基于普鲁士蓝复合膜修饰电极的葡萄糖传感器研究

作     者：肖莹莹 

作者单位：北京印刷学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘儒平

授予年度：2023年

学科分类：1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 07[理学] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 070302[理学-分析化学] 0802[工学-机械工程] 0703[理学-化学] 10[医学] 

主      题：葡萄糖传感器 石墨烯纳米片 碳纳米管 电化学 普鲁士蓝纳米粒子 

摘      要：糖尿病作为一种极难根治的慢性疾病,发病率在不断上升,预防与监测是控制发病的有效方式,传统的血糖试纸需要指尖采血检测会引起疼痛,容易造成焦虑。因此研究低成本、高灵敏度和制作简单的无创葡萄糖传感器对提高预防和控制糖尿病具有重要意义。随着纳米材料增敏技术的发展,基于纳米复合材料修饰电极的电化学葡萄糖传感器已成为研究热点。本研究采用普鲁士蓝纳米粒子(PBNPs)与碳系材料/导电聚合物制作葡萄糖传感器,由于汗液与血液中的葡萄糖浓度存在一定相关性,因此以汗液检测为目标,研究一种基于汗液检测的无创葡萄糖传感器。本论文主要内容如下:(1)采用双组分共沉淀法制备PBNPs,加入分散剂使其携带正电荷,而羧基化碳纳米管(MWCNT-COOH)具有负电性,在二甲苯/水的两相界面处,上述两种物质利用正负电荷互相吸引,以自组装的方式形成复合薄膜。采用壳聚糖(CS)将葡萄糖氧化酶(GOx)固定于复合薄膜表面,采用全氟磺酸基聚合物(Nafion)封装后形成基于PBNPs/MWCNT-COOH复合薄膜的葡萄糖传感器,采用SEM、XRD和UV-Vis表征电极微观特征,通过电化学工作站分析电极性能和葡萄糖电催化性能。结果表明,该传感器具有较宽的检测范围(0.01-1 mM),良好的灵敏度(11.87μA·mM·cm)和较低的检测限(7μM)。(2)鉴于石墨烯纳米片(GNFs)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)协同作用可以提供更多的电化学活性位点和更快的电荷转移速率。首先,利用马兰戈尼效应制备GNFs薄膜。然后,在GNFs薄膜表面电化学共沉积PBNPs与PEDOT,构建基于GNFs/PBNPs/PEDOT复合薄膜的葡萄糖传感器。研究表明,该电极材料比表面积大,具有良好的润湿性和氧化还原活性,所制备的葡萄糖传感器的检测范围达到0.005-1 mM,灵敏度为40.9μA·m M·cm,检测限为1μM,响应时间为4.5 s,并且验证了其优异的稳定性、重复性和选择性。(3)进行用于三电极图案化的金属掩膜版的设计,在硅基的三个区域通过真空蒸镀Au和Ag构成微型电化学传感芯片,Au区域形成工作电极和对电极,对Ag区域进行氯化处理形成Ag/AgCl参比电极,构建出基于Au@Si的GNFs/PBNPs/PEDOT葡萄糖传感器,该传感器对葡萄糖具有良好的电催化性能,具有较大的发展前景,未来可以应用于可穿戴传感器领域。