碳纳米管生物界面的构筑及其电化学性质的研究

论文摘要

碳纳米管（CNT）自1991年被Iijima发现以来，其奇特的结构、电学和机械性能已经引起了世界的广泛关注。碳纳米管的发现开辟了材料科学和纳米技术的一个新时代。目前，碳纳米管已经广泛地应用于物理、化学、能源、材料等众多研究领域。碳纳米管独特的结构和电子特性也决定了它们具有优良的电化学性质，在电化学和电分析化学，如电催化和电化学传感器等研究中具有十分诱人的应用前景。碳纳米管的结构和电子特征也表明了其在蛋白质直接电化学和生物电化学传感器研究中具有潜在的应用价值。本论文围绕碳纳米管生物电化学传感器研究中的关键科学问题，开展了碳纳米管生物电化学界面的构筑及其性能的研究工作。具体研究内容包括以下几方面： 1) 分别采用了羧基、羟基以及嵌段共聚物通过共价和非共价两种方法，实现了碳纳米管的功能化，并研究了碳纳米管功能化方法与其促进蛋白质直接电子传递性能间的相关性。实验发现，羧基和羟基功能化的碳纳米管虽然表现出较好的亲水性和生物大分子，如辣根过氧化物酶的兼容性，但是，这种共价功能化的方法会不可避免地破坏了碳纳米管固有的电子结构，而且也不能明显地加快蛋白质的直接电子传递。相对而言，利用聚（乙氧基）-聚（丙氧基）-聚（乙氧基）嵌段共聚物（PEO-PPO-PEO，P123和F127）非共价功能化的碳纳米管则能较好地分散在水溶液中，并且能够很好地促进血红素蛋白质（如辣根过氧化酶、血红蛋白和肌红蛋白）的直接电子转移。 2) 在以上研究基础上，我们选择了磷脂酰胆碱，利用非共价的方法对碳纳米管进行了功能化。由于磷脂酰胆碱是一种生物膜，它能够为生物分子，如蛋白质，提供良好的微环境，因而在实现这些大分子在电极表面固定的同时，能够相对保持分子的构象和生物活性。研究发现，固定在磷脂酰胆碱功能化碳纳米管上的血红蛋白能够较好地实现其直接电子转移，并且对氧气和过氧化氢的电化学还原表现出良好的生物电化学催化活性，可望应用于构筑这些物质的生物电化学传感器。 3) 研究了多铜氧化酶，即漆酶和胆红素氧化酶，在纤维素衍生物功能化碳纳米管上的直接电子转移行为。电化学研究表明，固定在纤维素衍生物功

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管的结构及其在电化学中的应用
• 1.2.1 碳纳米管的结构性质
• 1.2.2 碳纳米管在电化学中的应用
• 1.3 碳纳米管功能化的研究进展
• 1.3.1 碳纳米管的共价功能化
• 1.3.2 碳纳米管的非共价功能化
• 1.4 蛋白质直接电化学的研究进展
• 1.4.1 生物膜和生物模拟膜电极构筑及酶直接电化学研究
• 1.4.2 基于纳米材料的生物电化学界面构筑及其相关性能研究
• 1.5 蛋白质生物电化学界面构筑的常用方法
• 1.6 本论文的主要研究工作与意义
• 第2章 功能化碳纳米管应用于血红素蛋白质直接电化学的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 电极的制备
• 2.2.3 仪器和电化学测量
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 共价功能化CNTs上HRP直接电化学研究
• 2.3.2 P123功能化CNTs的电镜表征
• 2.3.3 血红素蛋白质在Pluronic共聚物电极上的电化学研究
• 2.3.4 HRP在P123-CNTs复合膜上的电化学研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 Hb/PC功能化碳纳米管的电化学和电催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 修饰电极的制备
• 3.2.3 红外样品的制备
• 3.2.4 仪器和电化学测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PC-碳纳米管复合膜的表征
• 3.3.2 PC-碳纳米管复合膜的电化学研究
• 3.3.3 Hb/PC-MWNT/GC的直接电化学
• 3.3.4 溶液pH的影响
• 2和H₂O₂的电催化还原'>3.3.5 Hb/PC-MWNT电极对O₂和H₂O₂的电催化还原
• 3.4 本章小结
• 第4章 多铜氧化酶在功能化碳纳米管上的直接电化学及其应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂
• 4.2.2 漆酶的纯化
• 4.2.3 电极的制备
• 4.2.4 仪器和电化学测量
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纤维素衍生物-CNTs复合物的表征
• 4.3.2 漆酶在碳纳米管电极上的电化学
• 4.3.3 BOD在碳纳米管电极上的电化学
• 4.3.4 生物燃料电池的应用
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历