【摘要】 電化學傳感器是一種由感應元件和換能器組成的,基于待測物的電化學性質對目標物進行檢測的分析系統(tǒng)。作為分析檢測領域重要的技術,電化學傳感器具有操作簡便、價格低廉、選擇性高、分析速度快、可進行在線分析等傳統(tǒng)分析方法不可比擬的優(yōu)勢,已經在環(huán)境檢測、食品工業(yè)、生物醫(yī)學研究、發(fā)酵工業(yè)生產等領域得到了高度的關注和廣泛的應用。本論文針對電化學傳感器研究和環(huán)境分析檢測中的一些關鍵問題,即如何高效、清潔地將材料固定到傳感器上,如何快速、靈敏地檢測五氯苯酚、甲基對硫磷、亞硝酸鹽等環(huán)境污染物,通過變換不同的材料、使用不同的修飾方法制備出了一系列新型的電化學傳感器,并將其應用于環(huán)境分析檢測中。采用循環(huán)伏安(CV)、方波陽極溶出伏安(SWV)、時間-電流法(i-t)、差分脈沖伏安(DPV)等多種電化學技術,以及電致化學發(fā)光(ECL)、紫外可見分光光度法(UV-vis)、傅里葉紅外光譜(FTIR)2熒光分光光度法(FL)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等其他技術手段,詳細研究了構建的電化學傳感器的結構、性質及其檢測性能。本論文主要研究工作如下：1.通過電化學還原的方法將氧化性碳量子點/氧化石墨烯(OCQDs/GO)一步電還原為碳量子點/石墨烯(CQDs/GR),同時由于OCQDs/GO與CQDs/GR溶解度的不同,制備出的CQDs/GR復合材料隨之沉積在了電極表面。通過SEM、TEM、 FL、UV-vis、CV和ECL對CQDs/GR復合材料進行了表征,實驗結果表明制得的CQDs/GR復合材料非常穩(wěn)定,能使傳感器保持很好的穩(wěn)定性；同時由于石墨烯(GR)優(yōu)良的導電性,放大了ECL信號,大大提高了傳感器的靈敏度；并且GR巨大的比表面積增加了碳量子點(CQDs)負載量,整個復合材料表現(xiàn)出良好的ECL檢測性能,最終成功實現(xiàn)了對五氯苯酚(PCP)的高靈敏特異性檢測,檢測線性范圍為1.0x10-12～1.0×10-8M,檢測下限達到1.0×10-12M。同時該傳感器實現(xiàn)了對實際土壤中PCP的檢測,說明該傳感器具有良好的實際應用前景。本論文首次通過一步電沉積的方法,以GR為模板實現(xiàn)了CQDs的固定化,從而使傳感器的重復使用成為可能；同時利用GR可以放大ECL信號的作用和CQDs對PCP特異性氧化的作用,實現(xiàn)了高靈敏特異性檢測PCP的目的。該研究方法為檢測環(huán)境中的持久性有機污染物質提供了一條可能的思路：調控量子點尺寸,通過尋找與目標檢測物氧化電位相匹配的量子點,利用GR為量子點固定化模板,實現(xiàn)對環(huán)境中有機污染物的高靈敏特異性檢測。2.首先將玻碳電極置于氧化石墨烯(GO)和殼聚糖(CS)的混合溶液中,接著通過一步電還原方法制備出穩(wěn)定的石墨烯/殼聚糖(GR/CS)復合材料。GO的電化學還原過程消耗了H+,增大了電極附近溶液的pH值,從而使得CS變得不溶；同時由于GO電還原生成的石墨烯(GR)不易溶于水,因而最終GR與CS一起電沉積在玻碳電極表面上,并且由于濃度梯度差,保證了生成的GR/CS源源不斷地被沉積到了在電極表面。實驗結果表明,該GR/CS復合物可以用作固相萃取模板,對甲基對硫磷(MP)表現(xiàn)出良好的富集性能,并且基于其所構建的電化學無酶傳感器能快速地實現(xiàn)對MP產生檢測電流響應,在最優(yōu)實驗條件下,該GR/CS無酶傳感器具有很寬的線性范圍4.0-400ng/mL,檢測限達到了0.8ng/mL。同時,該傳感器具有良好的重現(xiàn)性,穩(wěn)定性以及較好的選擇性,為綠色、快速、簡單、靈敏的檢測有機磷農藥提供了新的途徑。3.將氧化石墨烯(GO)和碳納米管(CNTs)分散到殼聚糖(CS)中,形成GO/CNTs/CS混合液。由于氧化石墨烯(GO)的電化學還原過程消耗了H+,增大了電極附近溶液的pH值,從而使殼聚糖(CS)變得不溶；而基于GO電還原生成的石墨烯(GR)也不易溶于水；同時酸化的CNTs表面帶有大量的含氧官能團,電還原過程中導致大量含氧官能團被還原,使得CNTs水溶性變差,該性質與GR類似；由此,利用它們三者電還原前后溶解度不同的原理,通過電沉積的方法直接一步制備出了GR/CNTs/CS復合材料,并且由于濃度梯度差,保證了生成的GR/CNTs/CS源源不斷地被沉積到了在電極表面。該種方法由于不涉及到化學還原過程中經常使用的一些有毒還原劑如肼等,因此對環(huán)境友好而且不會造成二次環(huán)境污染。結合GR、CNTs和CS的各自優(yōu)點,該GR/CNTs/CS可以用作固相萃取模板,對甲基對硫磷(MP)表現(xiàn)出良好的富集性能。在最優(yōu)實驗條件下,該GR/CNTs/CS電化學無酶傳感器對MP檢測線性范圍為2.0-500ng/mL,檢測限達到了0.5ng/mL。并且該傳感器不但穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好,而且具有較強的選擇性。4.由于π-π相互作用,可以利用DNA實現(xiàn)碳納米管(CNTs)的功能化后,通過簡單的直流電沉積方法將DNA/CNTs/Cu2+復合材料固定于玻碳電極表面。電沉積在玻碳電極表面的DNA/CNTs/Cu2+復合材料對亞硝酸鹽(N02-)具有良好的電催化性能,由此構建出一個靈敏的N02-電化學傳感器。為了獲得最高的靈敏度,通過實驗詳細研究了沉積液中Cu2+濃度、DNA濃度、CNTs濃度、電沉積時間等電沉積條件以及pH值和應用電位等檢測條件對N02-在DNA/CNTs/Cu2+玻碳電極上響應電流的影響。實驗結果表明,在最優(yōu)條件下,該DNA/CNTs/Cu2+電化學傳感器對N02-的檢測線性范圍為3.0×10-8-2.6×10"3M,檢測限為3.0×10-8M,響應時間在3s以內。并且該DNA/CNTs/Cu2+電化學傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力,因此具有巨大的實際應用前景。5.通過一步電還原的方法,將玻碳電極置于由氧化石墨烯(GO)、殼聚糖(CS)和葡萄糖氧化酶(GOx)組成的GO/CS/GOx混合溶液中,直接在電極表面制備出石墨烯/殼聚糖/葡萄糖氧化酶(GR/CS/GOx)新型納米復合膜。整個過程僅需要幾分鐘,而且形成的GR/CS/GOx膜均勻且厚度可控。循環(huán)伏安實驗結果表明,GR/CS/GOx膜中的GOx保持了自身良好的生物活性,可以與電極之間發(fā)生直接電子轉移,從而能夠進一步用于對葡萄糖的檢測。在最優(yōu)實驗條件下,該GR/CS/GOx電化學傳感器對葡萄糖的檢測線性范圍為4.0×10-7～2.0×10-3M,檢測限為4.0×10-7M,與其他采用滴涂的方法得到的GR/CS/GOx傳感器相比,檢測限降低了50倍。同時該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力,利用該GR/CS/GOx電化學傳感器對實際人血清樣本中葡萄糖的檢測效果令人滿意,與醫(yī)院生化分析儀器所得結果一致,實際應用的潛力非常巨大。 

第1章緒論

1.1電化學傳感器
作為應用于現(xiàn)代分析化學中的一類特殊傳感器，電化學傳感器是指以特定感應元件與目標物質發(fā)生反應產生感知信號，再通過特定的換能器將這種感知信號轉換成可識別的、與目標物質濃度成比例的電信號，從而達到定性或定量的分析檢測目標物質的一種裝置或器件。根據(jù)電化學傳感器的定義我們可以知道，電化學傳感器主要由固定化的感應元件（識別系統(tǒng)）和換能器（轉換系統(tǒng)）兩部分構成，其基本結構和原理如圖1.1所示。首先將具有特定識別功能的材料固定于基體表面形成感應元件，該識別系統(tǒng)主要有兩個作用：感應元件特異性地與目標物質發(fā)生反應，并將獲得的反應參數(shù)轉化成傳導系統(tǒng)可以產生感應信號；接著產生的感應信號被作為轉換系統(tǒng)的換能器接收，該轉換系統(tǒng)同樣主要具有兩個功能：首先將接收到的感應信號轉化為可以測量的電學、電化學等電信號，然后把所獲得的電信號通過電子系統(tǒng)二次放大處理后輸出，通過儀器顯示記錄下來。由于通過二次放大的電信號與目標物質濃度成比例，依據(jù)它們之間的線性關系實現(xiàn)對目標物質的定性和定量分析檢測。電化學傳感器最早起源于20世紀50年代，主要用于氧氣監(jiān)測。直到1956年，美國的Clark教授發(fā)表了隔離式氧電極的經典論文：使用娃橡膠膜隔離了電極過程與主體溶液，這樣的隔離操作在既不影響氧分子擴散進入電極內腔的前提下，又極大地避免了開放式氧電極中所遇到的外部物質干擾問題，他強調該隔離式氧電極擴大了氧電極的應用范圍，可以用于測定很多物質，包括用于體內的檢測⑷。隨著屯化學、微電子和材料加工等科學技術的不斷發(fā)展，到了 20世紀60年代，在之前氧電極研究的基礎上，新型的酶電極和離子選擇性電極相繼問世，其中以Clark和Lyons于1962年首次構建出的“酶電極”為重要里程碑[5]:他們把固定好葡萄糖氧化酶的透析膜緊貼在氧電極上，然后將其與電化學技術相結合，利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖過程中需要消耗溶解氧這一化學原理，通過檢測溶液中溶解氧濃度的變化，達到監(jiān)測溶液中葡萄糖濃度的目的；但是，由于該種方法構建的酶電極不能重復使用，因此還達不到實際應用的要求。
…….

1.2納米復合材料概述
復合材料，顧名思義，是指由兩種或兩種以上不同材料通過物理或者化學等不同方式方法組合而成、具有全新性能的混合物。由于不同材料在性能上具有協(xié)同作用，能夠互相取長補短，因此復合材料可以發(fā)揮不同材料的優(yōu)點，同時克服單一材料的缺陷，其綜合性能往往比原組成材料更為優(yōu)異，從而擴大了材料的應用范圍。現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不幵復合材料，由于其具有質量小、強度高、化學性能穩(wěn)定、耐高溫、耐腐燭、耐磨性、延展性優(yōu)良、工藝性和可設計性好等其他材料無可比擬的優(yōu)勢，復合材料已經在航空航天、國防軍事、交通運輸、電子電器、建筑建設及體育運動等多個領域得到了極其廣泛的應用。其中，納米復合材料由于其特異的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子險道效應而最具有吸引力，納米復合材料的研究和應用己經成為21世紀材料科學的重要探索內容，它的發(fā)展也標志著人類在原子、分子水平上認識和改造自然的能力又更進了一步�，F(xiàn)今，世界發(fā)達國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復合材料的發(fā)展放到重要的位置，納米復合材料的研究深度、應用廣度及其生產速度和規(guī)模已經成為衡量一個國家科學技術水平的重要標志之一。正如我國著名科學家錢學森所說：“納米左右和納米以下的結構是下一階段科技發(fā)展的重點，筆耕文化推薦期刊，會是一次技術革命，從而將是二十一世紀的又一次產業(yè)革命”。
……..

第2章碳量子點/石墨稀的制備及其電致化學發(fā)光檢測五氯苯酗

2.1前言
氯醋類物質是一類典型的環(huán)境持久型有機污染物，而且它們中的幾種已經被美國環(huán)境保護局列為優(yōu)先控制污染物、被癌癥國際研究機構列為2B組環(huán)境致癌物[96_98]，對環(huán)境安全和人體健康都具有巨大的影響。在氯酷類物質中，用的最多、致癌性最強的就是五氯苯粉（簡稱為PCP)，由于PCP對環(huán)境和人體健康的危害極大，已經引起了人們的廣泛關注和高度重視。由于PCP的濃度與環(huán)境中氯酷類物質總濃度線性相關，因此可以將PCP作為一個典型的氯酷類物質進行檢測，從而達到監(jiān)測實際環(huán)境中氯酷類物質濃度的目的；并且，由于歐盟和美國環(huán)保局對飲用水中PCP殘留的嚴格規(guī)定（分別為0.5ppb和1 ppb)，在過去的幾十年中，大量的研究工作致力于痕量或者超痕量檢測PCP[99_iM]。然而這些現(xiàn)有的技術常常存在不足，比如：需要用到大型的貴重儀器設備、樣品制備復雜、需要專業(yè)的工作人員操作，更重要的是由于這些技術不能微型化實現(xiàn)不了實時監(jiān)測，導致這一實際應用中至關重要的問題還是沒有得到有效的解決。
………

2.2實驗部分

2.2.1試劑
鈦片（純度99.8%,厚底0.127 mm)購買于Aldrich公司；石墨粉購自宜興市洋溪雙園化劑廠；活性炭和l~30kDa分子蹄購買于國藥集團化學試劑有限公司；其余試劑均為分析純，實驗所用溶液用超純水配制。

2.2.2實驗儀器
電化學實驗在上海辰華儀器公司CHI 660D型電化學工作站上進行，修飾鈦片為工作電極（尺寸為1.0 cm X 3.5 cm)，鈾電極為對電極（Pt，上海精密科學儀器有限公司），飽和甘萊電極為參比電極（SCE，上海精密科學儀器有限公司）；5mL電解池為自制；電致化學發(fā)光實驗在型多功能電致化學發(fā)光分析儀（西安瑞邁公司）上測得；修飾鈦片的拉曼光譜在Advantage 200A型拉曼光譜儀（美國DeltaNu公司）上測得；修飾鈦片的傅里葉紅外光譜在Nicolet紅外光譜儀（美國熱電公司）上測得；修飾鈦片的勞光光譜在F-2500型突光分光光度計（日本日立公司）上測得；修飾鈦片形貌在JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子株式會社）和JEM-3010型透射電子顯微鏡（TEM，日本電子株式會社）上表征；Simplicity型實驗超純水儀（美國MmUPORE密理博）制備實驗用水。
……

第3章石墨烯/殼聚糖固相萃取劑旳制備........ 42
3.1 前言........42
3.2實驗部分........ 43
3.2.1 試劑........ 43
3.2.2實驗儀器........ 43
3.2.3 一步恒電位沉積制備石墨烯/殼聚糖 ........43
3.2.4石墨烯/殼聚糖電化學傳感器的檢測過程........ 44
3.2.5石墨烯/殼聚糖電極表面的再生........ 44
3.3結果與討論........ 44
3.4本章小結 ........51
第4章石墨烯/碳納米管/殼聚糖固相萃取劑的制備........53
4.1前言........ 53
4.2實驗部分........ 54
4.3結果與討論........ 56
4.4本章小結 ........63
第5章DNA功能化碳納米管/Cu2+的制備及其檢測亞硝酸根........ 65
5.1前言 ........ 65
5.2實驗部分........ 66
5.3結果與討論........   67
5.4本章小結........ 75

第6章石墨稀/殼聚糖/葡萄糖氧化酶的制備及其檢測葡萄糖

6.1前言
糖尿病作為當今世界最普遍且花費最高的疾病之一，嚴重地影響著人們的身體健康，引起了世界范圍內的公眾健康安全問題[222]，全球每年有300萬人死于糖尿病[223]。同時由代謝問題造成的高血糖或者低血糖疾病可能引起多種并發(fā)癥，比如：心臟疾病，腎衰竭和失明[224]。因此監(jiān)控血液中血糖含量對治療和控制糖尿病意義重大。至今，科學家們在檢測血液中葡萄糖含量這一領域已經開展了大量的研究工作，在這些研究工作中，基于葡萄糖氧化酶（GOx)的電化學生物傳感器因其靈敏度高、特異性強和檢測限低等優(yōu)點備受人們的關注，是最簡便的檢測手段之一。最近幾年，酶的直接電化學現(xiàn)象引起了人們的極大關注[225，227-230]:酶活性中心與電極表面的直接電化學可以用于研究生物系統(tǒng)中的酶催化機理，即以電化學反應的本質為基礎，探究有關酶分子的結構、氧化還原醇分子的熱力學和動力學轉化以及代謝過程中涉及到的氧化還原轉化等問題[225，231]。然而由于酶這種蛋白質分子表面絕緣，常常阻礙了酶氧化還原活性中心與電極表面的直接電化學行為，使得實現(xiàn)酶活性中心與電極表面的直接電化學非常困難；再者將酶直接吸附在電極表面也會造成酶的變形和失活。因此尋找合適的生物相容的電極材料，既能夠保持酶的活性，又能夠實現(xiàn)酶活性中心與電極表面直接電化學就顯得尤為重要了。

結論

在詳細了解國內外有關電化學傳感器的制備、性質及應用研究的基礎上，本論文針對電化學傳感器研究和環(huán)境分析檢測中的一些關鍵問題，即如何高效、清潔地將材料固定到傳感器上，如何快速、靈敏地檢測五氯苯酷、甲基對硫憐和亞硝酸鹽等環(huán)境污染物，通過變換不同的材料、使用不同的修飾方法制備出了一系列新型的電化學傳感器，并將其應用于環(huán)境分析檢測中。采用循環(huán)伏安法（CV)、方波陽極溶出伏安法（SWV)、時間-電流曲線（i-t)、差分脈沖伏安法（DPV)等多種電化學技術，以及電致化學發(fā)光法（ECL)、紫外可見分光光度法（UV-vis)、傅里葉紅外光譜（FTIR)、突光分光光度法（FL)、掃描電子顯微鏡（SEM)、透射電子顯微鏡（TEM)等其他分析手段，詳細研究了構建的電化學傳感器的結構、性質及其檢測性能。本論文主要研究成果總結如下：成功將氧化碳量子點（OCQDs)電還原為碳量子點（CQDs)和將氧化石墨稀電還原為石墨�。℅R)，并且利用水溶性不同的特點，實現(xiàn)了一步電還原制備CQDs/GR復合材料的目的；GR是良好的固定化模板，它保持了 CDQs的獨立分散性，可以防止CQDs的進一步團聚，并且CQDs均勻、密集地分布在裙皺的GR表面，與GR緊密結合，使得CQDs/GR復合材料結構穩(wěn)定；GR同時還是良好的ECL信號放大器，由于其良好的導電性，構建的基于GR和S2O82的多級放大系統(tǒng)能夠顯著地提高CQDs的ECL強度，具有優(yōu)異的ECL信號放大效果。
…………