聚合物/氧化石墨基电化学(生物)传感性能的调控

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I在电化学(生物)传感方面,要实现高效、高灵敏性的电化学检测靶分子,电极材料起着至关重要的作用。目前,以材料为基础的电化学(生物)传感器在灵敏性和选择性上都有了很大的提高。但随着对电化学(生物)传感器研究的不断深入,单一的材料已不能满足科学家的要求。电极材料的功能化、复合化,特别是复合材料中各组分的协同作用以期获得更灵敏的电化学检测效果、更宽广的检测范围以及更精密的电化学装置,是目前科研者们研究的目标。聚合物/纳米碳材料是电化学(生物)传感领域中应用最广泛的复合材料,复合体系中各组分间的协同作用已取得了其单组分所不具备的优良性质。刺激响应聚合物应用于电化学传感领域,能获得传统材料所没有的电化学性质,如外界信号控制电化学性能的可调性或开关性,实现了电化学检测的智能化,开辟了电化学传感领域的新方向。本论文主要从以下几个方面对电化学(生物)传感器性能进行研究和调控:材料的复合化、外界环境刺激和材料结构的化学改性。研究内容包括以下5个部分:(1)温敏性共聚物的合成:以EDMAT为链转移剂、TPO为光引发剂,可见光为活化源照射下,对N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)进行室温可见光RAFT聚合。以合成的PNIPAM101为大分子链转移剂,与单体丙烯酰胺乙基苯甲酸酯(AAEB)进行RAFT扩链反应,得到了纯度较高、分子量分布较窄的共聚物PNIPAM101-b-PAAEB37。通过测试共聚物水溶液的透光率,证实了PNIPAM101-b-PAAEB37具有温度响应行为,其最低临界溶解温度(LCST)为32℃。(2)将Hb固定于PNIPAM101-b-PAAEB37/氧化石墨(GO)复合膜中,并研究Hb的电化学性质。结果表明,复合物为Hb提供了生物相容性的电化学微环境,有利于Hb与玻碳电极进行电子传递,因此,Hb显示良好的直接电化学性质和电催化活性。因膜内温敏性聚合物的存在,Hb直接电化学性质和催化活性具有温度可调性。当T>LCST时,Hb阴极峰电流增加,对过氧化氢电催化反应显示较好的催化活性;当T<LCST时,阴极峰电流和电催化活性降低。主要原因是温敏性聚合物PNIPAM101-b-PAAEB37的PNIPAM链在LCST附近发生亲/疏水性变化,聚合物相转变,导致PNIPAM101-b-PAAEB37/GO/Hb(PGH)复合膜膨胀和收缩,复合膜电子阻抗也发生相应改变。温度刺激复合膜性质发生变化,必然引起包覆于膜内的Hb直接电化学性质和催化活性发生改变,实现了Hb直接电化学性质和催化活性的温度可调。(3)将PNIPAM101-b-PAAEB37、GO和碳纳米管(SMWCNT)混合并覆于玻碳电极表面。EIS测试结果表明,该复合物膜电子阻抗的大小具有温度可调的性质,温度高于LCST时,PNIPAM101-b-PAAEB37/GO/SMWCNT(PGS)膜的阻抗小,电子转移速度快;温度低于LCST时,PGS膜阻抗大,电子转移速度慢。PGS电极也具有温控电化学开关检测苯二酚的性质;T>LCST时,苯二酚氧化还原峰电流高,检测开启;T<LCST时,氧化还原峰电流降低甚至消失,检测关闭。在26℃和36℃多次交替改变苯二酚溶液温度,PGS电极能可逆的反复开关检测苯二酚。多次检测后,苯二酚峰电流衰减不是很大。(4)将渗透性好但电导性低的聚合物(POPHPMA21-r-PEGMA31)-bPOPHPMA10(PEOE)和电导性好但渗透性差的二维纳米碳材料GO以不同配比混合,并分别包覆Hb,研究了配比的改变对Hb直接电化学性质和催化活性的影响。进一步得出影响Hb电化学性质的外界因素。实验结果表明,随着复合膜中GO比例的增加,Hb峰电流出现了先增后降现象。PEOE/GO配比为3/7时,Hb峰电流最高。而Hb电化学催化H2O2和NO的灵敏性随GO比例的增加反而先降后增。PEOE/GO为3/7,Hb催化活性最低。说明影响膜内Hb电化学性质的因素主要有膜电导性和材料的生物相容性。而Hb电催化溶液中H2O2和NO为膜外检测,其催化活性除了考虑前两种因素外,还需考虑材料的渗透性。(5)用GO或还原氧化石墨烯(rGO)修饰电极,能直接对苯二酚(邻苯二酚和对苯二酚)进行电化学催化检测,且检测的灵敏度高、响应快、线性检测范围宽,而且该电极装配简单。GO和rGO都为二维碳纳米材料,但其表面结构的差异性影响了苯二酚检测灵敏性的差异性。rGO电极检测的响应电流高于GO电极,这与rGO具有良好的电子传导性有关。
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