發(fā)布時(shí)間：2017-09-01 03:00

  本文關(guān)鍵詞：基于氮摻雜碳材料的酶生物燃料電池研究

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【摘要】：酶生物燃料電池(EBFC)可以將生物體液中的化學(xué)能或生物化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,因而備受關(guān)注。EBFC具有傳統(tǒng)燃料電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn),例如燃料來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、反應(yīng)條件溫和等。導(dǎo)電納米材料具有導(dǎo)電性好、比表面大、生物相容性好等特點(diǎn),已在EBFC研究中得到了廣泛應(yīng)用。目前EBFC研究主要集中于兩方面：一方面為探尋性能良好的納米材料用于構(gòu)建高性能的EFBC;另一方面為基于EBFC開(kāi)發(fā)新應(yīng)用。本論文的主要工作也主要集中于這兩方面。主要內(nèi)容如下：1、氮摻雜石墨烯在以NAD+為輔酶的脫氫酶電化學(xué)傳感器及酶生物燃料電池中應(yīng)用平臺(tái)的構(gòu)建氮摻雜石墨烯(NG)由于氮原子的孤電子對(duì)與sp2雜化的碳骨架形成共軛離域體系,表現(xiàn)出了比石墨烯更好的電催化活性,我們發(fā)現(xiàn)NG具有類(lèi)似于NADH脫氫酶(CoI)活性。其類(lèi)似于CoI中黃素單核苷酸(FMN)可有效催化NADH的氧化。同時(shí)由于NG優(yōu)異的導(dǎo)電性,其還起到電子傳遞橋的作用,將電子從NADH傳送至電極表面,因此NG修飾電極對(duì)于NADH具有良好的響應(yīng),并對(duì)其催化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。以甲酸脫氫酶(FDH)作為NAD+為輔酶的脫氫酶模型,基于NG/Au NPs/FDH復(fù)合物電極,我們構(gòu)建了甲酸電化學(xué)生物傳感器,該傳感器對(duì)甲酸表現(xiàn)出良好的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)。并且基于NG/Au NPs/FDH生物陽(yáng)極與NG/Au NPs/laccase生物陰極構(gòu)建了一種新型的高功率輸出的無(wú)隔膜甲酸/O2酶生物燃料電池(EBFC),其表現(xiàn)出優(yōu)異的輸出性能,串聯(lián)兩個(gè)EBFC可以點(diǎn)亮紅色LED。由于NG/Au NPs/FDH構(gòu)建的傳感器與生物陽(yáng)極在甲酸催化氧化過(guò)程中可有效循環(huán)輔酶NAD+/NADH,因此我們構(gòu)建了以NAD+為輔酶的脫氫酶在電化學(xué)生物傳感和EBFC中的應(yīng)用平臺(tái)。2、基于碳納米管/石墨氮化碳納米片/金納米粒子三元復(fù)合材料的酶生物燃料電池的研究鑒于NG在酶生物傳感及其EBFC中表現(xiàn)出良好的性能,我們探尋了一種更高含氮量的碳材料—石墨氮化碳納米片(g-C3N4 NSs)。但g-C3N4 NSs存在導(dǎo)電性差的缺點(diǎn),限制了其在電化學(xué)傳感方面的應(yīng)用,而將其與導(dǎo)電性納米材料復(fù)合可以解決這一問(wèn)題。因此我們制備了一種新型的碳納米管/石墨氮化碳納米片/金納米粒子(CNTs/g-C3N4 NSs/Au NPs)三元復(fù)合材料,并將其作為一種有效的基底電極用于構(gòu)建葡萄糖/O2EBFC�；谌獜�(fù)合材料構(gòu)建的EBFC表現(xiàn)出比CNTs/Au NPs二元復(fù)合材料更優(yōu)異的性能,功率輸出與穩(wěn)定性均有所提高,證明將g-C3N4 NSs引入到復(fù)合材料,可以有效改善EBFC性能。3、基于EBFC的超靈敏可再生自供能細(xì)胞傳感器的研究開(kāi)發(fā)了一種EBFC的新應(yīng)用,即構(gòu)建了一種基于EBFC的超靈敏自供能細(xì)胞傳感器用于檢測(cè)急性白血病CCRF-CEM細(xì)胞。EBFC細(xì)胞傳感器的核心組成為適配體(Sgc8c)功能化的陰極和氮摻雜石墨烯/金納米粒子/葡萄糖氧化酶(NG/Au NPs/GOD)修飾的陽(yáng)極,此EBFC產(chǎn)生的最大功率密度輸出(Amax)為115μW cm-2。當(dāng)帶負(fù)電的CCRF-CEM細(xì)胞被適配體識(shí)別并捕獲在陰極時(shí),細(xì)胞的位阻效應(yīng)和與氧化還原探針[Fe(CN)6]3-的靜電排斥作用會(huì)顯著阻礙探針和陰極表面的電子傳遞,從而導(dǎo)致EBFC功率輸出顯著降低,據(jù)此可用來(lái)靈敏地檢測(cè)細(xì)胞。另外,提高陰極溫度可以改變適配體的特定構(gòu)型,從而使捕獲的CCRF-CEM細(xì)胞在適配體功能化的陰極上釋放,進(jìn)而恢復(fù)EBFC細(xì)胞傳感器的功率輸出。重新活化的陰極可以再次捕獲CCRF-CEM細(xì)胞實(shí)現(xiàn)EBFC細(xì)胞傳感器的重建。該傳感器有望成為早期癌癥診斷的有力臨床工具。
【關(guān)鍵詞】：酶生物燃料電池 氮摻雜碳材料 類(lèi)CoI活性氮摻雜石墨烯 以NAD~+為輔酶的脫氫酶 生物傳感平臺(tái) NG/AuNPs/FDH生物陽(yáng)極 NG/AuNPs/laccase生物陰極 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元復(fù)合材料 自供能細(xì)胞傳感器 急性白血病CCRF-CEM細(xì)胞
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM911.4;TB33
【目錄】：

• 中文摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)12-13
• 第一章 緒論13-67
• 1.1 前言13
• 1.2 酶生物燃料電池概述13-34
• 1.2.1 酶生物燃料電池的工作原理14-17
• 1.2.2 酶生物燃料電池中常用的生物酶17-23
• 1.2.3 酶生物燃料電池中酶的固定方式23-26
• 1.2.4 酶生物燃料電池中固定酶的材料26-34
• 1.3 酶生物燃料電池的新應(yīng)用34-49
• 1.3.1 自供能傳感器研究34-43
• 1.3.2 彈性靈活裝置的研制43-48
• 1.3.3 微流控48-49
• 1.4 酶生物燃料電池面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)49-54
• 1.4.1 酶生物燃料電池的穩(wěn)定性49-50
• 1.4.2 小型化與植入式酶生物燃料電池50-53
• 1.4.3 CO_2還原用于生物燃料電池53-54
• 1.5 本論文的選題思路和主要工作54-55
• 參考文獻(xiàn)55-67
• 第二章 氮摻雜石墨烯的類(lèi)NADH脫氫酶行為及在以NAD~+為輔酶的脫氫酶?jìng)鞲衅脚_(tái)中的應(yīng)用67-91
• 摘要67
• 2.1 前言67-69
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分69-71
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑69
• 2.2.2 儀器69-70
• 2.2.3 NG、G和NG/Au NPs/FDH電極的準(zhǔn)備70-71
• 2.2.4 回收實(shí)驗(yàn)71
• 2.3 結(jié)果與討論71-87
• 2.3.1 NG的表征71-74
• 2.3.2 NG的類(lèi)CoI行為74-80
• 2.3.3 具有類(lèi)CoI行為的NG的應(yīng)用80-87
• 2.4 結(jié)論87-88
• 參考文獻(xiàn)88-91
• 第三章 氮摻雜石墨烯/金納米粒子/甲酸脫氫酶陽(yáng)極用于甲酸/O_2酶生物燃料電池研究91-104
• 摘要91
• 3.1 前言91-92
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分92-94
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑92-93
• 3.2.2 儀器93
• 3.2.3 NG/Au NPs/FDH生物陽(yáng)極與NG/Au NPs/laccase生物陰極的制備93-94
• 3.2.4 生物燃料電池的組裝94
• 3.3 結(jié)果與討論94-102
• 3.3.1 生物陽(yáng)極與生物陰極的表征94-96
• 3.3.2 生物陽(yáng)極與生物陰極的電化學(xué)表征96-99
• 3.3.3 無(wú)隔膜甲酸酶生物燃料電池的組裝99-102
• 3.4 結(jié)論102
• 參考文獻(xiàn)102-104
• 第四章 基于碳納米管/石墨氮化碳納米片/金納米粒子三元復(fù)合材料的酶生物燃料電池的研究104-121
• 摘要104
• 4.1 前言104-106
• 4.2 實(shí)驗(yàn)步驟106-108
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑106
• 4.2.2 儀器106-107
• 4.2.3 g-C_3N_4 NSs的合成107
• 4.2.4 g-C_3N_4/CNTs復(fù)合物的合成107
• 4.2.5 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元復(fù)合材料的合成107-108
• 4.2.6 酶修飾三元復(fù)合材料生物陽(yáng)極與生物陰極的制備108
• 4.2.7 酶生物燃料電池的組裝108
• 4.3 結(jié)果與討論108-118
• 4.3.1 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元復(fù)合材料形貌表征108-110
• 4.3.2 CNTs/g-C_3N_4 NSs/Au NPs三元復(fù)合材料組裝表征110-112
• 4.3.3 酶修飾三元復(fù)合材料電化學(xué)生物催化性能表征112-116
• 4.3.4 基于三元復(fù)合材料EBFC的構(gòu)建116-118
• 4.4 結(jié)論118
• 參考文獻(xiàn)118-121
• 第五章 基于酶生物燃料電池的超靈敏度可再生細(xì)胞傳感器的研究121-134
• 摘要121
• 5.1 前言121-123
• 5.2 實(shí)驗(yàn)123-125
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑123
• 5.2.2 儀器123-124
• 5.2.3 細(xì)胞系和細(xì)胞培養(yǎng)124
• 5.2.4 EBFC細(xì)胞傳感器的構(gòu)建和測(cè)量124-125
• 5.3 結(jié)果與討論125-131
• 5.3.1 陰極的表征125-126
• 5.3.2 陰極的再生表征126-128
• 5.3.3 陽(yáng)極表征128
• 5.3.4 EBFC細(xì)胞傳感器構(gòu)建及用于CCRF-CEM細(xì)胞檢測(cè)128-131
• 5.5 結(jié)論131
• 參考文獻(xiàn)131-134
• 結(jié)論與展望134-135
• 附錄135-137
• 致謝137-138

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本文編號(hào)：769497