本文關(guān)鍵詞：基于金屬有機骨架納米材料的電化學傳感器

  更多相關(guān)文章： 金屬有機骨架材料 電化學 傳感器 葡萄糖 抗壞血酸 過氧化氫 納米結(jié)構(gòu)

【摘要】：由于具有結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性、多孔性、比表面大等優(yōu)異性能,金屬有機骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)已被廣泛應用于選擇性催化、氣體吸附與分離、生物化學傳感、藥物輸送、固載活性小分子、光電材料等領(lǐng)域。隨著對此類材料的不斷深入研究,基于MOFs衍生的各種納米復合材料在性質(zhì)和功能上得到了極大地改進。本論文的工作主要基于MOFs及MOFs衍生的納米復合材料制備了三種無酶傳感器和一種有酶葡萄糖傳感器,并運用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉紅外光譜(FT-IR)、X射線粉末衍射(XRD)、N_2吸附脫附等溫線和電化學技術(shù)等對材料進行表征。具體研究內(nèi)容包括如下四個方面:1.通過一種溫和而簡單的MOFs轉(zhuǎn)化方式,在玻碳電極(GCE)上原位制備了具有多級納米結(jié)構(gòu)的Co(OH)_2/GCE。為了使材料與玻碳電極鍵合的更加牢固,我們首先對基底進行了功能化處理,再浸入金屬鈷鹽溶液中形成結(jié)晶點,之后MOFs沿著結(jié)晶點有序生長成層層疊加的均一棒狀結(jié)構(gòu),最后一體電極Co(BTC)MOFs/GCE在氫氧化鈉溶液中轉(zhuǎn)化為多級圓片狀納米結(jié)構(gòu)的Co(OH)_2/GCE電極。采用SEM對材料的形貌進行了表征,同時利用FT-IR及XRD等進一步證明了材料的成功合成。將復合材料直接作為一體電極構(gòu)建了具有較寬線性范圍(0.005~6.7 mM)和較低檢出限(1.73μM)的新型無酶葡萄糖傳感器。本實驗為制備經(jīng)原位生長的多級納米結(jié)構(gòu)材料作為一體電極在無酶傳感器中的應用提供了一條新思路。2.使用具有仿生催化酶活性的氯化血紅素(鐵卟啉,hemin)作為有機配體合成了新型的三維花球狀銅-鐵卟啉MOFs(Cu-hemin MOFs)。該材料在常溫下一步合成,耗時少且操作方便簡單。通過掃描電子顯微鏡,我們發(fā)現(xiàn)花球不僅表面很多褶皺(因此增大了材料的比表面),而且其內(nèi)部是中空的,可以很好地負載葡萄糖氧化酶(GOD)等生物分子。將GOD/Cu-hemin MOFs用于葡萄糖的檢測,電化學測試發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)上的特異性既保持了hemin的催化活性,又保持了GOD的酶生物活性。因此,我們得到了相比其他酶葡萄糖傳感器更好的線性范圍(9.10μM-36.0 mM)及較低的檢出限(2.73μM),并且有望用于實際樣品的檢測。其優(yōu)良的電化學性能豐富了MOFs納米材料用于固載酶或蛋白質(zhì)的思想,同時也為解決同時利用納米材料和酶分子雙性能提供了新思路。3.基于第二個工作,我們發(fā)現(xiàn)Cu-hemin MOFs的導電性并不完美,為了改善MOFs的電化學活性,該工作選用了石墨烯作為活性導電材料,利用超聲的方式使MOFs和石墨烯發(fā)生協(xié)同反應。為了提高產(chǎn)率,我們用殼聚糖作為還原劑處理石墨烯,大大增強了與納米材料的復合能力,最終成功制備了花球狀的Cu-hemin MOFs/CS-r GO納米復合材料。通過表征發(fā)現(xiàn),石墨烯不僅促進了MOFs的傳質(zhì)和電化學催化活性,還能夠得到更小粒徑的MOFs納米顆粒,從而增大了催化的有效表面積。將其作為過氧化氫傳感器材料,相比其他的材料如過氧化物酶和四氧化三鐵,在檢測過程中展示了很好的線性范圍(0.065μM~0.410 mM)、低檢出限(0.019μM)和良好的選擇性。本實驗所用的合成方法為制備MOFs與石墨烯基復合材料提供了更寬廣的研究思路。4.利用天然生物多孔碳材料洋麻桿作為支撐材料,ZIF-8作為載體固載羧酸二茂鐵,在常溫下使用一步法成功制備了新型Fc(COOH)_2/ZIF-8/KCS納米復合材料。通過SEM圖發(fā)現(xiàn)由于洋麻桿多孔和壁薄等優(yōu)點,Fc(COOH)_2/ZIF-8能夠均勻地生長在孔內(nèi)和孔壁上,得到了與ZIF-8形貌不同的棒狀納米顆粒,FT-IR/XRD/N_2吸附脫附等溫線等測試結(jié)果也表明二者的差異性。利用生物炭材料自身的導電性能,可以直接制成一體電極,這大大了簡化了電極的制備過程,提高了實驗效率。最后將制備好的復合電極用于抗壞血酸的檢測,得到了較好的電化學測試性能,其中線性范圍為0.06μM~5.01 mM,最低檢出限為0.017μM。本實驗的制備方法為制備在溶液中穩(wěn)定的Fc(COOH)_2衍生納米復合材料提供了新思路。
【關(guān)鍵詞】：金屬有機骨架材料 電化學 傳感器 葡萄糖 抗壞血酸 過氧化氫 納米結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：江西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;O657.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 電化學傳感器11-14
• 1.1.1 電化學傳感器的發(fā)展11
• 1.1.2 葡萄糖傳感器11-13
• 1.1.3 過氧化氫傳感器13
• 1.1.4 抗壞血酸傳感器13-14
• 1.2 金屬有機骨架材料概述14-20
• 1.2.1 金屬有機骨架材料14-16
• 1.2.2 金屬有機骨架材料的制備16-17
• 1.2.3 金屬有機骨架結(jié)構(gòu)納米材料在電化學傳感中的應用17-20
• 1.3 基于金屬有機骨架衍生的納米材料概述20-22
• 1.3.1 金屬有機骨架衍生物20
• 1.3.2 金屬有機骨架衍生物的合成方法20-21
• 1.3.3 金屬有機骨架衍生納米材料在電化學傳感中的應用21-22
• 1.4 碳基材料概述22-25
• 1.4.1 無機碳材料22-23
• 1.4.2 生物多孔碳材料23-24
• 1.4.3 碳基材料應用于電化學傳感24-25
• 1.5 本論文研究的目的和意義25-27
• 第二章 由Co(BTC)金屬有機骨架結(jié)構(gòu)衍生的多級納米結(jié)構(gòu)Co(OH)_2/GCE及其在葡萄糖傳感上的應用27-39
• 2.1 引言27-28
• 2.2 實驗部分28-30
• 2.2.1 試劑28
• 2.2.2 苯羧酸功能化的玻碳電極(F-GCE)28-29
• 2.2.3 Co(OH)_2/GCE的制備29-30
• 2.2.4 表征手段30
• 2.3 結(jié)果與討論30-38
• 2.3.1 Co(BTC) MOFs/GCE及Co(OH)_2/GCE的表征測試30-33
• 2.3.2 Co(OH)_2/GCE電化學性能表征33-35
• 2.3.3 Co(OH)_2/GCE在電化學葡萄糖傳感中的應用35-38
• 2.4 結(jié)論38-39
• 第三章 基于新型Cu-hemin MOF制備的GOD/Cu-hemin MOFs納米復合材料及其在葡萄糖傳感中的應用39-52
• 3.1 引言39-40
• 3.2 實驗部分40-42
• 3.2.1 試劑和藥品40
• 3.2.2 GOD/Cu-hemin MOFs納米復合材料的制備40
• 3.2.3 修飾電極的制備40-41
• 3.2.4 儀器設(shè)備41-42
• 3.3 結(jié)果與討論42-50
• 3.3.1 合成條件對材料的影響42-43
• 3.3.2 Cu-hemin MOFs的表征43-44
• 3.3.3 GOD/Cu-hemin MOFs納米復合材料的表征44-45
• 3.3.4 GOD/Cu-hemin MOFs納米復合材料電化學性能測試45-46
• 3.3.5 GOD/Cu-hemin MOFs納米復合材料的催化氧還原反應46-49
• 3.3.6 基于GOD/Cu-hemin MOFs納米復合材料的葡萄糖檢測49-50
• 3.4. 結(jié)論50-52
• 第四章 基于具有酶催化活性的Cu-hemin MOF/CS-rGO納米復合材料的過氧化氫電化學傳感器52-63
• 4.1 引言52-53
• 4.2.實驗部分53-55
• 4.2.1 試劑與藥品54
• 4.2.2 Cu-hemin MOF/CS-rGO的制備54
• 4.2.3 制備各種修飾電極54
• 4.2.4 表征測試儀器54-55
• 4.3 結(jié)果與討論55-62
• 4.3.1 Cu-hemin MOF/CS-rGO的表征55-58
• 4.3.2 Cu-hemin MOF/CS-rGO納米復合材料的電化學表征58-60
• 4.3.3 Cu-hemin MOF/CS-rGO修飾電極對過氧化氫的催化還原60-62
• 4.4 結(jié)論62-63
• 第五章 新型Fc(COOH)_2/ZIF-8/KSC納米復合材料的制備及其在抗壞血酸傳感中的應用63-76
• 5.1 引言63-64
• 5.2 實驗部分64-65
• 5.2.1 試劑與藥品64-65
• 5.2.3 儀器設(shè)備65
• 5.2.4 Fc(COOH)_2/ZIF-8/KSC的制備65
• 5.3 結(jié)果與討論65-75
• 5.3.1 Fc(COOH)_2/ZIF-8/KSC的表征65-70
• 5.3.2 Fc(COOH)_2/ZIF-8/KSC的電化學行為70-71
• 5.3.3 Fc(COOH)_2/ZIF-8/KSC對抗壞血酸的催化氧化71-73
• 5.3.4 Fc(COOH)_2/ZIF-8/KSC定量檢測抗壞血酸73-75
• 5.4 結(jié)論75-76
• 論文總結(jié)76-78
• 參考文獻78-101
• 致謝101-102
• 攻讀碩士學位期間的研究成果102-103

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