【摘要】 電化學(xué)傳感器是一種由感應(yīng)元件和換能器組成的,基于待測物的電化學(xué)性質(zhì)對目標(biāo)物進行檢測的分析系統(tǒng)。作為分析檢測領(lǐng)域重要的技術(shù),電化學(xué)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(jīng)在環(huán)境檢測、食品工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)研究、發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了高度的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。本論文針對電化學(xué)傳感器研究和環(huán)境分析檢測中的一些關(guān)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(xué)傳感器,并將其應(yīng)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(xué)技術(shù),以及電致化學(xué)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(shù)手段,詳細研究了構(gòu)建的電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其檢測性能。本論文主要研究工作如下：1.通過電化學(xué)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(fù)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(fù)合材料進行了表征,實驗結(jié)果表明制得的CQDs/GR復(fù)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(dǎo)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(fù)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(yīng)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(fù)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(zhì)提供了一條可能的思路：調(diào)控量子點尺寸,通過尋找與目標(biāo)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(fù)合材料。GO的電化學(xué)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(jié)果表明,該GR/CS復(fù)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(gòu)建的電化學(xué)無酶傳感器能快速地實現(xiàn)對MP產(chǎn)生檢測電流響應(yīng),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(nóng)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(xué)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(dǎo)致大量含氧官能團被還原,使得CNTs水溶性變差,該性質(zhì)與GR類似；由此,利用它們?nèi)唠娺�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(fù)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(xué)還原過程中經(jīng)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(jié)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(xué)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(fù)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(fù)合材料對亞硝酸鹽(N02-)具有良好的電催化性能,由此構(gòu)建出一個靈敏的N02-電化學(xué)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(yīng)用電位等檢測條件對N02-在DNA/CNTs/Cu2+玻碳電極上響應(yīng)電流的影響。實驗結(jié)果表明,在最優(yōu)條件下,該DNA/CNTs/Cu2+電化學(xué)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(yīng)時間在3s以內(nèi)。并且該DNA/CNTs/Cu2+電化學(xué)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(yīng)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(fù)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(jié)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(zhuǎn)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(xué)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(xué)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(jié)果一致,實際應(yīng)用的潛力非常巨大。 

第1章緒論

1.1電化學(xué)傳感器
作為應(yīng)用于現(xiàn)代分析化學(xué)中的一類特殊傳感器，電化學(xué)傳感器是指以特定感應(yīng)元件與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生感知信號，再通過特定的換能器將這種感知信號轉(zhuǎn)換成可識別的、與目標(biāo)物質(zhì)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(biāo)物質(zhì)的一種裝置或器件。根據(jù)電化學(xué)傳感器的定義我們可以知道，電化學(xué)傳感器主要由固定化的感應(yīng)元件（識別系統(tǒng)）和換能器（轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）兩部分構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)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(yīng)元件，該識別系統(tǒng)主要有兩個作用：感應(yīng)元件特異性地與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并將獲得的反應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)系統(tǒng)可以產(chǎn)生感應(yīng)信號；接著產(chǎn)生的感應(yīng)信號被作為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的換能器接收，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)同樣主要具有兩個功能：首先將接收到的感應(yīng)信號轉(zhuǎn)化為可以測量的電學(xué)、電化學(xué)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(biāo)物質(zhì)濃度成比例，依據(jù)它們之間的線性關(guān)系實現(xiàn)對目標(biāo)物質(zhì)的定性和定量分析檢測。電化學(xué)傳感器最早起源于20世紀(jì)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(jīng)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(nèi)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(zhì)干擾問題，他強調(diào)該隔離式氧電極擴大了氧電極的應(yīng)用范圍，可以用于測定很多物質(zhì)，包括用于體內(nèi)的檢測⑷。隨著屯化學(xué)、微電子和材料加工等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，到了 20世紀(jì)60年代，在之前氧電極研究的基礎(chǔ)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(gòu)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(xué)技術(shù)相結(jié)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(xué)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(gòu)建的酶電極不能重復(fù)使用，因此還達不到實際應(yīng)用的要求。
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1.2納米復(fù)合材料概述
復(fù)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(xué)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(fù)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(yīng)用范圍。現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不幵復(fù)合材料，由于其具有質(zhì)量小、強度高、化學(xué)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(shè)計性好等其他材料無可比擬的優(yōu)勢，復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天、國防軍事、交通運輸、電子電器、建筑建設(shè)及體育運動等多個領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。其中，納米復(fù)合材料由于其特異的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子險道效應(yīng)而最具有吸引力，納米復(fù)合材料的研究和應(yīng)用己經(jīng)成為21世紀(jì)材料科學(xué)的重要探索內(nèi)容，它的發(fā)展也標(biāo)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(fù)合材料的發(fā)展放到重要的位置，納米復(fù)合材料的研究深度、應(yīng)用廣度及其生產(chǎn)速度和規(guī)模已經(jīng)成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。正如我國著名科學(xué)家錢學(xué)森所說：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)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(shù)革命，從而將是二十一世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命”。
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第2章碳量子點/石墨稀的制備及其電致化學(xué)發(fā)光檢測五氯苯酗

2.1前言
氯醋類物質(zhì)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(jīng)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(gòu)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(zhì)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(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注和高度重視。由于PCP的濃度與環(huán)境中氯酷類物質(zhì)總濃度線性相關(guān)，因此可以將PCP作為一個典型的氯酷類物質(zhì)進行檢測，從而達到監(jiān)測實際環(huán)境中氯酷類物質(zhì)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(shù)常常存在不足，比如：需要用到大型的貴重儀器設(shè)備、樣品制備復(fù)雜、需要專業(yè)的工作人員操作，更重要的是由于這些技術(shù)不能微型化實現(xiàn)不了實時監(jiān)測，導(dǎo)致這一實際應(yīng)用中至關(guān)重要的問題還是沒有得到有效的解決。
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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(xué)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(xué)實驗在上海辰華儀器公司CHI 660D型電化學(xué)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(xué)儀器有限公司），飽和甘萊電極為參比電極（SCE，上海精密科學(xué)儀器有限公司）；5mL電解池為自制；電致化學(xué)發(fā)光實驗在型多功能電致化學(xué)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。
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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(xué)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(jié)果與討論........ 44
3.4本章小結(jié) ........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(jié)果與討論........ 56
4.4本章小結(jié) ........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(jié)果與討論........   67
5.4本章小結(jié)........ 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(dāng)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(nèi)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(xué)家們在檢測血液中葡萄糖含量這一領(lǐng)域已經(jīng)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(xué)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(guān)注，是最簡便的檢測手段之一。最近幾年，酶的直接電化學(xué)現(xiàn)象引起了人們的極大關(guān)注[225，227-230]:酶活性中心與電極表面的直接電化學(xué)可以用于研究生物系統(tǒng)中的酶催化機理，即以電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)為基礎(chǔ)，探究有關(guān)酶分子的結(jié)構(gòu)、氧化還原醇分子的熱力學(xué)和動力學(xué)轉(zhuǎn)化以及代謝過程中涉及到的氧化還原轉(zhuǎn)化等問題[225，231]。然而由于酶這種蛋白質(zhì)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(xué)行為，使得實現(xiàn)酶活性中心與電極表面的直接電化學(xué)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?qū)崿F(xiàn)酶活性中心與電極表面直接電化學(xué)就顯得尤為重要了。

結(jié)論

在詳細了解國內(nèi)外有關(guān)電化學(xué)傳感器的制備、性質(zhì)及應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，本論文針對電化學(xué)傳感器研究和環(huán)境分析檢測中的一些關(guān)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(xué)傳感器，并將其應(yīng)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(xué)技術(shù)，以及電致化學(xué)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(gòu)建的電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其檢測性能。本論文主要研究成果總結(jié)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(fù)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(jié)合，使得CQDs/GR復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；GR同時還是良好的ECL信號放大器，由于其良好的導(dǎo)電性，構(gòu)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。
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