镍基复合材料的设计及电化学生物传感性能研究

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经历了半个世纪的发展,生物传感器已经得到了巨大的发展。其中电化学生物传感器由于具有灵敏度高、易微型化、能在浑浊溶液中操作等优势,而被广泛研究。从前人的研究结果看,电化学生物传感器的传感性能仍需提高。因此,开发高性能葡萄糖传感器是非常有必要的,而高性能的功能材料的开发逐渐成为人们研究的热点。近来,过渡金属材料由于具有价格低、低电位下的高活性和有效电子转移已被广泛研究用于非酶葡萄糖传感应用中。其中,由于镍基材料具有成本低,资源丰富,且具有良好的生物相容性[1]等特点引起人们更多的研究兴趣。但是在电化学反应过程中镍电极的表面会逐渐钝化,且镍电极对葡萄糖的选择性差。为改良这一缺陷,本文对镍基纳米材料进行了多方面的改性研究。研究成果如下:(1)氮化镍修饰的氮掺杂碳球(Ni3N/NCS)的制备及葡萄糖传感性能研究。利用尿素作为氮源,采用同步氮化的方法制备了Ni3N/NCS。结果显示,Ni3N和NCS的复合显著提高了Ni3N的电催化活性。其对葡萄糖传感在1μM-3000μM线性范围具有2024.18μA·m M-1?cm-2的灵敏度;在3000μM-7000μM范围的灵敏度为1256.98μA·m M-1?cm-2。相应的检测限分别为0.1μM和0.35μM。而且,Ni3N/NCS传感器还具有良好的抗干扰能力和真实血清中检测葡萄糖能力。Ni3N/NCS电化学性能的显著提高可能源于Ni3N和氮掺杂碳球的协同作用带来的快速电荷转移和高电导率。(2)基于镍基金属-有机-骨架的非酶葡萄糖传感器设计及葡萄糖传感性能研究。以NiCl2和均苯三甲酸为原料,采用水热法制备了Ni-MOF微球。研究发现Ni-MOF/GCE对葡萄糖直接电催化氧化具有比NiO/GCE更高的活性,这可能源于微球结构大的比表面积和MOF支架的高孔隙率及多活性位点的特性。NiMOF/GCE具有两个线性区间,5μM-3000μM和3500μM-6000μM,低浓度区灵敏度为932.68μA?m M-1?cm-2和较高浓度区域的灵敏度为273.04μA?m M-1?cm-2。而且,Ni-MOF/GCE也表现出优异的选择性。(3)基于MOF前驱体的Ni3N/C复合微球的设计及葡萄糖传感性能研究。利用尿素作为氮源和Ni-MOF前驱体在乙醇中混合成溶胶后,在N2氛围下煅烧,将Ni氮化成Ni3N颗粒同时将MOF前驱体碳化成氮掺杂的碳。引入氮改善了NiMOF的导电性,通过促进电子在电极和催化剂之间的转移,进而提高Ni3NMOF/GCE对葡萄糖检测的灵敏度。Ni3N-MOF/GCE对葡萄糖检测有两段线性(0.001-3m M,R2=0.998和3-7m M,R2=0.991),灵敏度分别为1511.59μA?m M-1?cm-2和783.75μA?m M-1?cm-2。Ni3N/C复合微球同样表现出了优异的选择性和实际样品中葡萄糖的检测可行性。(4)纳米Au负载的Ni-MOF微球的设计及葡萄糖传感性能研究。通过简单的水热合成多孔微球结构的Ni-MOF前驱体,然后在微波的快速加热下将还原出来的AuNP负载到Ni-MOF微球上,制备Au-Ni-MOF复合材料的传感器。AuNP的高导电性显著提高了Au-Ni-MOF/GCE的无酶葡萄糖传感性能。Au-NiMOF修饰的电极显示出0.005-7.4m M范围内的宽线性,和1447.1μA?m M-1?cm-2的高灵敏度。双金属系统的协同作用促进了葡萄糖的电氧化,因此多金属系统传感将会是我们日后研究的一个重要方向。
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