基于二氧化鈦納米管陣列酶電極的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、電化學(xué)酶生物傳感器是一種將電化學(xué)分析方法與酶生物技術(shù)相結(jié)合的生物傳感器，已在臨床檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及食品、制藥等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，在酶生物傳感器的制備和應(yīng)用過(guò)程中，所面臨的最大問(wèn)題就是酶電極的生物電催化活性較低，且穩(wěn)定性較差，容易失活。然而，此類(lèi)問(wèn)題與酶電極制備過(guò)程中所采用的酶固定化方法、以及酶固定化所選用載體材料密切相關(guān)。此外，酶電極的生物電催化活性不僅與載體材料的親水性密切相關(guān)，而且與載體材料的導(dǎo)電性也密切相關(guān)?；诖?，

2、本論文從新型二氧化鈦(TiO2)納米載體材料用于酶電極的構(gòu)建以及酶的高效固定化方法等方面進(jìn)行了探索性的研究。
　　本論文研究工作主要是基于TiO2NTAs酶電極的制備及其應(yīng)用研究。設(shè)計(jì)合成了4種不同TiO2NTAs基載體材料:二氧化鈦納米管陣列(TiO2NTAs)，二氧化鈦納米管陣列/銀納米顆粒(TiO2NTAs/AgNPs)，二氧化鈦納米管陣列/還原氧化石墨烯/銀納米顆粒(TiO2NTAs/r-GO/AgNPs)，氮摻雜二氧化鈦

3、納米管陣列(N-TiO2NTAs)?；谝陨纤苽涞腡iO2NTAs基載體材料構(gòu)建了一系列具有較高生物電催化活性的TiO2NTAs基酶電極，并研究了所制備酶電極在生物電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。本論文研究的具體工作包括以下幾個(gè)方面:
　　1、TiO2NTAs/GOx酶電極的制備及其生物電催化性能研究。TiO2 NTAs具有良好的生物相容性和良好的親水性，并且具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力;此外，高度有序的TiO2納米陣列可以為電子傳輸

4、提供單向通道，有利于電子傳導(dǎo)。因而，TiO2NTAs是一種理想的酶電極載體材料。探索研究了以TiO2NTAs為載體材料，在其表面進(jìn)行葡萄糖氧化酶(GOx)的固定化，以制備TiO2NTAs/GOx酶電極。提出了一種可直接將GOx固定化于TiO2NTAs表面以制備酶電極的新的酶固定化方法，即改進(jìn)交聯(lián)法。與傳統(tǒng)的交聯(lián)法相比，該種改進(jìn)交聯(lián)法可以直接將酶固定化于載體材料的表面，避免酶的活性中心在固定化過(guò)程中被包埋，因此可以有效提升酶電極的生物電催

5、化活性。研究表明，基于TiO2NTAs/GOx酶電極的生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度響應(yīng)的線性范圍為0.05-0.65mM，其檢測(cè)靈敏度為199.61μA mM-1 cm-2。因此，TiO2NTAs/GOx酶電極具有良好的生物電催化活性，可以作為葡萄糖生物傳感器用于葡萄糖的檢測(cè)。
　　2、TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的制備及其生物電催化性能研究。銀不僅是導(dǎo)電性最好的貴金屬材料，而且具有良好的生物相容性，基于AgNPs修飾酶生

6、物傳感器具有較強(qiáng)的檢測(cè)靈敏度。探索研究了以TiO2NTAs/AgNPs為載體材料的酶電極，通過(guò)提高載體材料電子傳遞能力來(lái)提升酶電極生物電催化活性。本研究采用了化學(xué)沉積法將AgNPs沉積于TiO2NTAs表面，得到了TiO2NTAs/AgNPs，單個(gè)銀顆粒的尺寸大小在30到100nm范圍之間。然后，采用改進(jìn)交聯(lián)法將GOx固定化于TiO2NTAs/AgNPs載體材料表面制備得到了TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極，并研究的該酶電極在

7、生物電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。研究表明，基于TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度響應(yīng)的線性范圍為0.05-0.65mM，其檢測(cè)靈敏度為207.43μA mM-1。與TiO2NTAs/GOx酶電極的檢測(cè)靈敏度(199.61μA mM-1 cm2)相比較為接近或者有輕微的提升，但重要的是TiO2NTAs/AgNPs電極電子傳遞能力的提升，使得其在酶生物燃料電池領(lǐng)域中的應(yīng)用成為了可能?；赥iO2NTAs/AgNPs/

8、GOx酶電極的生物燃料電池的開(kāi)路電壓為0.202V，短路電流為0.197mA cm-2，最大輸出功率密度為8.66μW cm-2。因此，TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的生物電催化活性高于TiO2NTAs/GOx酶電極，能夠一定程度上提高葡萄糖生物傳感器的檢測(cè)靈敏度性能，并且可以應(yīng)用于構(gòu)建酶生物燃料電池。
　　3、TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的制備及其生物電催化性能研究。石墨烯與納米顆粒之間能夠形

9、成的較強(qiáng)的范德華力，可以有效防止其表面所沉積的納米顆粒的團(tuán)聚，在石墨烯的表面進(jìn)行納米顆粒的沉積可以得到較小尺寸的納米顆粒。此外，r-GO表面富含親水性基團(tuán)，這些親水性基團(tuán)有助于酶電極構(gòu)建過(guò)程中提升酶的固定化效率。為了解決TiO2NTAs/AgNPs載體材料中AgNPs的團(tuán)聚現(xiàn)象、粒徑大小不一和分布不太均勻等問(wèn)題，探索研究了以TiO2NTAs/r-GO/AgNPs為載體材料的酶電極，通過(guò)提高表面修飾AgNPs分散性能來(lái)提升酶電極生物電催化

10、活性。采用化學(xué)沉積法將AgNPs沉積于r-GO修飾的TiO2NTAs表面，得到了TiO2NTAs/r-GO/AgNPs。然后，采用改進(jìn)交聯(lián)法將GOx固定化于TiO2NTAs/r-GO/AgNPs載體材料表面制備得到了TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極，并研究了該酶電極在生物電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。研究表明，與TiO2NTAs/AgNPs相比，TiO2NTAs/r-GO/AgNPs表面AgNPs的覆蓋密度更大，AgNPs顆粒

11、尺寸又小又均勻，單個(gè)銀顆粒的尺寸大小在20到30 nm范圍之間?；赥iO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度響應(yīng)的線性范圍為0.05-0.3mM，其檢測(cè)靈敏度為257.79μA mM-1，比較TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶電極的檢測(cè)靈敏度(207.43μA mM-1 cm-2)有明顯的提升;基于TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的生物燃料電池的開(kāi)路電壓為0.225 V，短路

12、電流為0.232mA cm-2，最大輸出功率密度為13.45μW cm-2，比較基于TiO2NTAs/AgNPs/GOx酶電極的生物燃料電池(8.66μW cm-2)有一定程度的提升。因此，TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極的生物電催化活性優(yōu)于TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶電極，可以進(jìn)一步提高葡萄糖生物傳感器的檢測(cè)靈敏度和酶生物燃料電池的最大輸出功率密度。
　　4、N-TiO2NTAs/GOx酶電極的制

13、備及其生物電催化性能研究。氮元素?fù)诫s改性TiO2不僅具有較好的親水性，而且與TiO2相比具有較高的導(dǎo)電性。為了既能提升TiO2NTAs載體材料的電子傳遞能力，又能保持其親水性，采用氮元素?fù)诫s改性TiO2NTAs制備得到了N-TiO2NTAs。TiO2和N-TiO2材料的接觸角分別為39°和44°，因此，它們具有相近而優(yōu)良的親水性;N-TiO2NTAs電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)為500.2ohm，明顯低于TiO2NTAs的Rct(6431oh

14、m)，因此，N-TiO2NTAs與TiO2NTAs相比具有更好的電子傳遞能力。采用改進(jìn)交聯(lián)法將GOx固定化于N-TiO2NTAs載體材料表面制備了N-TiO2NTAs/GOx酶電極，并研究了該酶電極在生物電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。研究表明，基于N-TiO2NTAs/GOx酶電極的生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度響應(yīng)的線性范圍為0.05-0.85mM，其檢測(cè)靈敏度為733.17μA mM-1 cm-2，比較TiO2NTAs/GOx酶電極的檢測(cè)靈敏度(19

15、9.61μAmM-1 cm-2)有非常顯著的提升。此外，基于N-TiO2NTAs/GOx酶電極的生物燃料電池的最大輸出功率密度為23.92μW cm-2，比較基于TiO2NTAs/GOx酶電極(5.38μW cm-2)和TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶電極(13.45μW cm-2)的生物燃料電池都有明顯的提升。因此，N-TiO2NTAs/GOx酶電極的生物電催化活性明顯優(yōu)于TiO2NTAs/GOx和TiO2NTAs/