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聚硫堇/碳纳米管光电极的制备及其在分析化学中的应用研究

作　者: 张兆霞
导　师: 赵常志
学　校: 青岛科技大学
专　业: 分析化学
关键词: 光致电化学传感器烟酰胺腺嘌呤二核苷酸碳纳米管硫堇脱氢酶
分类号: O657.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

光致电化学分析法基于光—电的能量转换,利用被测物质与光电化学反应的相关性,实现对物质的检测。具有光激发与光电流检测两个分开的过程是这种分析方法的最大特点,与光学分析法相比,它具有仪器简易、低成本损耗、便于实验装置小型化的优点；与电化学分析法相比,具有灵敏度高和选择性好的优点。光致电化学传感器是应用于光致电化学分析的敏感器件,属于光电化学传感器或电化学传感器中的一个分支。近年来,光致电化学传感器的研究得到了较快的发展,通过对各种光电极的化学修饰,可以改善光致电化学传感器的选择性、灵敏度、响应时间和应用范围。本文的工作是将碳纳米管修饰在ITO电极上,然后在其表面电聚合硫堇,制备了同时具有光电活性和电子受体功能的光电极。我们发现该光电极能与电子供体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)发生光致电化学反应。由于NADH是参与许多生物催化反应的辅酶,并且是生物体内许多氧化还原反应的中间体,通过检测反应体系中的NADH,可以测定酶促反应的底物、产物或其他相关物质。本文基于所制备的聚硫堇/碳纳米管光电极,完成的主要研究工作如下：1.将光电极与NADH组成光致电化学反应系统,使其与电子供体NADH发生光电催化反应,通过光电流的大小实现了对NADH的检测。研究了NADH/聚硫堇／碳纳米管光电化学敏感界面的反应机理和动力学响应,讨论了光电极的制备方法,以及偏压、光强度、溶液pH对光电化学反应和检测NADH的影响。确定光电极制备方法为先涂覆多壁碳纳米管在ITO电极上,然后用控制电位电解法使硫堇电聚合在碳纳米管电极上。在偏压0.50V(vs. Ag/AgCl)、光强14.3mW/cm2、pH值7.0的优化条件下,光电流与浓度范围在1.00×10-4-1.00×10-8M的NADH有良好的对数响应,检测限为3.00nM。该光致电化学响应有良好的重现性与稳定性,使用20天后,光电极的光电活性仍可以保持在85%以上。2.偶合光电极与酶促反应,制备了2种新型光致电化学生物传感器。利用壳聚糖(CS)和戊二醛将乳酸脱氢酶(LDH)和3a-羟类固醇脱氢酶(3α-HSD)固定在光电极表面。基于LDH催化乳酸、3α-HSD催化胆酸产生的NADH与光电界面的硫堇发生光致电化学反应产生光电流的原理,实现了对乳酸和胆酸的检测。研究了脱氢酶／聚硫堇／碳纳米管光电化学敏感界面的响应机理。通过实验优化了酶的固定量,涂膜液用量,CS和戊二醛的浓度等生物传感器的制备条件。分别考查了NAD+的浓度,偏压,溶液pH值对底物检测的影响并确定了最佳值。乳酸传感器对乳酸浓度的线性响应范围为1.00×10-6-1.00×10-4M,此检测下限为0.33μM,灵敏度为2.05nA/μM。对乳酸林格氏液(等张静脉注射液)检测的回收率为95.6%-103%。胆酸传感器对乳酸浓度的线性响应范围为2.00×10-6-4.00×10-5M,检测限为0.67μM,灵敏度为4.21nA/μM。对胆酸钠片(肝胆类药物)检测的回收率为96.4%-103%。3.利用紫外和荧光分光光度法,进一步验证了聚硫堇/碳纳米管光电极在酶促反应中对NAD+的循环再生能力。研究结果表明,光电极催化电子供体NADH的氧化成功地模拟了NADH氧化酶的作用,实现了NADH和NAD+的相互转化,建立起光电化学再生辅酶的新方法。这为辅酶在酶促反应体系中的循环利用提供了一个有效途径,对提高有机合成或生物制备中辅酶的使用效率,降低工业生产的成本具有潜在的应用价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章前言  10-52
  1.1 光电化学  10-17
    1.1.1 光电化学定义  10
    1.1.2 光电化学原理  10
    1.1.3 光电化学产生的背景以及应用  10-15
    1.1.4 几种光电材料的介绍  15-17
  1.2 染料敏化剂  17-24
    1.2.1 染料敏化剂的定义  17
    1.2.2 染料敏化剂的性能  17
    1.2.3 染料敏化剂的分类  17-20
    1.2.4 硫堇和聚硫堇  20-24
  1.3 光电化学传感器简介  24-32
    1.3.1 传感器  24-26
    1.3.2 光电化学传感器  26-32
  1.4 碳纳米管  32-37
    1.4.1 碳纳米管的发现  32-34
    1.4.2 碳纳米管的结构  34
    1.4.3 碳纳米管的性能  34-35
    1.4.4 碳纳米管的应用  35-37
  1.5 本论文的选题背景和研究内容  37-40
  参考文献  40-52
第二章实验部分  52-57
  2.1 实验药品和实验试剂  52-53
  2.2 实验方法  53-57
    2.2.1 电极的制备  53-55
    2.2.2 光电流响应的测量  55-56
    2.2.3 电极的表征和优化实验  56
    2.2.4 光谱实验  56-57
第三章多壁碳纳米管/聚硫堇/NADH光致电化学敏感界面的构建及其对NADH的测定  57-70
  3.1 引言  57-58
  3.2 结果与讨论  58-68
    3.2.1 电极的表征  58-61
    3.2.2 光电响应机理  61-62
    3.2.3 偏压对传感器的影响  62-63
    3.2.4 光强对光电流的影响  63
    3.2.5 pH值对光电流的影响  63-64
    3.2.6 多壁碳纳米管浓度对对光电流的影响  64-65
    3.2.7 聚硫堇浓度对光电流的影响  65-66
    3.2.8 电极的动力学响应  66
    3.2.9 干扰性研究  66-67
    3.2.10 传感器的重现性与稳定性  67-68
  3.4 本章小结  68-69
  参考文献  69-70
第四章基于多壁碳纳米管/聚硫堇/NADH光电化学敏感界面的乳酸传感器  70-87
  4.1 引言  70-71
  4.2 结果与讨论  71-83
    4.2.1 电极的表征  71-74
    4.2.2 光电界面对NADH和乳酸的光致电化学响应原理  74-75
    4.2.3 传感器对乳酸的响应  75-77
    4.2.4 酶的固定量对传感器响应的影响  77
    4.2.5 涂膜液量对传感器响应的影响  77-78
    4.2.6 壳聚糖浓度对传感器响应的影响  78-79
    4.2.7 戊二醛浓度对传感器响应的影响  79
    4.2.8 NAD~+和乳酸的浓度配比对传感器响应的影响  79
    4.2.9 偏压对传感器响应的影响  79-80
    4.2.10 pH值对传感器响应的影响  80-81
    4.2.11 干扰性研究  81
    4.2.12 乳酸传感器的重现性和稳定性  81-82
    4.2.13 样品测定  82-83
  4.3 本章小结  83-84
  参考文献  84-87
第五章基于多壁碳纳米管/聚硫堇/NADH光电化学敏感界面的胆酸传感器  87-104
  5.1 引言  87-88
  5.2 结果与讨论  88-101
    5.2.1 电极的表征  88-91
    5.2.2 光电界面对NADH和胆汁酸的光致电化学响应原理  91-92
    5.2.3 传感器对胆酸的响应  92-94
    5.2.4 酶的固定量对传感器响应的影响  94-95
    5.2.5 涂膜液量对传感器相应的影响  95-96
    5.2.6 壳聚糖浓度对传感器响应的影响  96
    5.2.7 戊二醛浓度对传感器响应的影响  96
    5.2.8 NAD浓度对传感器响应的影响  96-97
    5.2.9 偏压对传感器响应的影响  97-98
    5.2.10 pH值对传感器响应的影响  98-99
    5.2.11 干扰性研究  99
    5.2.12 胆汁酸传感器的重现性和稳定性  99-100
    5.2.13 药品测定  100-101
  5.3 本章小结  101-102
  参考文献  102-104
第六章 NAD的循环利用性  104-109
  6.1 引言  104
  6.2 结果与讨论  104-107
  6.3 本章小结  107-108
  参考文献  108-109
结论  109-110
致谢  110-111
攻读学位期间已发表和待发表的相关学术论文题录  111-112

聚硫堇/碳纳米管光电极的制备及其在分析化学中的应用研究

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