基于ZnO纳米材料的无酶葡萄糖传感器(共24页)

1、检测技术(jsh)论文 姓名(xngmng)：学号专业(zhuny)：电气工程及其自动化 基于ZnO纳米材料的无酶葡萄糖传感器 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc437889880 1葡萄糖传感器 PAGEREF _Toc437889880 h 3 HYPERLINK l _Toc437889881 l.l葡萄糖传感器的工作原理(yunl)及其分类 PAGEREF _Toc437889881 h 3 HYPERLINK l _Toc437889882 1.1.1葡萄糖传感器的用途(yngt)及分类 PAGEREF _Toc437889882 h 3 HYPERLI

2、NK l _Toc437889883 1.1.2葡萄糖传感器的的工作(gngzu)原理 PAGEREF _Toc437889883 h 3 HYPERLINK l _Toc437889884 1.1.3葡萄糖酶生物传感器的的发展历程 PAGEREF _Toc437889884 h 3 HYPERLINK l _Toc437889885 1.2无酶葡萄糖传感器的原理、分类及其发展 PAGEREF _Toc437889885 h 4 HYPERLINK l _Toc437889886 1.2.1无酶葡萄糖生物传感器的工作原理及优势 PAGEREF _Toc437889886 h 4 HYPERLI

3、NK l _Toc437889887 1.2.2无酶葡萄糖生物传感器的分类 PAGEREF _Toc437889887 h 5 HYPERLINK l _Toc437889888 1.2.3无酶葡萄糖生物传感器的发展 PAGEREF _Toc437889888 h 5 HYPERLINK l _Toc437889889 2 ZnO纳米材料 PAGEREF _Toc437889889 h 8 HYPERLINK l _Toc437889890 2.1 ZnO纳米材料简介 PAGEREF _Toc437889890 h 8 HYPERLINK l _Toc437889891 2.2 ZnO纳米材料

4、的制备方法 PAGEREF _Toc437889891 h 8 HYPERLINK l _Toc437889892 2.2.1气相沉积法 PAGEREF _Toc437889892 h 8 HYPERLINK l _Toc437889893 2.2.2分子束外延和磁控溅射法 PAGEREF _Toc437889893 h 8 HYPERLINK l _Toc437889894 2.2.3水热法和溶胶凝胶法 PAGEREF _Toc437889894 h 8 HYPERLINK l _Toc437889895 2.2.4模板法和电化学沉积法 PAGEREF _Toc437889895 h 9 H

5、YPERLINK l _Toc437889896 2.3ZnO纳米材料修饰电极的表征 PAGEREF _Toc437889896 h 9 HYPERLINK l _Toc437889897 2.4 ZnO纳米材料在葡萄糖传感器中的应用及优势 PAGEREF _Toc437889897 h 9 HYPERLINK l _Toc437889898 3电沉积Cu-NPs/ZnO纳米棒阵列的无酶葡萄糖传感器 PAGEREF _Toc437889898 h 10 HYPERLINK l _Toc437889899 3.1引言 PAGEREF _Toc437889899 h 10 HYPERLINK l

6、_Toc437889900 3.2实验部分 PAGEREF _Toc437889900 h 11 HYPERLINK l _Toc437889901 3.2.1仪器与试剂 PAGEREF _Toc437889901 h 11 HYPERLINK l _Toc437889902 3.2.2修饰电极的制备 PAGEREF _Toc437889902 h 12 HYPERLINK l _Toc437889903 3.3结果与讨论 (电沉积Cu-NPs/ZnO纳米棒阵列的无酶葡萄糖传感器的优势) PAGEREF _Toc437889903 h 12 HYPERLINK l _Toc437889904

7、3.3.1工作电极的表征(SEM、XRD、EDS) PAGEREF _Toc437889904 h 12 HYPERLINK l _Toc437889905 3.3.2修饰电极的循环伏安CV测试 PAGEREF _Toc437889905 h 14 HYPERLINK l _Toc437889906 3.3.3修饰电极的电化学阻抗EIS测试 PAGEREF _Toc437889906 h 15 HYPERLINK l _Toc437889907 3.3.4修饰电极在NaOH溶液中的电化学行为 PAGEREF _Toc437889907 h 16 HYPERLINK l _Toc43788990

8、8 3.3.5 Cu沉积时间和测试电压的优化 PAGEREF _Toc437889908 h 16 HYPERLINK l _Toc437889909 3.3.6不同扫速下Cu-NPs/ZnO复合修饰电极的电化学行为 PAGEREF _Toc437889909 h 17 HYPERLINK l _Toc437889910 3.3.7葡萄糖在不同修饰电极上的电化学行为 PAGEREF _Toc437889910 h 18 HYPERLINK l _Toc437889911 3.4传感器的线性度 PAGEREF _Toc437889911 h 20 HYPERLINK l _Toc43788991

9、2 3.5传感器的选择性 PAGEREF _Toc437889912 h 20 HYPERLINK l _Toc437889913 3.6传感器的重复性及稳定性 PAGEREF _Toc437889913 h 20 HYPERLINK l _Toc437889914 3.7血清中葡萄糖的检测 PAGEREF _Toc437889914 h 21 HYPERLINK l _Toc437889915 3.8测量电路 PAGEREF _Toc437889915 h 21 HYPERLINK l _Toc437889916 3.9本章小结 PAGEREF _Toc437889916 h 221葡萄糖传

10、感器l.l葡萄糖传感器的工作原理(yunl)及其分类1.1.1葡萄糖传感器的用途(yngt)及分类(fn li)葡萄糖是多轻基酸的单糖，自然界分布广泛。纯净的葡萄糖无色、稍有甜味，易溶于水，微溶于乙醇。葡萄糖作为一种重要的能量来源物质，是人类生命活动和新陈代谢所必须的营养物质。随着老龄化社会的到来和不断提高的生活水平，我国糖尿病发病率呈逐年上升趋势。葡萄糖是检测糖尿病人身体状况的重要指标，当检测空腹血糖大于7.0 mmol/L时并且伴有相关的临床症状时，则可以确诊为糖尿病。将血液中葡萄糖浓度控制在正常值范围内，就可避免其对健康的危害，因此，快速、准确的检测葡萄糖浓度的传感器具有非常重要的研究价

11、值。检测葡萄糖浓度的方法众多，如高效液相色谱、分光光度法、扫描极谱等，生物传感器避免了这些传统检测方法分析速度慢、成本高的缺点，近年来发展迅速。按照分子识别元件的不同，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、电化学免疫传感器。敏感材料依次为酶、微生物、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。按器件的检测原理可分为热学生物传感器、场效应生物传感器、光学生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器等。换能器依次为热敏电阻、场效应晶体管、光电转换器、压电晶体、半导体。按照基底电极的不同分为衆电极传感器和固体电极(金电极、玻碳电极、碳糊电极、半导体金属电极)传感器。按照被测物质与敏

12、感膜识别作用方式的不同，可将传感器分为代谢型、亲和型、催化型。1.1.2葡萄糖传感器的的工作原理分子识别元件换能器被分析物质化学量变化可处理电信号图1-1生物传感器工作原理图 生物传感器以生物敏感材料作为识别元件，被分析物质通过扩散作用进入生物敏感膜，发生生物学相关反应，通过物理或者化学换能器将反应的程度用定量的电信号表达出来，经放大器放大输出，从而得出被测物质的浓度。1.1.3葡萄糖酶生物传感器的的发展历程葡萄糖酶传感器根据葡萄糖氧化过程的电子传递机理，分为3个发展阶段：第一代葡萄糖酶传感器通过O2作为电子传递介体，GOD将02还原成H2O2，O2浓度的降低和H2O2浓度的升高与葡萄糖浓度成

13、正比，因此可以检测GOD反应过程O2的消耗量或H2O2的消耗值来确定葡萄糖的浓度。酶层：GODox + glucose GODred + gluconolactoneGODred + O2 GODox+ H2O2电极(dinj)：H2O2 O2 + 2H+ + 2e-第一代传感器存在一些缺点：氧浓度的波动(bdng)明显影响到电流响应值，使其也不稳定，溶液中氧浓度有限，随着氧的消耗，修饰电极对葡萄糖的电流响应减弱，同时受温度和酸度影响较大。第二代葡萄糖酶传感器用电子介体如：铁/铁氰化钾、二茂铁和某些有机染料(yuj rnlio)作电子接受体，加速了修饰电极表面和酶活性中心的电子传递，提高了酶传

14、感器的电子传导效率，避免了氧对第一代传感器的影响。同时，电子介体降低了葡萄糖酶传感器的电位，使葡萄糖的测定免受电活性物质的干扰，提高了测试的准确度。工作原理如图1-2所示。电极氧化酶活性中心电子葡萄糖MoxMred图1-2第二代葡萄糖醉传感器工作原理图第三代葡萄糖酶传感器将葡萄糖氧化酶吸附固定在修饰电极表面，电子直接在酶的活性中心和修饰电极间进行传递，不需要氧分子和电子介体，电子的传递更容易、更迅速。因此测定葡萄糖的灵敏度高、响应速度快。酶层：GODox + glucose GODred + gluconolactone电极：GODredGODox + ne-第三代传感器相比前两代，避免了氧气

15、和电子介体的限制，电子直接在酶和工作电极间转移，抗干扰能力强。但是酶属于蛋白质分子，相对分子质量很大，活性中心深埋于其内部，酶经固定后容易变形，电子在葡萄糖酶分子与电极表面的传递效率会受到影响。1.2无酶葡萄糖传感器的原理、分类及其发展1.2.1无酶葡萄糖生物传感器的工作原理及优势无酶葡萄糖传感器检测葡萄糖的过程中没有GOD (葡萄糖氧化酶)的参与。纯净的葡萄糖溶于水有以下三种构象：-葡萄糖、-葡萄糖、-葡萄糖。和构象的葡萄糖几乎占到了100%。无酶葡萄糖传感器的工作原理如下所示：固相催化剂-葡萄糖/-葡萄糖 葡萄糖酸内酯+2e-葡萄糖在固相催化剂如金属(Pt、Au、Cu、Co、Ni)，金属氧

16、化物、合金或者碳纳米管下被催化氧化为葡萄糖酸内酯。无酶葡糖糖的催化氧化大多在碱性条件下，支持电解质一般用0.1 MNaOH溶液，氧化电位选取0.3 - 0.8 V间。也有在中性条件(0.1MpH=7.4的PBS溶液)下检测，效果也较好。与有酶葡萄糖传感器相比，无酶传感器的优势在于：第一，没有了酶的参与，省去了酶繁琐、复杂的固定化过程，使得无酶传感器的制备变得简单、易操作；第二，酶的活性易受温度、pH的影响，有酶传感器的稳定性随着酶活性的降低而降低，无酶传感器的使用寿命相对较长，稳定性较好；第三，酶纯化过程困难，其成本高，无酶葡萄糖传感器若釆用普通金属催化剂其成本就会低很多；第四，无酶的条件(t

17、iojin)下，直接避免了溶解氧对葡萄糖氧化的影响。同时，找寻较佳的电位就可消除溶解氧对氧化电流的干扰。1.2.2无酶葡萄糖生物(shngw)传感器的分类无酶葡萄糖传感器依据测试方法可分为(fn wi)电位型、伏安型和电流型传感器。电位式无酶葡萄糖传感器基于修饰到电极上的物质与葡萄糖作用时电位发生变化的原理检测葡萄糖浓度。Shoji报道了利用含有取代基的聚苯胺的pKa的电感效应，硼酸分子与二醇的络合常数不同使得无酶葡萄糖传感器的电位发生变化，在0.1 M的PBS溶液中可检测4-6 mM的葡萄糖。利用伏安法、无酶条件检测葡萄糖浓度所制备的传感器称之为伏安型无酶葡萄糖传感器。Choi将含疏基的-环

18、糊精自组装到Au电极表面，-环糊精中的二茂铁结构捕获葡萄糖分子，二茂铁被葡萄糖取代，电化学检测过程中的电流随着葡萄糖浓度的变化而变化，根据电流的变化可知葡萄糖的浓度。电流型无酶葡萄糖传感器是三种类型中研究最多的一种传感器，依据葡萄糖氧化电流和其浓度成正比来检测葡萄糖的浓度。林丞等将过氧化聚啦咯(Ox-PPy)电聚合到PGE电极上，再修饰一层酞菁钴(CoPc)，制得电流型葡萄糖传感器。该传感器检测葡萄糖电位低，响应时间短，稳定性好，对与葡萄糖共存的电活性物质如果糖等具有强的抗干扰能力。Bindra用Nafion膜修饰Au电极，脉冲伏安电流法检测碳水化合物，检测葡萄糖的检测限可达4-5 pg。1.

19、2.3无酶葡萄糖生物传感器的发展随着葡萄糖传感器的发展，基于不同材料修饰电极的无酶葡萄糖传感器成为人们竞相的研究的热点。葡萄糖在修饰电极表面发生电化学氧化，修饰电极的材料包括贵金属，如：Pt、Au、 Ag、Pd等，碳纳米管，复合材料如：Pt-Pb、 Pt-Ir、Ni-Ti、Pt-MWCNTs、Ni10Cu90等，过渡金属及其氧化物如：Cu、Ni、 CuO、 NiO、Cu2O等，还有磁性纳米材料Fe3O4。1.2.3.1贵金属材料修饰电极Pt、Au、Pd对葡萄糖的催化氧化具有较强的活性。Park等人构建了多孔Pt电极，利用其表面的粗糙度选择性的提高了反应中的法拉第电流，在干扰物抗坏血酸和4-乙醜

20、氨基苯酌的存在下，对葡萄糖响应灵敏，灵敏度达9.6 Acm-2mM-1。 Yuan等人利用模板法将Pt沉积在3-氨丙基三甲氧基修饰的阳极氧化铝膜内，制备出高度有序的Pt纳米管阵列NTAEs，检测葡萄糖的线性范围宽至14mM。 Chen等制备出多孔Au电极NPG检测葡萄糖，该传感器对葡萄糖的响应电流值大、快速，能有效的避免溶液中有机物的影响。Bai等人利用经CdS修饰的氧化锅膜制备出管状Pd纳米结构的无酶葡萄糖传感器。检测1.0-8.0 mM葡萄糖回收率在98-103%，检出限8.0 x10-5mol/L。该类材料修饰的电极表面在吸附葡萄糖催化氧化过程中产生的中间产物后容易发生中毒现象，而且在氯

21、离子浓度过高时，检测葡萄糖的灵敏度下降。同时还会吸附血液中一些有机物质，如抗坏血酸、尿酸、氨基酸等，影响检测的结果。共存的其它糖类物质像果糖在合适的电位下会随葡萄糖一起被催化氧化，增加了实际的氧化电流，使得修饰电极的选择性变差。1.2.3.2过渡金属及其对应(duyng)的氧化物/氢氧化物材料修饰电极过渡金属Cu、Ni及其氧化物(CuO、NiO)、氧氧化物等以其相对低廉的价格，对葡萄糖检测具有较好的选择性和稳定性，近年来受到人们的广泛关注。Zhao等通过在室温下改变还原剂CuO的量合成出两种形貌(xn mo)纳米Cu结构，Cu花状结构和Cu八面体结构，花状结构Cu由Cu纳米粒子聚集而成，Cu八

22、面体结构由中间态氧化亚铜转变而来，前者对葡萄糖的催化活性高于后者。Zhang等人合成了一维尺寸、纵横比大于200的Cu纳米线，将其修饰到玻碳电极，制备了超灵敏、选择性强的无酶葡萄糖传感器。比未修饰Cu纳米线的电极灵敏度高10000倍，达420.3AmM-1cm-2，检测限低至35 nM，该传感器不受氧气和氯离子的干扰(gnro)。Sim等把纳米金刚石(BDND)层自组装到Cu/Cu(OH)2电极表面，制得BDND/Cu/Cu(OH)2修饰电极的葡萄糖传感器，该传感器对葡萄糖的检测范围0-6mM，最低检测限9M，灵敏度 2.1592 mA cm-2 mM-1。Satheesh Babu等人在草酸

23、钾溶液中，阳极氧化Cu电极得CuO/CuOx电极的无酶葡萄糖传感器。该传感器于0.1MNaOH溶液检测葡萄糖的最佳电压在0.7 V，灵敏度极高1890AmM-1 cm-2，线性范围至15 mM，(相关系数R=0.9999)，检出限 0.05 M(S/N=3)，成功的用于检测人血清中的葡萄糖浓度。Liu等人从硝酸铜和聚乙烯吡咯烷酮溶液通过静电纺丝和锻烧技术制备出CuO纳米纤维修饰ITO电极的葡萄糖传感器，最后热处理除去PVP。三倍噪音下的检出限为40nM，对葡萄糖响应的线性范围从0.2M到1.3 mM，灵敏度873AmM-1cm-2，线性范围宽，灵敏度高。Cu及Cu基材料在碱性溶液中对葡萄糖的催

24、化氧化机理被认为是Cu(II)/Cu(III)在发挥作用，该机理还有争议。Guo等以销酸镍为原始溶液，最后退火处理将Ni(OH)2转化为NiO，泡沫镍(NF)为基底，制得三维NiO/NF传感器。经NiO和NF的协同作用，该传感器对葡萄糖检测的性能良好。Lu等人把二价镍溶液电化学沉积到聚碳酸酯(PC)膜内，利用模板法合成出線纳米线阵列(NiNWAs)，将镍纳米线阵列修饰的电极检测葡萄糖，呈现良好的电化学性能，线性范围从0.5M到7.0 mM，灵敏度高达1043 AmM-1 cm-2，检测限0.1 M，该传感器重现性好，寿命长，稳定。Luo等人电沉积NiO粒到介孔碳OMC，再将其修饰到玻碳电极GC

25、E上，利用循环伏安和计时电流法检测，对葡萄糖响应时间小于2s，检出限0.65 M。Cao等人提出了改进的无酶葡萄糖传感器新方法，不需要其它固定技术，通过静电纺丝技术将CuO掺杂NiO的超细纤维修饰到FTO导电玻璃表面，CuO-NiO-MFs比单独的NiO-MFs对葡萄糖的催化性能好，将其用于实际血清样品检测，结果与自动电化学仪一致。Luo等人依据结晶-溶解-再结晶原理成功合成了高比表面积、一维尺寸的-Ni(OH)2纳米结构。-Ni(OH)2由-Ni(OH)2转化而来，反应体系中CF3COONa水解产生的氧氧根离OH-的减少，体系中CF3COOH增多，溶液由碱变酸，因此不稳定的-Ni(OH)2晶

26、体溶解再结晶，形成的p-Ni(OH)2纳米片对葡萄糖电催化性能增强，电流响应迅速。镍系材料对葡萄糖的催化氧化也是通过Ni2+/Ni3+实现的，反应方程为：NiO + OH- NiO(OH) + e-NiO(OH) + glucose Ni(OH)2+ glucolactone实验发现，单独该类材料制成的无酶葡萄糖传感器对血液中存在的抗坏血酸、尿酸、氯离子及其它的碳水化合物也有响应的电流响应，对葡萄糖的测定(cdng)会有干扰， 需再修饰电极表面加抗干扰膜以提高该类传感器的选择性。1.2.3.3碳纳米管修饰(xish)电极碳纳米管具有良好(lingho)的力学、电磁、吸附、催化性能，它优异的导电

27、性能可提高被测物质与修饰电极间的电子传递效率，近年来在无酶葡萄糖传感器领域备受研究者青睐。叶建山等人在Ta基底上镀一层8-50 nm的Co，按照的磁控溅射方法方法合成了直径200-400 nm，长度10m直立的多壁碳纳米管阵列。将其修饰到玻碳电极表面，构建了无酶葡萄糖传感器。与裸玻碳电极相比，经MWCNTs修饰的工作电极检测葡萄糖的电位较低在+0.2 V，这个电位下，该传感器对其它共存物质呈现了良好的选择性，干扰物不会在修饰电极上发生电化学催化氧化。当Cl-=0.2mol/L时，电极并没有出现中毒现象，检测葡萄糖的灵敏度仍然很高，4.36l0-3AmM-1cm-2，线性范围为2.0 M - 1

28、1 mM，检出限1M。Wang等把纳米管CNT溶解在Nafion中，CNT/Nafion修饰玻碳电极构建的无酶传感器在较低的电压下对葡萄糖有很好的选择性。Wang等通过两步热解法将高分散的Pt纳米颗粒与MWCNTs结合，再在其表面修饰Nafion制得电流型葡萄糖传感器。检测电压0V，线性范围1.0-26.5 mM(相关系数大于0.999)。Kang和Make等人将MWCNTs和Cu纳米粒结合，溶于Nafion后再将其修饰到GCE电极上,碱性溶液检测葡萄糖效果良好。碳纳米管优异的导电性、大的比表面积和稳定性，在电催化领域有重要的应用价值。对碳纳米管功能化或者负载具有催化性能的贵金属，能有效提高催

29、化剂的利用效率。碳纳米管独特的性能在生物传感器方向有不错的应用前景。1.2.3.4复合纳米材料修饰电极复合纳米材料是由2种或2种以上的晶质、半晶质(一维尺寸在1-100 nm)复合而成的材料。近年来，纳米复合材料发展迅速，综合性能优良。Wang等用水热法以水合肼为还原剂，在Ti基底上制的纳米Ni/Ti修饰电极。碱性溶液中催化葡萄糖的速率在1.67cm3mol-1s-1，检出限1.2M。Shim合成出Au-Ru复合催化材料，壳聚糖CHIT作为交联剂，修饰到玻碳电极上，GC/npAu-Ru/CHITd电极的灵敏度(240 AmM-1cm-2)是GC/npAu/CHIT的6倍，说明Au和Ru形成的复

30、合材料对葡萄糖具有更高的催化活性。Yeo等人研究了 NixCu100-x合金对葡萄糖的电催化性能。由于镍和铜的协同作用，Ni10Cu90在碱性溶液中对葡萄糖的响应性能最好。Ozcan等人电化学聚合四磺酸酞菁钴到石墨电极，构建的无酶葡萄糖传感器用DPV法检测，检出限0.1 mM，线性范围0.25mM-20mM。该传感器稳定性、重现性、抗干扰能力较好。构建的无酶葡萄糖传感器中，复合纳米材料对葡萄糖的电流响应能力提高，电催化性能增强，因此，幵发复合材料的催化剂为人们提供了新的思路。1.2.3.5磁性(cxng)Fe3O4纳米材料修饰(xish)电极磁性纳米材料与常规的纳米材料不同，主要(zhyo)区

31、别在于处在纳米级别的物理长度是与磁性相关的。当磁性体的尺寸与这些物理长度差不多时，出现不同的磁学与电学现象。Fe3O4是比较常见的一种纳米磁性材料，广泛应用于医学与分离分析技术。近年来，研究者发现Fe3O4具有过氧化物模拟酶的性质，能够催化一些物质的氧化反应。Wei等沉淀法合成纳米Fe3O4材料用于催化氧化还原酶底物ABTS，并结合葡萄糖氧化还原酶GOx检测葡萄糖。实验证明Fe3O4纳米材料在未来建立快速、简单的分析途径中有广阔的应用前景。磁性纳米材料拥有磁性和纳米尺寸的双重优势，会引发人们更多的关注和兴趣。2 ZnO纳米材料2.1 ZnO纳米材料简介ZnO俗名锌白，锌白粉，白色固体,，无味，

32、难溶于水，属于两性氧化物，可溶于酸和碱。分子量81.37，密度为5.606 g/cm3，溶点达1975 C。ZnO属于六方晶系晶体，铅锌矿结构。纳米ZnO是21世纪新型高功能无机材料，粒径处于纳米级尺寸，因此它具备纳米材料的表面效应、体积效应和宏观隧道效应。ZnO性质稳定，研究者发现它在催化、光、电、磁等领域具有其它无机没有的特殊性能和用途，在橡胶、电缆、颜料、催化剂、化妆品、陶瓷及医药等行业有重要的应用价值和应用前景。2.2 ZnO纳米材料的制备方法2.2.1气相沉积法气相沉积法分为物理气相沉积和化学气相沉积。后者在制备ZnO过程中应用的较多，又细分为简单蒸气反应、碳热还原反应、金属有机化合

33、物气相沉积MOCVD法。第一种Zn粉末为原料，在氧气的氛围下通过简单的氧化反应沉积生长 ZnO。用反应式表示如下：Zn(g) + O2(g)ZnO(g)ZnO(l)ZnO(s)。第二种普通ZnO和C原料(碳粉、石墨、CNTs) 二者在特定温度下发生还原反应，得到气态Zn，催化剂下，经氧化得到ZnO纳米材料。第三种金属有机锌化合物如：乙酰丙酮络锌、二乙基锌为原料，在高温，O2/N2气流下，蒸发、沉积来制备，改变温度、催化剂、基底等可制备不同尺寸和形貌的纳米ZnO。2.2.2分子(fnz)束外延和磁控溅射法分子束外延(MBE)法，是在超高真空条件下，物理沉积薄膜的方法。物质(wzh)分子经高温蒸发

34、、离子化、裂解等，直接在衬底表面成核、生长。该法制得的晶体完整、厚度均匀，但是其设备成本高、操作复杂，高真空的条件限制了其应用范围。磁控溅射在制备ID纳米材料时不是很常用，Ar发生电离，在阴极被加速后轰击靶材，靶材原子被溅射出来，进而沉积到基片表面。靶的材质不一样，溅射时间不一样，得到不同靶材和厚度的薄膜。该法要求适宜的溅射功率、真空度，高纯的保护气体，镀膜与基底结合牢固、镀层均匀。2.2.3水热法和溶胶(rngjio)凝胶法水热法是液相反应中较常见的制备纳米材料的方法。以水为溶剂，于反应釜高温高压下发生化学反应。确定反应物的比例，反应时间、温度、压力等，这些因素都会影响到所制备材料的尺寸。V

35、ayssieres等混合摩尔分数相等的六水硝酸锌和六亚甲基四胺HMT，ITO玻璃，单晶Al23，Si/SiO2分别为基底，于95 C下反应数小时，结束后，蒸馈水，清洗烘干。在基底上得到了有序、直立的ZnO纳米棒阵列。棒的直径100-200 nm，长度在10m左右。用溶胶凝胶法制备ZnO，把前驱体(硝酸锌或者醋酸锌)溶解在溶剂(HMT或者乙醇)溶液中，二者发生水解(或醇解)作用形成溶胶，经干燥得凝胶，再烧结制出ZnO纳米材料。两种方法的体系和反应原理相似，不同之处在于后者比前者要多出一个步骤，沉积的产物是凝胶状的锌的复合物，经热处理才能制备出ZnO纳米棒，而前者沉积得到的产物直接就是纳米ZnO。

36、2.2.4模板法和电化学沉积法模板法主要用阳极氧化铝膜(AAMs)，聚碳酸酯(PC)膜,，碳纳米管、多孔硅石膜为模板，其中的孔道作为材料的生长通道，是制备线状纳米材料的有效途径。模板法能很好的控制纳米材料的生长分布、形貌和尺寸。Li等电沉积Zn到阳极氧化铝膜内，再氧化Zn纳米线制备得半导体ZnO纳米线。多晶ZnO纳米线的直径从10-90 nm，整齐排列在AAM的通道内。电化学沉积(electrochemical deposition，ECD)，指金属或者合金或者金属化合物在电场作用下从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中在电极表面沉积出来的过程，通常伴有电子得失。ZnO纳米材料的制备以锌盐的水溶液

37、为电解液(三电极体系)，对工作电极施加一负电压,电场作用下，锌离子向工作电极移动，与氢氧根结合，一定温度分解后，基底表面就沉积生长了 ZnO纳米棒或者纳米线。Mari等在pH=6.3，0.005 M的ZnCl2和0.1 M的KCl溶液中，电沉积ZnO到FTO导电玻璃。实验发现，电流密度、沉积时间、水浴温度都是影响棒长度的直接因素。棒的平均直径在300 nm，长度随沉积时间和电流密度的增大而增加，但是温度对其的影响正好相反。电化学方法制备ZnO纳米材料的优势是沉积温度低、操作简单、便于控制(改变沉积参数就可控制材料的形貌)，反应条件温和，所得到的纳米材料成本低、对环境友好等。2.3 ZnO纳米材

38、料修饰电极(dinj)的表征纳米材料修饰电极的表征通常有物理法和电化学方法。物理方法包括扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM，X射线衍射，X射线光电子能谱XPS，STM-TEM组合表征测量系统(xtng)。电化学方法包括循环伏安CV，交流阻抗EIS，电子探针，计时电流法等。循环伏安是很实用的电化学研究方法。根据CV曲线图可以判断电极反应是否可逆，电极的吸附，反应机理和电化学动力学参数的研究。可提供电活性物质发生(fshng)氧化还原反应的电位，修饰电极的电活性面积、反应的速率常数等。交流阻抗谱以小振幅的正弦波扰动体系进而产生电信号的电测试方法。釆用等效电路法对阻抗谱进行拟合，可以得到溶液

39、电阻、双电层电容、电荷转移电阻、扩散阻抗等电化学参数。电子探针法一般以Fe(CN)63-/4-氧化述原电对为探针，把修饰好的电极置于其中进行循环伏安扫描，根据CV图考察电极表面电子活性能力，电化学信号的强弱反应修饰电极材料的电化学性能。计时电流法分为单电位突跃和双电位突跃，根据电流响应值与时间的关系可以研究某些电化学反应的机理。i-t曲线图很好了反应了动力学过程及工作电极表面附近溶液浓度的变化，由科特雷方程进行推导，能得到反应的速率常数。2.4 ZnO纳米材料在葡萄糖传感器中的应用及优势ZnO是一种与生物分子相容性良好的纳米材料。它等电点为9.5，蛋白质类分子的等电点较低，在静电作用下相互吸附

40、。同时，ZnO对人体无毒、电化学活性强、电子传输效率高。有关纳米ZnO在葡萄糖传感器构建方面有了一些报道。Sun等人合成了 ZnO纳米梳，固定葡萄糖氧化酶GOx在纳米梳上，葡萄糖分子与GOx间强烈的结合力与酶的识别能力，因此该传感器检测限低，灵敏度高。ZnO纳米结构在生物传感器方面应用潜力巨大。Ren研究小组把合成的ZnO纳米棒作为栅极，同样固定上GOx，于pH=7.4的缓冲溶液中检测葡萄糖的线性范围为0.5 nM到14.5 M，最低检测限0.5 M。Umar等人通过热蒸发工艺制备出结晶度高、致密的ZnO纳米钉，将其作为基底固定葡萄糖氧化酶，电子在酶的活性位点和电极间直接传递，对葡萄糖的响应时

41、间少于10s，0.1-7.1 mM范围内线性关系达0.9937，灵敏度24.613 AmM-1cm-2。Kong等人在镀有Au的Si/SiO2基底上，电化学沉积等摩尔的硝酸锌和六甲基四胺，85C下合成出ZnO纳米棒,然后在0.125 M的NaOH溶液中原位刻蚀1.5 h，制得ZnO纳米管。管的直径约250 nm，壁厚45 nm左右，通过交联剂戊二醛和Nafion膜牢牢修饰酶到ZnO纳米管表面构建了葡萄糖传感器。Kumar等人把Cu纳米颗粒和ZnO膜电沉积到ITO导电玻璃和玻碳电极上构建出的无酶葡萄糖传感器在碱性溶液中对葡萄糖呈现良好的电催化活性。线性范围1M-1.53 mM，检出限0.2m。3

42、电沉积Cu-NPs/ZnO纳米(n m)棒阵列的无酶葡萄糖传感器3.1引言(ynyn)葡萄糖浓度的高低是衡量某些疾病如糖尿病和内分泌代谢(dixi)紊乱的重要指标，其含量的高低能直接反应人体的健康状况。常见的有酶葡萄糖传感器是基于葡萄糖氧化酶(GOD)对葡萄糖的特异性识别进行检测，专一性高、识别速率快、选择性好。但是酶的活性易受外界环境条件，如温度、湿度、pH和有毒化学品的影响，且酶的固定过程繁琐，酶成本高，限制了其应用。近年来制备纳米级具有催化性能材料的无酶葡萄糖传感器成为研究的热点。纳米材料良好的表面效应、体积效应可作为电极的修饰材料，在电极表面吸附能力强、生物兼容性好。纳米材料如碳纳米管

43、、石墨稀、金属纳米颗粒和半导体纳米材料，具有高的比表面积、能促进酶的活性位点和电极间的直接电子转移，特别是半导体纳米材料在化学传感器中具有良好的应用前景。一维纳米ZnO是一种具有压电和光电特性的半导体材料，具有特殊的导电、导热性能，化学性质稳定，同时又是一种良好的生物适应材料，对人体无毒、无害。ZnO纳米结构电化学活性强、电子传输特性高，在传感器领域有很多用途，比如湿度传感器、气体传感器、液体传感器、生物传感器和传感器。近年来，因其催化效率高，吸附力强和较高的等电点(IEP=9.5)，ZnO己广泛应用于生物传感器。氧化锌纳米棒阵列有很多种制备方法，这些方法需要高温，苛刻的反应条件，而电化学沉积

44、方便、经济，在相对低的温度下可快速大规模制备有序的ZnO纳米棒。纳米金属Cu及以铜为基础的电极材料，表面积大、活性位点多，导电性能好，增强了电子的传递效率。在众多化学反应中具有优异的催化性能，相比于金属合金、过渡金属Pt、Pd，Cu的资源丰富，更容易获取。用电化学沉积法构建(Cu纳米颗粒)Cu-NPs/ZnO纳米棒阵列制备特殊形貌的无酶葡萄糖传感器还尚未见报道。本实验基于Cu-NPs/ZnO纳米棒阵列成功地制备了简单、低成本、环保的电流型葡萄糖生物传感器。第一步电沉积ZnO纳米棒阵列，它较整齐的生长在FTO导电玻璃基底上；第二步沉积纳米铜颗粒到ZnO纳米棒阵列上。铜纳米颗粒和ZnO纳米棒的协同

45、作用,使得传感器灵敏度高，稳定性好，特异性强。3.2实验部分3.2.1仪器与试剂表3-1实验试剂及仪器试剂及仪器型号六水合硝酸锌分析纯氯化钾分析纯五水硫酸铜分析纯无水硫酸钠分析纯铁氰化钾分析纯亚铁氰化钾分析纯e-D葡萄糖分析纯氢氧化钠分析纯尿酸分析纯抗坏血酸分析纯Hyclone胎牛血清标准扫描电子显微镜Quanta-200型X射线衍射仪D500电化学工作站CHI 660C超声波清洗机KQ3200恒温水浴锅DK-S28摩尔超纯水机Melecular电子分析天平AL104磁力加热撞拌器78-1型电化学测量釆用三电极系统：FT0(7)导电玻璃为工作电极，Ag/AgCl (KC1饱和)为参比电极，(实

46、验中所有的电位均是相对(xingdu)于参比电极的电势而言)，Pt电极为对电极。实验用水均为二次蒸馏水，-D葡萄糖储备液在常温下消旋过夜，NaOH作为支持电解质。D500自动化X射线衍射(ynsh)仪(德国西门子公司)用于XRD图的釆集。Quanta-200型扫描电子显微镜(SEM，美国(mi u)FEI公司)用于检测所制样品的形貌。3.2.2修饰电极的制备Cu-NPs/ZnO纳米电极制备过程如下：(1)FTO导电玻璃预处理：FTO导电玻璃(21.5cm2)分别用丙酮、无水乙醇、清水、二次蒸馆水各超声10 min，然后供干备用。(2)电化学沉积ZnO纳米棒：先配置电化学沉积液(0.01mol/

47、L的六水硝酸锌和0.1 mol/L的KC1 (支持电解质)。将三电极置于60 mL沉积液中，工作电极和对电极保持3cm距离，FTO工作电极作阴极，在恒定的-1.0 V电压下沉积1800s，温度控制在8。沉积结束后，用大量二次蒸馆水清洗各电极，沉积有ZnO纳米棒的工作电极(一层透明的薄膜)晾干备用。(3)电沉积(chnj)纳米Cu颗粒：将沉积有ZnO的工作电极置于0.01mol/LCuS04-5H2O和0.1 mol/LNa2SO4溶液中，于-0.4 V恒定电压下(相对于Ag/AgCl (KC1饱和(boh)沉积300 s，然后用蒸馏水冲洗干净晾干备用。3.3结果(ji gu)与讨论 (电沉积C

48、u-NPs/ZnO纳米棒阵列的无酶葡萄糖传感器的优势)3.3.1工作电极的表征(SEM、XRD、EDS)FTO导电玻璃的基底上得到了均匀、致密的ZnO纳米棒(平面图3-l(a)，棒的取向性很好，多数垂直在FTO基底上，直径在110-140 nm之间，呈规则的六方铅锌矿结构。因为在ZnO晶核形成初期，己初步具备c轴择优生长取向，在晶核长大过程中，为保证晶体表面能最小，晶核沿c轴方向迅速长大，最终形成ID ZnO纳米棒阵列。经纳米修饰过的Cu-NPs/ZnO工作电极釆用扫描电子显微镜表征如图3-l(b)所示。可见，ZnO纳米棒的顶端和侧壁已修饰上了Cu纳米粒子，通过电沉积Cu粒子牢固结合到ZnO纳

49、米阵列的表面，直径在70nm-150nm。恒电位沉积的方法为ZnO晶体的生长提供了活性中心，ZnO便于生长均匀，而且ZnO牢固的结合在工作电极表面，不容易剥落。电化学沉积将Cu2+还原成Cu颗粒，纳米棒较大的比表面积非常有利于Cu的沉积，最终纳米Cu颗粒稳定地吸附在ZnO纳米棒上，这样形成更多的电催化中心，能更好的催化氧化葡萄糖。 图3-1 (a) ZnO纳米棒阵列修饰电极的SEM 图3-1(b) Cu-NPs/ZnO修饰电极的SEM采用X射线衍射仪对Cu-NPs/ZnO(a)，Cu(b)， ZnO(c)修饰的电极表征，如图3-2所示。图 3-2 Cu-NPs/ZnO (a)， Cu (b)，

50、ZnO (c)修饰(xish)电极的 XRD 图谱图3-2给出了Cu-NPs/ZnO(a)，Cu (b)，ZnO (c)纳米(n m)棒阵列修饰FTO导电玻璃基底的XRD图谱。FTO基底的衍射峰用标记，表示的是ZnO的衍射峰，图中31.91， 34.54，36.37。处三个明显的衍射峰对应于ZnO (100)、(002)、(101)衍射晶面，这与六角铅锋矿结构ZnO的标准值(JCPDS-36-1451)相同。(002)衍射峰强度最强，证明一维ZnO棒的生长方向优先于c轴。Cu衍射峰用标记，衍射峰43.56，50.49为面心立方晶格铜(111)、(200)的衍射晶面，与其标准值(JCPDS-04

51、-0836)吻合一致。XRD的结果表明Cu-NPs和ZnO纳米棒阵列通过电沉积己牢固结合在FTO导电玻璃上，与SEM结果一致。 图3-3纳米(n m)棒阵列镀铜后Cu的EDS谱图3-4纳米棒阵列镀Cu的EDS谱对应的SEM图3-3为ZnO纳米棒阵列镀铜后Cu的EDS谱。通过能谱测试，样品中含有Zn、O、Si、Sn、Cu元素。在1.0，8.0 keV处出现Cu 峰，0.5keV 处出现 O峰，Si和Sn是FTO导电玻璃对应的峰，除了少量的Zn峰外，没有其它的杂质离子存在。表3-2的元素成分分析可知，定量分析(dnglingfnx)K层Cu元素的峰，其质量百分数为39.45%，其次是Sn质量分数3

52、0.55% (分析L层峰)，Si和Zn的含量相对很少，证明二次渡上去的是Cu。随机分析ZnO纳米棒阵列键铜后FTO导电玻璃表面的元素成分，如图3-5和图3-6。分别为ZnO纳米棒阵列镀铜的EDS谱和对应的SEM。1.0 keV处出现Cu峰和Zn峰，两峰重叠在一起，8.0 keV，8.6eV再次出现Cu峰和Zn峰，两处峰强度相差无几。可以说明Cu均匀的镀在了 ZnO纳米结构上。表3-2纳米棒阵列镀铜后Cu元素(yun s)成分分析表ElementWt%At%OK19.4653.21SiK01.4802.30SnL30.5511.26CuK39.4527.16ZnK09.0606.07Matrix

53、CorrectionZAF 图3-5 ZnO纳米(n m)棒阵列镀铜的EDS谱 图3-6 ZnO纳米棒阵列镀铜EDS谱对应的SEM3.3.2修饰(xish)电极的循环伏安CV测试将制得的Cu-NPs/ZnO复合(fh)修饰电极、ZnO修饰电极及裸FTO电极分别置于含5mMFe(CN)63-/4-和0.1 mol/L NaOH溶液中进行循环(xnhun)伏安扫描，扫速50mV-s-1，结果如图3-7所示。图 3-7 (a)裸 FTO (b)ZnO/FTO (c) Cu-NPs/ZnO/FTO 的循环伏安图由图3-7可知，Fe(CN)63-/4-氧化还原电对在裸FTO(a)、ZnO/FTO (b)

54、、Cu-NPs/ZnO/FTO(c)电极上都出现了一对对称的氧化还原峰(-0.1 V到+0.45 V)，相应的阳极峰电位和阴极峰电位差Ep分别为553 mV、0.365 mV、0.252 mV，呈递减趋势，而峰电流Ip则正好相反，依次递增。因此在裸FTO电极上，单电子转移的Fe(CN)63-/4-电对的氧化还原过程是准可逆的。电沉积的纳米ZnO是半导体材料，具有一定的导电性，某种程度上可加速氧化还原探针和电极间的电子传递，所以ZnO/FTO(b)相对于裸FTO(a)的峰电流Ip稍有所增加。而Cu-NPs/ZnO复合纳米电极，Ip最大。纳米铜，增加了电活性粒子的表面积，它良好的导电性，使得铁氰化

55、钾氧化还原电对很容易在工作电极表面发生电子转移。与图3-8的EIS结果相吻合。3.3.3修饰电极的电化学阻抗EIS测试将制得的Cu-NPs/ZnO复合修饰电极、ZnO修饰电极及裸FTO电极分别置于含5 mM Fe(CN)63-/4-和0.lmol/L NaOH溶液中进行交流阻抗EIS测试。频率范围0.01-100000 Hz，交流振幅0.005 V，结果如图3-8所示。 图3-8 (a) 裸FTO (b)ZnO/FTO (c) Cu-NPs/ZnO/FTO 的交流(jioli)阻抗图EIS可以用来研究修饰电极表面的性质。法拉第阻抗谱由一个半圆和一条直线组成，当电压变化处于高频段时，阻抗谱呈半圆

56、形，对应于电化学体系中界面(jimin)电子转移受限情况，在电压变化处于低频段时，阻抗谱则呈直线形，对应于电解质溶液扩散受限过程。半圆部分直径就是电子转移受限的电阻(Rct)，与电极表面电子传递电阻成正比。Cu-NPs/ZnO/FTO的Rct(150.38)ZnO/FTO的Ret(392.66)裸FTO电极的Rct(868.75)。由此可见，Cu-NPs/ZnO复合修饰电极的阻抗最小，电极表面的电子传递效率最高。ZnO/FTO和裸FTO电极的阻抗都较大，说明ZnO基底表面上成功修饰上了纳米铜颗粒。它在电子转移过程中起到了电子媒介体的作用，传感器的导电性能显著增强。3.3.4修饰(xish)电极

57、在NaOH溶液中的电化学行为将Cu-NPs/ZnO/FTO纳米修饰电极、ZnO/FTO修饰电极分别置于0.lmol/LNaOH溶液中进行循环伏安扫描，扫速100mVs-1,扫描范围-0.5-0.3 V，结果如图3-9所不。图 3-9 Cu-NPs/ZnO/FTO (a) ZnO/FTO(b)在 NaOH 溶液中的循环伏安图-0.5 V到0.3 V的电位范围内，有两个氧化峰和一个还原峰，对应于纳米铜颗粒的氧化还原过程。两个阳极峰A2(A1)是Cu(I)氧化到Cu(II)的氧化峰，阴极峰C1是Cu(II)还原为Cu(I)的还原峰。Cu2O(CuOH)还原到Cu的峰在-0.8 V附近(图4暂时没有给

58、出)。与先前报道的Cu/GC电极在0.1 MNaOH溶液的循环伏安结果一致。ZnO纳米棒较大的比表面积非常有利于Cu纳米粒子的固定(gdng)，铜纳米粒子修饰到ZnO纳米棒阵列后，阳极和阴极峰电流快速增加，可见铜纳米粒子已成功嵌入到ZnO基底。而ZnO/FTO(曲线b)，看不到明显的氧化还原峰，说明ZnO基底显著影响着铜纳米粒子的电化学沉积过程。据以前的报道，氧化锌已作为众多无机纳米粒子固定和嵌入的基底，如金、银、银、销、锗等。3.3.5 Cu沉积(chnj)时间和测试电压的优化Cu修饰到电极上的时间(shjin)(沉积时间)是电催化氧化葡萄糖过程中一个重要的影响因素。图3-10是在0.1 m

59、olL-1 NaOH底液，5 mM葡萄糖的氧化峰电流随时间的变化图。沉积时间分别为180s，240s，300 s，360 s，500s。当沉积时间为300s时氧化峰电流达最大值，当超过300 s，峰电流开始减小。沉积时间过短时，ZnO棒的表面没有完全被Cu纳米粒子覆盖，减少了纳米Cu的催化活性位点，降低了测定葡萄糖的灵敏度。如果沉积时间过长，Cu纳米粒子聚集在一块，比表减少，Cu作为纳米粒子催化剂的优势被削弱。因此Cu最佳沉积时间为300 s。图3-11为0.1 molL-1 NaOH底液，Cu-NPs/ZnO纳米棒阵列修饰电极在1 mM葡萄糖溶液中，于+0.1V到+0.8 V电压下的峰电流曲

60、线图。可见，0.4 V以下, 葡萄糖的峰电流响应值很小,0.4 V-0.6 V迅速增加，之后缓慢递增。这个结果同图3-13曲线a的CV图一致。较高的电压，许多活性物质会干扰葡萄糖浓度的检测，为了降低该干扰，最终选择+0.7V (恒电压)作为测试电压。图3-10 Cu沉积时间的优化 图3-11测试(csh)电压的优化3.3.6不同扫速下Cu-NPs/ZnO复合修饰电极(dinj)的电化学行为 图3-12Cu-NPs/ZnO复合修饰电极(dinj)在不同扫速下的循环伏安图采用循环伏安，检测Cu-NPs/ZnO纳米修饰电极在不同扫速下对葡萄糖氧化的影响，如图3-12所示。扫描速率分别为20、40、6