【摘 要】
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过氧化氢(H2O2)作为最普遍存在的化合物之一,在众多领域中广泛应用且在生理过程中承担重要功能。因此,构建一种快速、精准的微量H2O2检测手段对于人体健康、环境安全以及医疗诊断等具有重大的现实意义。电化学传感器因其灵敏度高、分析速度快、操作方便且实时检测能力强而在检测领域脱颖而出。对于电化学H2O2传感器,其传感特性主要取决于传感材料的电化学活性。其中,银纳米颗粒(Ag NPs)由于对H2O2表现
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过氧化氢(H2O2)作为最普遍存在的化合物之一,在众多领域中广泛应用且在生理过程中承担重要功能。因此,构建一种快速、精准的微量H2O2检测手段对于人体健康、环境安全以及医疗诊断等具有重大的现实意义。电化学传感器因其灵敏度高、分析速度快、操作方便且实时检测能力强而在检测领域脱颖而出。对于电化学H2O2传感器,其传感特性主要取决于传感材料的电化学活性。其中,银纳米颗粒(Ag NPs)由于对H2O2表现出良好的电催化还原活性而在该领域具备巨大潜力。此外,合适的界面材料是进一步提升电化学传感性能的关键;导电聚苯胺水凝胶因综合了有机导体和水凝胶的双重特性而成为界面材料的不二之选。本论文将开发Ag NPs和导电聚苯胺水凝胶的新合成体系,并基于两者构建出电化学H2O2传感器。主要的研究内容和结果如下:(1)将植物提取物引入化学合成方法中,构建了一种利用PA/AA/Na OH实现Ag NPs可控制备的绿色合成体系。通过设计正交试验对Ag NPs@PA的制备条件进行了优化,并选取出最佳组合。在此基础上,通过XPS进一步研究了反应体系中由PA-Ag+转变为Ag NPs@PA的合成过程及其反应机理;通过TEM、SEM等测试手段观察出Ag NPs@PA大多呈球形且平均粒径为8.36 nm。另外,我们借助粒径分析对Ag NPs@PA的合成过程进行了再次验证;经过多组测试发现,Ag NPs@PA具备良好的稳定性,便于其存储以及进一步应用。综上,我们通过建立新的绿色的制备方案、设计正交试验及多角度、整体性地阐述合成过程及其机理,为进一步丰富Ag NPs的合成体系提供一定的理论基础。(2)通过将Ag NPs@PA修饰到玻碳电极(GCE)表面构建了一种简易的电化学H2O2传感器。首先,利用LSV法验证了Ag NPs@PA/GCE对H2O2的电催化还原活性。其次,考察了Ag NPs@PA负载量对修饰电极的电化学传感响应的影响;结果显示,当负载量为15μL时,修饰电极对H2O2的电催化还原活性最大。另外,所研制的传感器的响应时间(~0.3 s)极短,对H2O2的检测呈现良好的线性关系,且线性范围(1~4μM、4~6000μM)较宽,灵敏度(~14934.9μA/m M/cm~2、~570.6μA/m M/cm~2)较高,检测限(1.5μM)较低,呈现出良好的综合检测性能。此外,我们计算出参与电催化还原H2O2反应的电子数为2,从理论计算的角度验证了关于“H2O2的双电子还原”的假设。我们还对Ag NPs@PA/GCE电催化还原H2O2过程进行了全面的动力学分析,结果表明H2O2的还原反应处于准可逆状态;并量化了H2O2还原的动力学参数。最后,通过测试,我们发现该传感器具备良好的选择性、抗干扰性、可重复性与再现性以及实际应用的可行性,为定量检测H2O2提供了新策略。(3)以HCl和PA为共掺杂剂,同时采用PA作为交联剂成功制备了盐酸/植酸共掺杂导电聚苯胺水凝胶(HCl/PA-CPAniH)。首先,通过考察HCl/PA共掺杂比例对CPAniH的电化学性能、亲水性以及形貌结构的影响,确定了0.25:1作为较优比例。其次,利用UV-Vis分光光度计和FT-IR光谱图共同解释了HCl/PA-CPAniH的合成过程及其机理。再者,还对HCl/PA-CPAniH的导电性能和水凝胶方面特性进行了表征,并依靠示意图对其导电机理进行了阐明。最后,我们基于Ag NPs@PA和HCl/PA-CPAniH构建了一种新的电化学H2O2传感器,研究表明Ag NPs@PA/(HCl/PA-CPAniH)/GCE对H2O2表现出优异的电催化还原活性,且最佳Ag NPs@PA负载量仍为15μL;该传感器对H2O2的检测呈现良好的线性关系,其线性范围很宽(50~30000μM)且检测限相对较低(9.6μM)。因此,在验证HCl/PA-CPAniH用作电极界面材料的可行性的同时,制备出一种具有较大应用潜力的电化学H2O2传感器。
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