新型葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究與分析應(yīng)用開題報告

畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告論文題目 一種基于無酶的電化學(xué)葡萄糖傳感器的研究選題意義：傳感器和傳感器技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中的重要部分，它在我們的生活生產(chǎn)中無處不在，起著重要的作用。目前在各種期刊上已經(jīng)發(fā)表了大量關(guān)于傳感器的各種領(lǐng)域的論文。包括分子識別、納米技術(shù)、聚合物化學(xué)、微流技術(shù)、分子生物學(xué)都能作為潛在的傳感器應(yīng)用技術(shù)。無論在現(xiàn)在還是在將來，傳感器都擁有巨大的價值。傳感器可以測量環(huán)境組成、健康狀況、機器性能、食品質(zhì)量等等。舉例來說，汽車發(fā)動機內(nèi)如果安裝上氧氣傳感器，通過檢測氧氣含量，可以幫助優(yōu)化發(fā)動機內(nèi)的空氣-燃料比，從而實現(xiàn)優(yōu)化引擎性能，提高能效比。葡萄糖傳感器如果能實現(xiàn)連續(xù)在線檢測，糖尿病人就可以實時監(jiān)測自身的血糖變化，從而調(diào)節(jié)飲食，控制血糖濃度，或者按照需要注射胰島素。如果將傳感器連上封閉控制的胰島素注射器，還能實現(xiàn)胰島素的自行注射，使糖尿病人過上普通人的生活。因此，對葡萄糖傳感器的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。與有酵葡萄糖傳感器比較,無酶葡萄糖傳感器具有以下優(yōu)點:首先,無酶葡萄糖傳感器不受糖易變性失活的影響,不需要在特殊條件下保存,比有酶葡萄糖傳感器使用壽命要長;其次,制備無酶葡萄糖傳感器比較簡單,沒有把酶修飾到電極上的技術(shù)難題;再次, 無酶型的傳感器制備成本要比有酶葡萄糖傳感器便宜,因為酶的制備和純化都較為困難,這就導(dǎo)致酶的使用價格比較高;最后無酶葡萄糖傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性方面都比有酶生物傳感器優(yōu)良,因為它不受修飾到電極上的酶的數(shù)量的影響。雖然近年來電化學(xué)方法檢測葡萄糖體現(xiàn)出大量的優(yōu)點,然而這些新型材料在檢測葡萄糖時也表現(xiàn)出一定的缺點,如無酶葡萄糖傳感器氧化選擇性并沒有酶電極傳感器的選擇性好,當(dāng)樣品中存在大量的抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)時,使用鎳電極檢測也有相應(yīng)的響應(yīng)電流。而且部分無酶葡萄糖傳感器成本也比較高,容易發(fā)生氯離子中毒等等,這些缺點都大大限制了它們的應(yīng)用。因此,制備一種成本較低、高選擇性、可快速可靠檢測葡萄糖的無酶葡萄糖傳感器仍是科研工作者關(guān)注的焦點。研究背景：檢測葡萄糖含量的方法有很多種。實驗室常用的方法是碘量法，實際應(yīng)用中常用的方法有高效液相色譜法(HPLC法)、分光光度法、旋光度法、氣相色譜法、生物傳感器法,此外還有比色法、薄層色譜法等。葡萄糖的檢測方法很多,各有利弊。髙效液相色譜法中的離子色譜法在近年來發(fā)展非?？?銀類雜多酸常常用作分光光度法分析中的重要顯色劑,用來測定桂、 等物質(zhì);旋光度法常常用作檢測葡萄糖的一種輔助方法,這是由于葡萄糖的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;用氣相色譜法檢測分析葡萄糖時,操作過程較為復(fù)雜,需要對葡萄糖進行桂酸化預(yù)處理;使用生物傳感器法檢測葡萄糖時,表現(xiàn)出線性檢測范圍寬、靈敏度高、成本比較低等優(yōu)點,所以生物傳感器法檢測葡萄糖應(yīng)用前景較好。葡萄糖傳感器的研究一直為化學(xué)與生物傳感器研究的熱點,基于其使用變換器的物理化學(xué)原理,葡萄糖傳感器可分為電化學(xué)傳感器、壓電傳感器、熱電傳感器、聲學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器等等,其中電化學(xué)傳感器是最早研制的生物傳感器。按有無使用酶用于構(gòu)建葡萄糖傳感器,可將葡萄糖電化學(xué)傳感器分為基于酶的葡萄糖電化學(xué)傳感器和無酶電化學(xué)傳感器。對于酶電極的電化學(xué)葡萄糖傳感器的研究已經(jīng)進行了幾十年,同時也取得了令人滿意的成果。但是隨著研究的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn),用酶來修飾電極暴露出了越來越多的缺點,比如電極穩(wěn)定性不好,因為GOD在電極構(gòu)造、儲存和使用的過程中容易發(fā)生變性;酶的成本較高;GOD固定到電極上的過程復(fù)雜,仍然沒有一種完美的方法,使得其既能滿足酶的穩(wěn)定性和高效性,又能使其不易脫落、失活;實驗操作條件需要嚴格控制;實驗數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差;抗干擾能力差等等。這些因素影響了酶電極葡萄糖生物傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性,也限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此,越來越多的科研工作開始關(guān)注無酶電極來解決這些問題。隨著酶修飾電極葡萄糖傳感器的缺點不斷出現(xiàn)人們開始更多的關(guān)注無酶葡萄糖傳感器。碳納米管、稀有金屬納米材料、金屬合金、以及金屬納米氧化物,等材料逐漸用于構(gòu)建無酶葡萄糖傳感器。用無酶葡萄糖傳感器檢測葡萄糖時,其表現(xiàn)出良好的電催化活性,總體來看,優(yōu)點有線性范圍廣,檢測限低,靈敏度高,選擇性好,同時表現(xiàn)出很好的可重現(xiàn)性以及長期穩(wěn)定性。納米材料的一個應(yīng)用是制備納米級電極。對于納米結(jié)構(gòu)材料修飾的電極來說,納米顆粒尺寸較小,表面的鍵態(tài)及電子態(tài)與內(nèi)部的狀態(tài)不同,從而使納米顆粒表面活性的位置大大增加,而且納米顆粒比表面積大、表面自由能高、具有良好的生物相容性,因此使納米材料修飾電極具有較好的反應(yīng)活性和選擇性,進一步使修飾電極對某些特定物質(zhì)的電化學(xué)行為產(chǎn)生某種特有的催化效應(yīng)。納米材料修飾電極主要有以下三類。(1) 碳納米管修飾電極；(2) 金屬納米材料修飾電極；(3)納米半導(dǎo)體材料修飾電極。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：很多文獻報道使用碳納米管或者將金屬納米材料與碳納米管復(fù)合后的材料用作構(gòu)建無酶葡萄糖傳感器,檢測葡萄糖時表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。如Jian-Shan Ye等人使用多壁碳納米管電極檢測葡萄糖就表現(xiàn)出較好的電催化活性。稀有金屬如Au、Ag、Pt等材料,常用做電極材料,制成無酶葡萄糖傳感器來檢測葡萄糖,并表現(xiàn)出良好的性能。如SejinPark等人用介孔Pt電極來檢測葡萄糖,表現(xiàn)出良好的選擇性、靈敏度以及穩(wěn)定性。金屬合金如Pt-Pb材料用于電極材料檢測葡萄糖時,具有良好的電催化性能。如Jingpeng Wang等人合成納米多孔Pt-Pb材料,用來檢測葡萄糖時表現(xiàn)出很好的電催化活性。金屬納米粒子Pt、Ni等材料,也常用于修飾電極構(gòu)建葡萄糖傳感器檢測葡萄糖,表現(xiàn)出良好性能。如Lian-Qing Rong等人在碳納米管上修飾了高度分散的Pt納米粒子,并用此材料鉆-多壁碳納米管(Pt-MWCNTs)修飾電極,以及Li-Min Lu等人制備了Ni納米線陣列電極,這些材料用于電化學(xué)方法檢測葡萄糖時,都表現(xiàn)出良好電催化性能。金屬氧化物如MnO2或金屬納米氧化物如納米CuO等材料,常與碳納米材料復(fù)合后,用于制成無酶葡萄糖傳感器來檢測葡萄糖,也表現(xiàn)出良好的性能。如Jin Chen等人將制備的MnO2/MWCNTs復(fù)合材料修飾到電極表面檢測葡萄糖,表現(xiàn)出很好的電化學(xué)性能;Liao-Chuan Jiang等人用氧化銅納米粒子修飾多壁碳納米管制成CuO/MWCNTs電極來檢測葡萄糖,也表現(xiàn)出良好的選擇性、靈敏度以及穩(wěn)定性。課題內(nèi)容：1、 本研究工作的目標在于通過納米過渡金屬氧化物NiO修飾碳糊電極、過渡金屬Au的納米復(fù)合材料修飾玻碳電極,構(gòu)建無酶葡萄糖傳感器,檢測葡萄糖。并進一步探索了如何提高電化學(xué)無酶葡萄糖傳感器的性能,改善它的選擇性、靈敏度、檢測限以及穩(wěn)定性。2、工作準備：（1）在前期工作中,我們嘗試使用了幾種過渡金屬氧化物的納米材料修飾碳糊電極,用于檢測葡萄糖。（2） Ni、NiO或者Ni(OH)2能夠在電極表面通過NiOOH/Ni(OH)2氧化還原對催化葡萄糖的電化學(xué)氧化。我們將氧化鎳與碳糊混合制備電化學(xué)葡萄糖傳感器。該材料可用于修飾玻碳電極,檢測葡萄糖,表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。研究步驟：（一）納米過渡金屬氧化物構(gòu)建無酶葡萄糖傳感器1、實驗儀器(1)CHI842B電化學(xué)工作站(2)磁力攬拌器(3)YP15K電子天平(4)PH030A型干燥箱2、主要試劑納米過渡金屬氧化物 NiO、Pr6O11、Sm2O3、Y2O3、CeO2、Nd2O3、Dy2O3(Nanjing EmperorNano Material Co. Ltd.);石墨粉;石蠟;葡萄糖。實驗用水為二次超純水(Milli-Q),其它試劑均為分析純,使用前不需任何處理。標準溶點毛細管。3、電極的制備碳糊電極的制備:將石墨粉與石蠟按質(zhì)量比為5:1混合,用研缽研磨后,形成碳糊。然后在一根毛細管中裝入一定量的碳糊并壓實,將一根銅絲從毛細管另一端插入電極,并用膠固定。碳糊電極的修飾:分別將納米過渡金屬氧化物NiO、Pr6O11、Sm2O3、Y2O3、CeO2、Nd2O3、Dy2O3與磨好的碳糊按照質(zhì)量比1:5研磨混合后,取少量修飾到碳糊電極頂端(大約1mm),用于檢測葡萄糖。將納米過渡金屬氧化物NiO與磨好的碳糊按照質(zhì)量比1:9研磨混合后,取少量修飾到碳糊電極頂端,用于檢測葡萄糖。（二）納米氧化鎳材料修飾電極檢測葡萄糖1、實驗儀器(1)Cm842B電化學(xué)工作站(2)磁力搜拌器(3)YP15K電子天平(4)PH030A型干燥箱(5)掃描電子顯微鏡2、 主要試劑納米過渡金屬氧化物NiO (Nanjing Emperor Nano Material Co. Ltd.);石墨粉;石蠟;葡萄糖;抗壞血酸(AA);尿酸(UC)。實驗用水為二次超純水(Milli-Q),其它試劑均為分析純,使用前不需任何處理。標準焰點毛細管(直徑1mm)。3、電極的制備碳糊電極的制備:將石墨粉與石錯按質(zhì)量比為5:1混合,用研缽研磨后,形成碳糊。然后在一根毛細管中裝入一定量的碳糊并壓實,將一根銅絲從毛細管另一端插入電極,并用膠固定。碳糊電極的修飾:將納米過渡金屬氧化物NiO與磨好的碳糊按照質(zhì)量比1:9研磨混合后,取少量修飾到碳糊電極頂端(大約1mm),用于檢測葡萄糖。預(yù)期研究結(jié)果：1、探索不同含量的NiO對修飾電極檢測葡萄糖的影響。將不同含量的NiO碳糊修飾到碳糊電極表面,分別選擇NiO:CP=l: 5和NiO:CP=l: 9的碳糊修飾電極,檢測葡萄糖。NiO修飾電極對葡萄糖的電催化響應(yīng)信號與溶液中的OH-濃度和修飾材料表面的氧化還原電對Ni(OH)2/NiOOH的含量相關(guān)2、基于Ni、NiO、Ni(0H)2的無酶電化學(xué)葡萄糖傳感器已經(jīng)多次被報道。將納米NiO修飾的碳糊電極在高電位范圍內(nèi)進行掃描處理,然后檢測葡萄糖。希望所得的無酶葡萄糖傳感器在檢測葡萄糖時能夠有更好的響應(yīng)速度，更高的靈敏性，更寬的檢測范圍等。研究進度安排2014年*至2014年*，課題內(nèi)容確定，聽取具體指導(dǎo)，著手準備所需儀器設(shè)備及藥品。2015年*至2015年*，根據(jù)課題內(nèi)容收集相關(guān)資料，確定論文題目，著手實驗的開展。2015年*至2015年*，完成畢業(yè)論文任務(wù)書及開題報告，做好畢業(yè)論文的前期工作。2015年*至2015年*，實驗階段，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，開展實驗。2015年*至2015年*，數(shù)據(jù)處理，撰寫畢業(yè)論文。2015年*至2015年*，畢業(yè)論文答辯，評定成績；畢業(yè)論文總結(jié)。2015年*至2015年*，畢業(yè)論文工作總結(jié)。參考文獻：1Jiang L C,Zhang W D. 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