铜基化学修饰电极的研制及其对葡萄糖的检测

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1、国内图书分类号：O646.5密级：公开国际图书分类号：西南交通大学研究生学位论文铜基化学修饰电极的研制及其对葡萄糖的检测年级:二○一五姓名:邓敏申请学位级别:工学硕士专业:化学工程与技术指导老师:江奇教授二零一八年五月ClassifiedIndex:O646.5U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisPREPARATIONOFCOPPER-BASEDCHEMICALLYMODIFIEDELECTRODEANDAPPLICATIONFORGLUCOSESENSINGGrade:2015Can

2、didate:DengMinAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEnginerringSpeciality:ChemicalEngineeringandTechnologySupervisor:Prof.JiangQiMay,2018本论文受以下项目的资助：国家自然科学基金资助项目(50907056，51602266)四川省重点研发计划资助项目(2017GZ0109)四川省科技支撑项目(2016GZ0273，2016GZ0275)四川省成都市科技惠民工程(2014-HM01-00073-SF)四川省学术与技术带头人培养基

3、金特此表示感谢！西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要糖尿病是由胰岛素缺陷或受损引起的代谢性疾病，全球患者已超过2.2亿，预计2030年将增加至3.66亿，成为了世界公共健康问题之一。目前，糖尿病的治疗方案是定期监测糖尿病患者的血糖，及时了解体内葡萄糖代谢情况，实时调整治疗方案，以达到最佳的葡萄糖含量。因此，开发一种快速、灵敏和可靠的葡萄糖传感器，对降低糖尿病及其并发症具有十分重要的意义。值得关注的是，氧化铜（CuO）因具有优良的电化学活性、可调节的形貌结构和合适的表面电荷等性质，成为了高效催化葡萄糖氧化的良好候选者。然而，CuO是一种半导体材料，

4、对葡萄糖氧化的催化性能易受自身导电性能和形貌结构的限制。因此，本论文以CuO为研究对象，采用比表面积大和导电性能优异的还原氧化石墨烯（rGO）和碳纳米管（CNTs）进行改性，制备了具有不同尺寸和形貌的复合材料，作为无酶型葡萄糖传感器的修饰材料；并以CuSO4、Cu(NO3)2或Cu(CH3COO)2作为铜盐前驱体，制备了三种不同形貌结构的CuO，探索了铜盐前驱体对CuO形貌结构的影响，以及形貌结构对检测性能的影响。具体内容如下：采用水热合成法与原位分解法相结合，制备了具有向外生长模式的独特的米粒状CuO。在整个制备过程中不使用任何软模板和强碱，绿色环

5、保。将得到的CuO与Nafion溶液匹配，制作成化学修饰电极（CME），开展对葡萄糖的无酶检测。研究结果表明：所制备的CuO形貌在微观下酷似米粒，长度约0.5~1.0μm，直径约250~320nm。当CuO修饰量为0.35mg时，由其组成的CME对葡萄糖具有明显的电流响应能力：在0.036~2.36mmol/L浓度范围内存在良好的线性关系，灵敏度为950.36μA·L/(mmol·cm2)，检出限为0.065μmol/L（S/N=3）；并且表现出了良好的选择性、稳定性和可靠性。对米粒状CuO的导电性能加以改进，通过对石墨进行二次剥离得到片层状氧化石墨

6、烯（GO），并以此作为模板剂引入米粒状CuO的制备过程，得到导电性能优异的CuO/rGO纳米复合材料。所制备的纳米复合材料，仍然保持原来CuO的向外定向生长的米粒状结构，且颗粒尺寸缩小到了纳米级。当CuO与rGO的质量比约为3.5:1时，由其组成的CME对葡萄糖具有良好的电流响应能力：在0.010~2.53mmol/L浓度范围内存在良好的线性关系，灵敏度为1746.16μA·L/(mmol·cm2)，检出限为0.047西南交通大学硕士研究生学位论文第II页μmol/L（S/N=3）；并且表现出了良好的重现性、选择性和可靠性。对米粒状CuO的导电性能和

7、催化活性加以改进，通过引入经酸化处理的CNTs，制备得到具有协同效应的CuO/CNTs复合材料。因CNTs的模板作用，所制备的复合材料呈球状，球体内部由球心向外呈片层状排列，仍然保持原始空白CuO的向外定向生长的模式。CNTs连接在CuO球体和纳米片之间，使得CNTs的高导电通道与CuO的低导电通道连接，形成电子通道网络，提高了材料的导电性能。并且CNTs的掺入，增多了对葡萄糖氧化的催化位点，与CuO产生了协同效应。当CNTs的质量为CuO的理论质量的30%时，由其组成的CME对葡萄糖具有较高的电流响应能力：在0.20~4.56mmol/L浓度范围内

8、存在良好的线性关系，灵敏度为1377.01μA·L/(mmol·cm2)；检出限为0.059μmol/L（S