氮掺杂有序介孔碳的制备及高性能漆酶生物传感器的研究

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介孔碳材料独特的结构及性能,使其研究与应用取得了很大进展,但是其孔径较小且载酶量少、酶易脱落等,使得介孔碳应用于酶生物传感器的研究亟待发展。漆酶(Lac)生物传感器具有灵敏、快速、简便和准确等优点,是检测酚类等污染物质重要的方法。论文从提高介孔碳的电化学活性和酶传感器的稳定性着手,对介孔碳进行改性,合成了掺杂氮原子的介孔碳N-OMC,以及以环氧树脂为碳源的介孔碳与聚苯胺的复合材料EOMC/PAn,通过低温N2吸附-脱附、透射、红外、紫外、XRD、电化学测试等对其进行研究;并将其分别用于固定化漆酶,构建综合性能良好的直接电化学传感器,拓展其在环境微分析等领域中的应用。本文以SBA-15为模板,廉价易得的苯胺为碳源,制备了具有均一的二维有序六角介孔结构的掺杂氮原子的有序介孔碳(N-OMC)。低温N2吸附-脱附测试说明该材料具有较大的比表面积、孔容以及孔径分布范围较窄。研究结果表明,由于氮原子的引入,同时聚苯胺可以为介孔碳壁中形成的片状石墨提供大量的苯环,在低温下即可形成高度石墨化的介孔碳,进而提高了材料的电活性。电化学表征证明掺杂氮原子的介孔碳的电催化活性相比纯介孔碳明显增大。本文首次以N-OMC作为固定化漆酶的载体,并借助生物相容性和成膜性好的聚乙烯醇(PVA)构建了漆酶生物传感器。N-OMC修饰Lac电极催化邻苯二酚是一电子一质子的表面控制准可逆过程。在最优的实验条件下,与以葡萄糖为碳源的GOMC相比,N-OMC构建的漆酶传感器表现出更好的综合性能,其对底物邻苯二酚的选择灵敏度(0.09659μM,n= 26)、表观米氏常数p(6.4293μM)、检测限(0.159μM,S/N=3)相比已经报道的结果都得到了明显的改善;N-OMC中较高电负性的氮原子可以与带负电荷的漆酶更好的结合,使得漆酶传感器的重复性和稳定性得到明显的提高。采用海因环氧树脂为碳源制备了EOMC,将其与苯胺通过电化学聚合得到复合材料EOMC/PAn,EOMC上的π电子与聚苯胺中的π电子通过π-π非共价键作用相结合。然后将第二代和第三代酶传感器的优势有效的结合,即在EOMC固定漆酶的基础上,在介孔碳的外围包覆一层易于底物扩散的聚苯胺膜,增加了传感器的稳定性。电化学测试表明,与未改性的EOMC相比,经聚苯胺改性的EOMC和其固定化漆酶后修饰的电极均显示了更好的直接电化学活性。而且由于聚苯胺的加入,构建的漆酶传感器的低检测限和线性范围也得到明显的改善。
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