纸基质电极的制备及其电化学性能研究

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电化学传感器因其操作简单、响应迅速和便于携带等优点,已被广泛用于生物医学、食品安全、环境监测等领域。纸基质具有柔韧性好、价格低廉、生物相容性好等特点被用于电化学传感研究。传统的纸电极主要是在纸基质表面涂覆不同复合材料,然后剥离进行电化学检测。在此过程中,所制备的纸电极由于其脆弱性而容易断裂,此外,部分纸电极存在低电子转移速率和低氧化还原反应速率等缺陷,极大地抑制了电化学传感器的分析灵敏度,因此发展新的纸电极具有重要意义。为了解决如上问题,本论文发展了一种新的制备纸电极的方法,并分别构筑了基于葡萄糖、土霉素、对苯二酚的电化学传感器,主要研究内容如下:(1)采用真空抽滤和高温烘烤的方法,制备出碳纳米管-银纳米颗粒/聚苯乙烯(CNT-Ag/PS)纸电极,并将其用于葡萄糖的电化学传感研究。通过如上方法制备出的纸电极正面具有疏水性和导电性,而背面具有亲水性和不导电性。通过实验的系统考察,发现CNTs、Ag、PS的涂覆量和涂覆顺序对确定CNT-Ag/PS电极的性能至关重要。研究发现在电化学传感过程中,纸电极亲水性的一面对葡萄糖的检测起了决定性作用,疏水性的一面起到的作用相对微弱。基于这一事实,本论文阐述了在纸电极上检测葡萄糖的机理。电化学结果表明,基于CNT-Ag/PS的传感器用于葡萄糖检测时,线性范围为1~1000μM,检测限为0.2μM,灵敏度为31,333.0μA m M-1cm-2,与此同时,该传感器具有优异的抗干扰性和稳定性,并成功用于复杂样品(如唾液、尿液和血清)中葡萄糖的检测。(2)基于如上真空抽滤和高温烘烤的方法,本论文继续发展了碳纳米管-铜纳米颗粒/聚苯乙烯(CNT-Cu/PS)纸电极,为了验证如上方法的普适性,本论文构筑了基于CNT-Cu/PS的传感器对土霉素进行检测,该传感器在0.01μM到10μM之间表现出宽的线性响应范围,土霉素的检测限为0.002μM。此外,CNT-Cu/PS传感器表现出良好的抗干扰性、重复性、稳定性。这种简便、灵敏和高选择性的传感器也被证明适用于牛奶和湖水中土霉素的检测。(3)通过对不同金属材料的筛选,制备出CNT-Al/PS纸电极,发现基于CNT-Al/PS的传感器可有效检测水体中的对苯二酚。本论文系统考察了Al纳米颗粒和PBS缓冲液的影响,发现Al纳米颗粒的量和缓冲液的p H对纸电极检测对苯二酚至关重要。CNT-Al/PS传感器以1400μA m M-1cm-2的高灵敏度成功检测了0.005μM至50μM浓度范围内的对苯二酚,检测限为0.001μM。此外,该传感器具有优异的稳定性和抗干扰性,在实际水样湖水和自来水中对苯二酚的回收率为96.61%~100.25%。(4)基于真空抽滤和高温烘烤的方法,开发了一种可同时检测葡萄糖、土霉素、对苯二酚的纸电极,该电极是将不同金属颗粒同时涂覆于纸基质上。通过对实验参数的优化,发现该复合纸电极(CNT-Ag-Cu-Al/PS)对三种不同化合物进行检测时均具有宽检测范围。对复合纸电极与单独涂覆金属纳米颗粒的纸电极进行了比较,发现其分析灵敏度略低于单独涂覆金属纳米颗粒的纸电极。因此,本实验为新型高选择性复合纸电极的发展提供了思路。
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