基于碳纳米材料的一氧化氮电化学传感器的制备及生物医学应用研究--《武汉大学》2010年博士论文
基于碳纳米材料的一氧化氮电化学传感器的制备及生物医学应用研究
【摘要】：
一氧化氮(NO)既是一种神经递质又是一种重要的信使分子,它广泛存在于人体的各种组织器官中,有很强的生物活性,在神经信息传递、胃肠保护和动力调控、心肺功能、脏器血流调节、内分泌调节、机体防御免疫功能以及细胞凋亡等很多方面都起着重要的作用。电化学方法灵敏度高,响应快,可以对NO进行实时、在线检测,而且微电极及超微电极又可以实现活体检测和单细胞分析,因此电化学方法受到了科学家的高度关注。依赖于各种化学修饰电极的电化学传感器,是目前最受重视的电化学方法之一,因此,设计优异的电极界面,开发研制灵敏度高、选择性好的NO电化学传感器,以及深入探讨化学与生物分子的传感机理,其关键就在于寻找合适的分子敏感与高效换能的电极修饰材料。
碳纳米材料比表面积大、导电性好、电催化性能好、吸附能力强、表面活性高,生物相容性好,因此被广泛地用作电极的修饰材料来制备电化学传感器。本论文中,基于碳纳米材料的高表面活性,我们将其与其他功能材料进行结合,制备出了选择性好、灵敏度高、生物相容性好的新型NO电化学传感器,并对这些NO电化学传感器在生物医学方面的应用做了研究。主要内容如下：
(1)利用偶氮胭脂红(ACB)实现了对多壁碳纳米管(MWCNTs)的非共价功能化,制得了水溶性良好的MWCNTs.通过简单的电聚合方法,制得了一种新型的基于聚偶氮胭脂红(PACB)-水溶性多壁碳纳米管(MWCNTs)纳米膜修饰玻碳电极(GCE)的NO电化学传感器。该传感器对NO的电化学氧化有很好的催化作用。我们对PACB-MWCNTs复合膜进行了多种表征并对NO的检测条件进行了优化。该传感器具有重现性好、稳定性好、灵敏度高以及抗干扰能力强等特点,并能成功应用于小鼠肝细胞释放NO的检测。
(2)碳纳米纤维(CNFs)经茜素红(AR)非共价功能化后,可以稳定地分散于水中,通过简单的在线电聚合法,制得了聚合茜素红(PAR)-CNFs复合膜修饰碳纤维电极(CFME),可用作NO电化学微传感器。用红外光谱表征技术研究了AR的电聚合机理,并用扫描电镜对PAR-CNFs复合膜的形貌进行了表征。PAR-CNFs复合膜疏松多孔的结构能够增大NO微传感器的有效面积,提高了NO检测的灵敏度。NO微传感器已成功应用于巨噬细胞NO释放的检测,说明该微传感器在生物医学分析领域有很大的应用潜力。
(3)将铂纳米颗粒(PtNPs)通过恒电位法电沉积到乙炔黑(AB)修饰玻碳电极表面,制得了一种基于PtNPs-AB复合膜的NO传感器。用扫描电镜、X荧光光谱,电化学交流阻抗技术对PtNPs-AB复合膜进行了表征,并对NO在该传感器上的电化学反应机理进行了探讨。电化学实验表明,该PtNPs-AB复合膜对NO的电化学氧化有很好的催化作用。用该NO电化学传感器对NO进行检测,其线性范围为：0.18μM～120.0 gM,检出限为50 nM。将该NO电化学传感器用于豚鼠肝组织中NO的释放检测,取得了满意的效果。
(4)自制了一种碳纳米纤维糊微电极(CNFPME),并制备了一种高灵敏的基于十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)-Nafion复合膜修饰CNFPME的NO微传感器。扫描电镜和电化学技术表征表明,CTAB-Nafion复合膜具有较大的表面积和良好的导电性,所以可以大大提高NO微传感器的灵敏度。Nafion的抗阴离子干扰及防止电极表面钝化的作用又使得NO微传感器有很好的抗干扰作用。该NO微传感器还具有稳定性好、重现性好以及检出限低等特点,并成功用于了小鼠肝细胞中NO释放的检测。
(5)利用香兰素(vanillin)实现了多壁碳纳米管(MWCNTs)在水中的稳定分散,并通过电聚合的方式将聚香兰素(PVN)-MWCNTs修饰于碳纤维微电极(CFME)表面。借助于扫描电镜、红外光谱及伏安法对PVN-MWCNTs复合膜进行了表征,结果表明,PVN-MWCNTs复合膜具有大面积的致密多孔结构。PVN-MWCNT/CFME对亚硝酸盐(NO2-)的电化学氧化有很好的电催化作用。我们将PVN-MWCNT/CFME用于了湖水中N02-浓度的检测。较好的回收率表明该修饰电极可以用于实际样品中NO2-的测定。
(6)利用酵母细胞生物合成了纳米金银合金(Au-AgNPs)并将其用于高灵敏香兰素(vanillin)电化学传感器的制备。荧光电子显微镜和透射电子显微镜的表征结果表明,Au-AgNPs是由酵母细胞通过细胞外方式生物合成的,而且呈现出不规则的多角形。电化学研究表明,在基于Au-AgNPs修饰玻碳电极(GCE)的vanillin电化学传感器上,vanillin的电化学响应较在裸GCE上提高了近5倍。该vanillin电化学传感器成功用于了香荚兰豆和香草茶中vanillin含量的准确测定,说明它具有较好的实际应用价值。
【关键词】：
【学位授予单位】：武汉大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：R318.0【目录】：
中文摘要4-6
英文摘要6-15
第一章 绪论15-47
§1.1 引言15
§1.2 自由基的基本概念15-16
§1.3 一氧化氮自由基的性质16-17
§1.3.1 一氧化氮自由基的物理性质16
§1.3.2 一氧化氮自由基的化学性质16-17
§1.4 一氧化氮自由基的产生和代谢17-20
§1.4.1 一氧化氮自由基的产生17-18
§1.4.2 一氧化氮自由基的供体18-19
§1.4.3 一氧化氮自由基在体内的代谢19-20
§1.5 NO的生理功能20-21
§1.6 NO的检测方法21-28
§1.6.1 电子自旋共振光谱法(ESR或EPR法)22-23
§1.6.2 化学发光法23
§1.6.2.1 鲁米诺化学发光检测NO23
§1.6.2.2 臭氧发光检测NO23
§1.6.3 Griess反应分析法23-24
§1.6.4 荧光分光光度法24-25
§1.6.5 电化学法25-27
§1.6.5.1 电化学法测定NO的基本原理25
§1.6.5.2 NO的直接电氧化25-26
§1.6.5.3 NO的电催化氧化26-27
§1.6.5.4 NO的电催化还原27
§1.6.6 综合评述27-28
§1.7 碳纳米材料28-33
§1.7.1 碳纳米管的结构与性质28-29
§1.7.2 碳纳米纤维的结构与性质29-30
§1.7.3 纳米金刚石的结构与性质30
§1.7.4 石墨烯的结构与性质30-32
§1.7.5 乙炔黑的结构与性质32-33
§1.8 选题思路33-35
§1.9 参考文献35-47
第二章 偶氮胭脂红B非共价修饰水溶性多壁碳纳米管的制备及其在一氧化氮传感器中的应用47-66
§2.1 引言47-48
§2.2 实验部分48-51
§2.2.1 仪器与试剂48-49
§2.2.2 水溶性MWCNTs的制备49
§2.2.3 不同修饰电极的制备49-51
§2.3 结果与讨论51-60
§2.3.1 MWCNTs-ACB的表征51-54
§2.3.1.1 MWCNTS-ACB的水溶性及稳定性考察51-52
§2.3.1.2 电化学表征52-53
§2.3.1.3 紫外-可见光谱表征53
§2.3.1.4 扫描电镜表征53-54
§2.3.2 电化学传感器对NO的检测54-60
§2.3.2.1 NO的电化学响应54-55
§2.3.2.2 PACB膜厚度的影响55-56
§2.3.2.3 Nafion覆盖量的影响56
§2.3.2.4 pH值的优化56-57
§2.3.2.5 NO电化学氧化机理探讨57-58
§2.3.2.6 NO在传感器上的安培响应58-59
§2.3.2.7 NO传感器的稳定性,重现性以及抗干扰能力59-60
§2.3.2.8 豚鼠肝细胞NO释放的检测60
§2.4 结论60
§2.5 参考文献60-66
第三章 基于聚茜素红-碳纳米纤维复合膜的一氧化氮微传感器的制备及其应用研究66-85
§3.1 引言66-67
§3.2 实验部分67-70
§3.2.1 试剂与仪器67-68
§3.2.2 CNFs-AR水溶液和MWCNTs-AR水溶液的制备68
§3.2.3 碳纤维微电极的制备68-69
§3.2.4 修饰电极的制备69-70
§3.3 结果与讨论70-79
§3.3.1 AR非共价功能化CNFs的相关表征70-73
§3.3.1.1 AR对CNFs的非共价功能化70
§3.3.1.2 AR与CNFs的在线电聚合70-71
§3.3.1.3 红外光谱表征71-72
§3.3.1.4 扫描电镜表征72-73
§3.3.2 微传感器对NO的检测73-79
§3.3.2.1 NO的电化学响应73-74
§3.3.2.2 PAR-CNFs复合膜厚度的优化74-75
§3.3.2.3 Nafion覆盖量的优化75
§3.3.2.4 NO在微传感器上的安培响应75-77
§3.3.2.5 NO微传感器的抗干扰能力,稳定性以及重现性77-78
§3.3.2.6 巨噬细胞NO释放的检测78-79
§3.4 结论79
§3.5 参考文献79-85
第四章 一种基于铂-乙炔黑纳米复合物的新型一氧化氮传感器的制备及其在生物医学中的应用研究85-102
§4.1 前言85-86
§4.2 实验部分86-88
§4.2.1 试剂与仪器86-87
§4.2.2 乙炔黑分散液的制备87
§4.2.3 修饰电极的制备87
§4.2.4 豚鼠肝组织的获取87-88
§4.3 结果与讨论88-96
§4.3.1 PtNPs/AB-DHP复合膜的相关表征88-91
§4.3.1.1 碳材料的选择88-89
§4.3.1.2 X射线荧光光谱及扫描电镜表征89-90
§4.3.1.3 电化学交流阻抗表征90-91
§4.3.2 NO的电化学检测91-96
§4.3.2.1 NO的电化学响应91-92
§4.3.2.2 NO的电化学氧化机理研究92-93
§4.3.2.3 NO在传感器上的安培响应93-94
§4.3.2.4 NO传感器的抗干扰能力,稳定性及重现性94-95
§4.3.2.5 豚鼠肝组织NO释放的检测95-96
§4.4 结论96-97
§4.5 参考文献97-102
第五章 基于CTAB-Nafion复合膜修饰碳纤维糊微电极的NO电化学微传感器的制备及其生物医学应用102-122
§5.1 引言102-103
§5.2 实验部分103-106
§5.2.1 试剂与仪器103-104
§5.2.2 碳糊微电极的制备104-105
§5.2.3 修饰碳糊微电极的制备105
§5.2.4 NO的检测105
§5.2.5 小鼠肝细胞溶液中NO释放的检测105-106
§5.3 结果与讨论106-116
§5.3.1 CTAB-Nafion复合膜的相关表征106-110
§5.3.1.1 碳材料的选择106-107
§5.3.1.2 表面活性剂的选择107-108
§5.3.1.3 CTAB-Nafion在CNFPME上的形成108
§5.3.1.4 扫描电镜表征108-109
§5.3.1.5 电化学表征109-110
§5.3.2 NO的电化学检测110-116
§5.3.2.1 NO的电化学响应110-111
§5.3.2.2 NO检测条件的优化111-112
§5.3.2.3 NO在传感器上的电化学氧化机理探讨112-113
§5.3.2.4 NO在传感器上的安培响应113-114
§5.3.2.5 NO微传感器性能的考察114-115
§5.3.2.6 小鼠肝细胞中NO释放的检测115-116
§5.4 结论116
§5.5 参考文献116-122
第六章 基于聚香兰素-碳纳米管复合物电催化氧化亚硝酸盐的电化学传感器研究122-139
§6.1 前言122-123
§6.2 实验部分123-125
§6.2.1 试剂和仪器123
§6.2.2 MWCNTs分散液的制备123-124
§6.2.3 不同电极的制备124-125
§6.3 结果与讨论125-134
§6.3.1 PVN-MWCNT复合膜的相关表征125-129
§6.3.1.1 PVN-MWCNT复合膜在CFME上的形成125
§6.3.1.2 红外光谱表征125-126
§6.3.1.3 扫描电镜表征126-127
§6.3.1.4 电化学表征127-129
§6.3.2 亚硝酸盐的电化学检测129-134
§6.3.2.1 亚硝酸盐的电化学响应129-130
§6.3.2.2 pH值的影响130
§6.3.2.3 NO_2~-在PVN-MWCNT复合膜上的电化学氧化机理130-132
§6.3.2.4 NO_2~-在PVN-MWCNT复合膜上的安培响应132
§6.3.2.5 PVN-MWCNT/CFME的抗干扰能力,稳定性和重现性132-133
§6.3.2.6 实际样品分析133-134
§6.4 结论134
§6.5 参考文献134-139
第七章 生物合成纳米金-银合金的制备及其在香兰素传感器中的应用139-156
§7.1 前言139-140
§7.2 实验部分140-142
§7.2.1 试剂与仪器140-141
§7.2.2 纳米Au-Ag合金溶胶的制备141
§7.2.3 香兰素电化学传感器的制备141-142
§7.2.4 样品制备142
§7.3 结果与讨论142-150
§7.3.1 Au-Ag合金纳米颗粒的相关表征142-146
§7.3.1.1 Au-Ag合金纳米颗粒的形成142-143
§7.3.1.2 荧光显微镜和透射电镜表征143-144
§7.3.1.3 X-射线荧光光谱及X-射线光电子能谱表征144-145
§7.3.1.4 电化学表征145-146
§7.3.2 香兰素的电化学检测146-150
§7.3.2.1 香兰素在不同电极上的电化学响应146-147
§7.3.2.2 香兰素在传感器上的电化学氧化机理147-148
§7.3.2.3 香兰素在传感器上的安培响应148
§7.3.2.4 香兰素传感器性能的考察148-149
§7.3.2.5 香兰素传感器用于实际样品分析149-150
§7.4 结论150
§7.5 参考文献150-156
附录:攻读博士学位期间发表和待发表的论文156-158
致谢158-159
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一氧化氮是汽车尾气中的一种大气污染物，它是无色气体，难溶于水、密度比空气略大，在空气中能与氧气迅速反应生成红棕色的二氧化氮．在实验室制取一氧化氮时，收集一氧化氮应采用的收集方法是（　　）A．向上排空气集所法B．排水集气法C．向下排空气集气法D．排水集气法或向上排空气集气法
题型：单选题难度：偏易来源：昆山市二模
一氧化氮，虽然密度比空气略大，但由于极易与氧气反应且是大气污染物，不宜用排空气法进行收集；一氧化氮难溶于水，可用排水法进行收集；我们据此选择出排水法收集的选项即可．故选B
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据魔方格专家权威分析，试题“一氧化氮是汽车尾气中的一种大气污染物，它是无色气体，难溶于水..”主要考查你对&&实验室制取和收集气体的思路&&等考点的理解。关于这些考点的“档案”如下：
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实验室制取和收集气体的思路
实验室制取气体的思路： &&&&& 1．知识要点详解在初中化学中，主要应掌握O2、H2、CO2的实验室制法。可以从制备所需仪器、药品、反应原理、收集方法、实验装置、验满、验纯及操作要点等方面进行比较。通过比较，能够总结和归纳实验室制取气体的思路。即：研究反应原理一根据所选药品的状态和反应条件，选择适当的仪器组成相应的实验装置一根据实验装置的特点，设计合理的实验操作步骤，预测可能的注意事项一根据所制取气体的性质，选择相应的收集、检验、验满及验纯的方法。&&&&& 实验室制取气体及验证其性质的实验，属于基本操作的简单综合实验。通过对比发生装置和收集装置，总结气体的个性及几种气体的共性，提高记忆效果。&&&&&&&2．设计装置的依据制取气体的装置分两部分：气体发生装置和气体收集装置。&&&&& 发生装置的选取根据反应条件和反应物的状态而设计，收集装置是根据气体的性质(主要是物理性质)而确定的。&&&&& 确定收集装置的原则——气体的收集方法是由该气体的性质，如密度、在水中的溶解性、是否与空气或水反应、是否有毒等决定的。 气体发生装置：①“固+固”的反应，简称“固体加热型”，装置如图A所示，如用KMnO4或KClO3和MnO2制O2。 ②“固+液”的反应，简称“固液常温型”，装置如图B、C、D、E。如用H2O2和MnO2制O2、用锌粒与稀H2SO4制H2或用CaCO3与稀盐酸制CO2。同B装置相比，D装置具有便于添加液体药品，制取的气体量较多的优点；C装置不仅添加液体药品方便，而且可通过导管上的开关控制反应的发生和停止；E装置可通过分液漏斗的活塞控制加入药品的量和速度。 ③“固+液”的反应的发生装置的其他改进：为了节约药品，方便操作，可设计如下图所示装置，这些装置都可自动控制。当打开弹簧夹时，溶液进入反应器内开始反应；当关闭弹簧夹时，气路不通，反应产生的气体将溶液压出反应器外，液体与同体分离，反应停止。气体收集装置：
药品的选取和实验方案的设计： (1)可行性：所选取的药品能制得要制取的气体； (2)药品廉价易得； (3)适宜的条件：要求反应条件易达到，便于控制；(4)反应速率适中：反应速率不能太快或太慢，以便于收集或进行实验；(5)气体尽量纯净；(6)注意安全性：操作简便易行，注意防止污染。例如：①实验室制取H2时选用锌粒，而不用镁条、铁片，原因是镁价格贵且反应速率太快而铁反应速率又太慢；酸选用稀硫酸，而不宜用稀盐酸、浓硫酸，因为用稀盐酸制得的H2，因混有HCl而不纯，而锌与浓硫酸反应不生成H2.②制CO2时可选用用石灰石(或大理石)与稀盐酸，而不选用Na2CO3浓盐酸、稀硫酸，原因是Na2CO3，反应速率太快，浓盐酸易挥发出HCl气体，稀硫酸反应不能进行到底，也不能煅烧石灰石，因为条件不易达到，不呵操作；④用KClO3、过氧化氢制O2时，要加少量的MnO2，作催化剂，以加快反应的速率 实验室制取气体的实验操作程序：实验室制取气体存选择好药品、仪器后操作的一般程序：(1)组装仪器：一般按从左到右，从下到上的顺序进行； (2)检查装置气密；(3)装药品：若是固体跟液体反应，一般是是先装入固体再加入液体；(4)准备收集装置：若用排水法收集气体时，应在制取气体之前将集气瓶盛满水；(5)制取气体； (6)收集气体并验满；(7)拆洗仪器。 注意：①给同体加热时．试管口要略向下倾斜； ②用加热KMnO4或KClO3(MnO2作催化剂)的方法制取O2，若用排水法收集，实验完毕时应先把导管移出水槽再移走酒精灯； ③固体跟液体反应制取气体时，要注意长颈漏斗末端要插入液面以下进行液封，以防漏气。 装置的选取与连接：实验室制取气体的实验往往与气体的净化、气体的干燥综合在一起。气体综合实验的装置选择及连接顺序为：气体净化的几种方法： (1)吸收法：用吸收剂将杂质气体吸收除去。如除去CO中混有的少量CO2，可先用浓NaOH溶液吸收CO2，再用浓硫酸等干燥剂除去水蒸气。常用吸收剂如下表：
(2)转化法：通过化学反血，将杂质气体转化为所要得到的气体：如除去CO2中的CO，可将混合气体通过足量的灼热CuO+COCu+CO2气体的干燥：气体的干燥是通过干燥剂来实现的，选择干燥剂要根据气体的性质。一般原则是：酸性干燥剂不能用来干燥碱性气体，碱性干燥剂不能用来干燥酸性气体，干燥装置由干燥剂的状念决定．(1)常见的干燥剂
(2)干燥装置的选择&①除杂试剂为液体时，常选用洗气瓶，气体一般是 “长进短出”，如下图A。 ②除杂试剂为同体时，常选用干燥管(球形或u 形)，气体一般是“大进小出”，如下图B、C。 ③需要通过加热与固体试剂发生化学反应除去的气体，常采用硬质玻璃管和酒精灯，如下图D。装置连接顺序的确定规律： (1)除杂和干燥的先后顺序 ①若用洗气装置除杂，一般除杂在前，干燥在后。原因：从溶液中出来的气体通常混有水蒸气，干燥在后可将水蒸气完全除去。如除去CO中混有的CO2和水蒸气，应将气体先通过。NaOH溶液，再通过浓H2SO4。 ②若用加热装置除杂，一般是干燥在前，除杂在后。如除去CO2中混有的CO和水蒸气，应将气体先通过浓H2SO4，再通过灼热的CuO。 (2)除去多种杂质气体的顺序一般是先除去酸性较强的气体。如N2中混有 HCl、H2O(气)、O2时，应先除去HCl，再除去水，最后除去O2(用灼热的铜网)。 (3)检验多种气体的先后顺序(一般先验水蒸气)：有多种气体需要检验时，应尽量避免前步检验对后步检验的干扰。如被检验的气体中含有CO2和水蒸气时，应先通过无水CuSO4。检验水蒸气，再通过澄清的石灰水检验CO2.确定气体收集方法的技巧： （1）排水集气法适用于“不溶于水且小与水反应的气体”，如下图A。 （2）向上排空气法适用于“密度比空气大且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量大于29的气体)，如下图B。 （3）向下排空气法适用于“密度比空气小且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量小于29的气体)，如下图C。&（4）不能用排空气法收集的气体 ①气体的密度与空气的密度相近时不能用排空气法收集 ②当气体与空气中某一成分反应时不能用排空气法收集（5）有毒气体收集方法的确定 ①有毒，但气体难溶于水时，一般采用排水法收集。如下图D②有毒，但气体叉易溶于水时，则采用带双孔胶塞(一长一短的导气管)的集气瓶利用排空气法收集该气体，但必须接尾气处理装置，以免多余的有毒气体逸散到空气中污染空气，如收集氨气可用图E。气体制取实验中关于仪器或装置选择题目的解题技巧： (1)需要研究气体实验室制法的化学反应原理； (2)需要研究制取这种气体所应采用的实验装置； (3)需要研究如何证明制得的气体就是要制取的气体。根据给出的仪器或装置进行选取时，应明确制取气体的发生装置主要是两套(同体加热型和固液常温型)，依据反应物的状态和反应条件来确定选用哪套发生装置；气体的收集装置主要就是三套(向上排空气法、向下排空气法和排水法)，依据气体的性质来确定选用什么样的收集装置。选择仪器时要注意先对实验原理进行判断，然后再根据原理确定装置所需要的仪器。实验室制取气体的思路图:&
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