1)-1,检出限为2.0×10-7mol·L-1,传感器对葡萄糖的响应时间小于6秒,测得酶催化反应的表观活化能及表观米氏常数分别为23.9kJ·mol-1和1.9×10-3mol·L-1,该传感器已用于血清样品中葡萄糖含量测定。与其它已报道的传感器相比,该传感器具有制备方法简单、灵敏度高,响应时间短和稳定性好等特点。2、采用化学界面聚合法制备了PANI-Au纳米复合物,使用SEM、FTIR和EDX技术对PANI-Au纳米复合物的表面形态及化学组成进行了表征,证明用该合成方法是可行的。将该复合物与MWNTs、GOD共同分散于CS中并将其滴涂于玻碳电极上,进行了GOD的直接电化学研究。结果表明,包埋在CS/PANI-Au/MWNTs复合物中的GOD与电极之间发生了直接电子传递,其循环伏安图中出现了一对峰形良好、几乎对称的氧化还原峰,式量电位为-0.462 V(vs.SCE);GOD直接电子转移的速率常数为10.9s-1。进一步研究显示,固定在电极表面的GOD仍保持其对葡萄糖氧化的生物电催化活性。所制酶电极可作为葡萄糖生物传感器,对葡萄糖的响应时间小于7秒,电流响应与葡萄糖浓度在0.5~7.4 mmol·L-1范围内呈线性关系,灵敏度为0.922μA·(mmol·L-1)-1。GOD在修饰电极上的表观米氏常数为6.7×10-3mol·L-1。该研究所制复合物能较好的保持GOD的活性、促进酶与电极之间的电子传递,将其与酶结合为理解生物氧化还原反应和构制生物传感器提供了一种新途径。3、制备了溴代十六烷基吡啶(CPB)/碳纳米管复合物膜修饰电极,研究了DA和AA在该修饰电极以及裸电极上的电化学行为,建立了同时测定DA和AA的微分脉冲伏安新方法。循环伏安法研究表明,CPB与带负电荷AA之间的静电作用使AA的氧化过电位降低,DA和AA两者的峰电位差达380 mV,使得DA和AA重叠氧化峰得以分离。微分脉冲伏安法研究结果表明,DA和AA氧化峰电流和其相应浓度分别在1.0×10-5~8.0×10-4mol·L-1和5.0×10-6~1.8×10-4mol·L-1的范围内呈线性关系。4、制备了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)/CS复合膜修饰电极,研究了DA和AA在该修饰电极以及裸电极上的电化学行为,建立了同时测定DA和AA的微分脉冲伏安新方法。循环伏安法研究表明,CTAB与带负电荷AA之间的静电作用使AA的氧化过电位降低,DA和AA两者的峰电位差达360 mV,使得DA和AA重叠氧化峰得以分离。微分脉冲伏安法研究结果表明,DA和AA氧化峰电流和其相应浓度分别在1.0×10-5~2.8×10-3mol·L-1和5.0×10-6~6.0×10-4mol·L-1的范围内呈线性关系。
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