聚合物修饰泡沫镍非酶葡萄糖传感电极的实验和理论研究

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangxingyu2009
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近年来,葡萄糖的检测在生物监测,医疗诊断和食品工业等许多领域中都有极其重要的应用。非酶葡萄糖传感器具有稳定性好、成本低、结构简单、容易储存等优点,引起了研究者越来越多的关注。因此,寻找一种简单、快捷、准确的非酶葡萄糖传感器成为相关领域的研究热点。泡沫镍(Nickel Foam,NF)具有特殊的三维网状结构(3D),比表面积高和活性位点多等特点,以NF为基体制备的传感器应用广泛。然而,NF化学稳定性不好,在溶液中极易被氧化,因此不能直接用于对葡萄糖的非酶传感检测。对泡沫镍表面进行导电性修饰,可以解决NF在使用过程中不稳定的难题。聚苯胺(Polyaniline,PANI)是一种具有高导电性、化学稳定性和生物相容性的导电高分子材料,可用于葡萄糖等生物分子的吸附富集。用PANI修饰NF材料,不仅可以改善电极的电化学稳定性,同时也提高了电极的可逆性,使之可用于对葡萄糖的电化学检测。在实验研究方面,本文以NF作为制备非酶葡萄糖传感器的基底材料,采用化学原位聚合法成功制备了聚苯胺修饰的泡沫镍基(PANI/NF)电极。采用扫描电镜、能谱、透射电镜、X-射线衍射、傅里叶红外光谱、热重分析等实验研究方法对PANI/NF进行了表征。在此基础上,采用循环伏安法研究了 PANI/NF电极在氢氧化锂(LiOH)与葡萄糖混合溶液中的电化学行为以及该电极对葡萄糖氧化的电化学催化作用。利用电流-时间曲线法研究了 PANI/NF电极在LiOH溶液中对葡萄糖浓度的电流阶梯响应。此外,还研究了 PANI/NF电极在葡萄糖检测中的稳定性和重现性。结果表明,NF表面沉积的PANI呈纤维状。经PANI修饰过的NF电极在葡萄糖的LiOH溶液中具有良好的电化学行为。由PANI/NF电极构建的非酶传感电极的检测稳定性和重现性良好。而且电流响应灵敏度达到237 μA/(mmol/L cm2),响应时间缩短至 3 s。为了与PANI/NF传感电极进行比较研究,我们还制备了另外两种电极,导电聚合物聚三甲基噻吩修饰的NF电极(P3MT/NF)和PANI与羟基磷灰石(HAP)复合材料修饰的NF电极(PANI/HAP/NF)。循环伏安法实验结果表明,这两种电极对LiOH与NaOH溶液中葡萄糖氧化的电化学催化作用效果显著。与PANI/NF相同,这两种电极的电极反应过程也属于扩散动力学控制过程。计时电流法实验结果表明,这两种电极在溶液中的电流对葡萄糖浓度变化的响应时间短、灵敏度高、检测浓度范围宽。在理论研究方面,通过查阅大量文献可知,研究者大多将这两者的关系拟合成几段线性关系。然而,电极响应电流与整个浓度范围内的葡萄糖浓度并不成正比,而通常是一段曲线。造成这一现象的原因是葡萄糖在溶液中存在扩散,即葡萄糖浓度的变化会导致其溶液中扩散系数的变化。我们通过理论推导,将这两者之间的关系拟合成一个能够准确表达响应电流与葡萄糖浓度关系的半经验函数关系式。实验值与拟合值的总体均方误差几乎为0。为了验证该理论模型的适用性,我们将此模型应用于本研究中所制备的另两种电极,即P3MT/NF和PANI/HAP/NF。并将拟合与前述实验结果进行了比较研究。结果表明,该模型也分别适用于上述两个电极传感检测葡萄糖的情况。解决了目前文献中对不同浓度葡萄糖进行多段线性拟合时,在每段线性关系之间结合处附近葡萄糖浓度计算不准确的问题。
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