1、檢測技術論文 姓名：學號專業：電氣工程及其自動化 基于ZnO納米材料的無酶葡萄糖傳感器 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc437889880 1葡萄糖傳感器 PAGEREF _Toc437889880 h 3 HYPERLINK l _Toc437889881 l.l葡萄糖傳感器的工作原理及其分類 PAGEREF _Toc437889881 h 3 HYPERLINK l _Toc437889882 1.1.1葡萄糖傳感器的用途及分類 PAGEREF _Toc437889882 h 3 HYPERLINK l _Toc437889883 1.1.2葡萄糖傳感器的的

2、工作原理 PAGEREF _Toc437889883 h 3 HYPERLINK l _Toc437889884 1.1.3葡萄糖酶生物傳感器的的發展歷程 PAGEREF _Toc437889884 h 3 HYPERLINK l _Toc437889885 1.2無酶葡萄糖傳感器的原理、分類及其發展 PAGEREF _Toc437889885 h 4 HYPERLINK l _Toc437889886 1.2.1無酶葡萄糖生物傳感器的工作原理及優勢 PAGEREF _Toc437889886 h 4 HYPERLINK l _Toc437889887 1.2.2無酶葡萄糖生物傳感器的分類 P

3、AGEREF _Toc437889887 h 5 HYPERLINK l _Toc437889888 1.2.3無酶葡萄糖生物傳感器的發展 PAGEREF _Toc437889888 h 5 HYPERLINK l _Toc437889889 2 ZnO納米材料 PAGEREF _Toc437889889 h 8 HYPERLINK l _Toc437889890 2.1 ZnO納米材料簡介 PAGEREF _Toc437889890 h 8 HYPERLINK l _Toc437889891 2.2 ZnO納米材料的制備方法 PAGEREF _Toc437889891 h 8 HYPERLI

4、NK l _Toc437889892 2.2.1氣相沉積法 PAGEREF _Toc437889892 h 8 HYPERLINK l _Toc437889893 2.2.2分子束外延和磁控濺射法 PAGEREF _Toc437889893 h 8 HYPERLINK l _Toc437889894 2.2.3水熱法和溶膠凝膠法 PAGEREF _Toc437889894 h 8 HYPERLINK l _Toc437889895 2.2.4模板法和電化學沉積法 PAGEREF _Toc437889895 h 9 HYPERLINK l _Toc437889896 2.3ZnO納米材料修飾電極

5、的表征 PAGEREF _Toc437889896 h 9 HYPERLINK l _Toc437889897 2.4 ZnO納米材料在葡萄糖傳感器中的應用及優勢 PAGEREF _Toc437889897 h 9 HYPERLINK l _Toc437889898 3電沉積Cu-NPs/ZnO納米棒陣列的無酶葡萄糖傳感器 PAGEREF _Toc437889898 h 10 HYPERLINK l _Toc437889899 3.1引言 PAGEREF _Toc437889899 h 10 HYPERLINK l _Toc437889900 3.2實驗部分 PAGEREF _Toc43788

6、9900 h 11 HYPERLINK l _Toc437889901 3.2.1儀器與試劑 PAGEREF _Toc437889901 h 11 HYPERLINK l _Toc437889902 3.2.2修飾電極的制備 PAGEREF _Toc437889902 h 12 HYPERLINK l _Toc437889903 3.3結果與討論 (電沉積Cu-NPs/ZnO納米棒陣列的無酶葡萄糖傳感器的優勢) PAGEREF _Toc437889903 h 12 HYPERLINK l _Toc437889904 3.3.1工作電極的表征(SEM、XRD、EDS) PAGEREF _Toc4

7、37889904 h 12 HYPERLINK l _Toc437889905 3.3.2修飾電極的循環伏安CV測試 PAGEREF _Toc437889905 h 14 HYPERLINK l _Toc437889906 3.3.3修飾電極的電化學阻抗EIS測試 PAGEREF _Toc437889906 h 15 HYPERLINK l _Toc437889907 3.3.4修飾電極在NaOH溶液中的電化學行為 PAGEREF _Toc437889907 h 16 HYPERLINK l _Toc437889908 3.3.5 Cu沉積時間和測試電壓的優化 PAGEREF _Toc4378

8、89908 h 16 HYPERLINK l _Toc437889909 3.3.6不同掃速下Cu-NPs/ZnO復合修飾電極的電化學行為 PAGEREF _Toc437889909 h 17 HYPERLINK l _Toc437889910 3.3.7葡萄糖在不同修飾電極上的電化學行為 PAGEREF _Toc437889910 h 18 HYPERLINK l _Toc437889911 3.4傳感器的線性度 PAGEREF _Toc437889911 h 20 HYPERLINK l _Toc437889912 3.5傳感器的選擇性 PAGEREF _Toc437889912 h 20

9、 HYPERLINK l _Toc437889913 3.6傳感器的重復性及穩定性 PAGEREF _Toc437889913 h 20 HYPERLINK l _Toc437889914 3.7血清中葡萄糖的檢測 PAGEREF _Toc437889914 h 21 HYPERLINK l _Toc437889915 3.8測量電路 PAGEREF _Toc437889915 h 21 HYPERLINK l _Toc437889916 3.9本章小結 PAGEREF _Toc437889916 h 221葡萄糖傳感器l.l葡萄糖傳感器的工作原理及其分類1.1.1葡萄糖傳感器的用途及分類葡萄

10、糖是多輕基酸的單糖，自然界分布廣泛。純凈的葡萄糖無色、稍有甜味，易溶于水，微溶于乙醇。葡萄糖作為一種重要的能量來源物質，是人類生命活動和新陳代謝所必須的營養物質。隨著老齡化社會的到來和不斷提高的生活水平，我國糖尿病發病率呈逐年上升趨勢。葡萄糖是檢測糖尿病人身體狀況的重要指標，當檢測空腹血糖大于7.0 mmol/L時并且伴有相關的臨床癥狀時，則可以確診為糖尿病。將血液中葡萄糖濃度控制在正常值范圍內，就可避免其對健康的危害，因此，快速、準確的檢測葡萄糖濃度的傳感器具有非常重要的研究價值。檢測葡萄糖濃度的方法眾多，如高效液相色譜、分光光度法、掃描極譜等，生物傳感器避免了這些傳統檢測方法分析速度慢、成

11、本高的缺點，近年來發展迅速。按照分子識別元件的不同，生物傳感器可分為酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、組織傳感器、電化學免疫傳感器。敏感材料依次為酶、微生物、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。按器件的檢測原理可分為熱學生物傳感器、場效應生物傳感器、光學生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導體生物傳感器等。換能器依次為熱敏電阻、場效應晶體管、光電轉換器、壓電晶體、半導體。按照基底電極的不同分為衆電極傳感器和固體電極(金電極、玻碳電極、碳糊電極、半導體金屬電極)傳感器。按照被測物質與敏感膜識別作用方式的不同，可將傳感器分為代謝型、親和型、催化型。1.1.2葡萄糖傳感器的的工作原理分子識別元件分子識別

12、元件換能器被分析物質化學量變化可處理電信號圖1-1生物傳感器工作原理圖 生物傳感器以生物敏感材料作為識別元件，被分析物質通過擴散作用進入生物敏感膜，發生生物學相關反應，通過物理或者化學換能器將反應的程度用定量的電信號表達出來，經放大器放大輸出，從而得出被測物質的濃度。1.1.3葡萄糖酶生物傳感器的的發展歷程葡萄糖酶傳感器根據葡萄糖氧化過程的電子傳遞機理，分為3個發展階段：第一代葡萄糖酶傳感器通過O2作為電子傳遞介體，GOD將02還原成H2O2，O2濃度的降低和H2O2濃度的升高與葡萄糖濃度成正比，因此可以檢測GOD反應過程O2的消耗量或H2O2的消耗值來確定葡萄糖的濃度。酶層：GODox +

13、glucose GODred + gluconolactoneGODred + O2 GODox+ H2O2電極：H2O2 O2 + 2H+ + 2e-第一代傳感器存在一些缺點：氧濃度的波動明顯影響到電流響應值，使其也不穩定，溶液中氧濃度有限，隨著氧的消耗，修飾電極對葡萄糖的電流響應減弱，同時受溫度和酸度影響較大。第二代葡萄糖酶傳感器用電子介體如：鐵/鐵氰化鉀、二茂鐵和某些有機染料作電子接受體，加速了修飾電極表面和酶活性中心的電子傳遞，提高了酶傳感器的電子傳導效率，避免了氧對第一代傳感器的影響。同時，電子介體降低了葡萄糖酶傳感器的電位，使葡萄糖的測定免受電活性物質的干擾，提高了測試的準確度。工

14、作原理如圖1-2所示。電極電極氧化酶活性中心電子葡萄糖MoxMred圖1-2第二代葡萄糖醉傳感器工作原理圖第三代葡萄糖酶傳感器將葡萄糖氧化酶吸附固定在修飾電極表面，電子直接在酶的活性中心和修飾電極間進行傳遞，不需要氧分子和電子介體，電子的傳遞更容易、更迅速。因此測定葡萄糖的靈敏度高、響應速度快。酶層：GODox + glucose GODred + gluconolactone電極：GODredGODox + ne-第三代傳感器相比前兩代，避免了氧氣和電子介體的限制，電子直接在酶和工作電極間轉移，抗干擾能力強。但是酶屬于蛋白質分子，相對分子質量很大，活性中心深埋于其內部，酶經固定后容易變形，電

15、子在葡萄糖酶分子與電極表面的傳遞效率會受到影響。1.2無酶葡萄糖傳感器的原理、分類及其發展1.2.1無酶葡萄糖生物傳感器的工作原理及優勢無酶葡萄糖傳感器檢測葡萄糖的過程中沒有GOD (葡萄糖氧化酶)的參與。純凈的葡萄糖溶于水有以下三種構象：-葡萄糖、-葡萄糖、-葡萄糖。和構象的葡萄糖幾乎占到了100%。無酶葡萄糖傳感器的工作原理如下所示：固相催化劑固相催化劑-葡萄糖/-葡萄糖 葡萄糖酸內酯+2e-葡萄糖在固相催化劑如金屬(Pt、Au、Cu、Co、Ni)，金屬氧化物、合金或者碳納米管下被催化氧化為葡萄糖酸內酯。無酶葡糖糖的催化氧化大多在堿性條件下，支持電解質一般用0.1 MNaOH溶液，氧化電位

16、選取0.3 - 0.8 V間。也有在中性條件(0.1MpH=7.4的PBS溶液)下檢測，效果也較好。與有酶葡萄糖傳感器相比，無酶傳感器的優勢在于：第一，沒有了酶的參與，省去了酶繁瑣、復雜的固定化過程，使得無酶傳感器的制備變得簡單、易操作；第二，酶的活性易受溫度、pH的影響，有酶傳感器的穩定性隨著酶活性的降低而降低，無酶傳感器的使用壽命相對較長，穩定性較好；第三，酶純化過程困難，其成本高，無酶葡萄糖傳感器若釆用普通金屬催化劑其成本就會低很多；第四，無酶的條件下，直接避免了溶解氧對葡萄糖氧化的影響。同時，找尋較佳的電位就可消除溶解氧對氧化電流的干擾。1.2.2無酶葡萄糖生物傳感器的分類無酶葡萄糖傳

17、感器依據測試方法可分為電位型、伏安型和電流型傳感器。電位式無酶葡萄糖傳感器基于修飾到電極上的物質與葡萄糖作用時電位發生變化的原理檢測葡萄糖濃度。Shoji報道了利用含有取代基的聚苯胺的pKa的電感效應，硼酸分子與二醇的絡合常數不同使得無酶葡萄糖傳感器的電位發生變化，在0.1 M的PBS溶液中可檢測4-6 mM的葡萄糖。利用伏安法、無酶條件檢測葡萄糖濃度所制備的傳感器稱之為伏安型無酶葡萄糖傳感器。Choi將含疏基的-環糊精自組裝到Au電極表面，-環糊精中的二茂鐵結構捕獲葡萄糖分子，二茂鐵被葡萄糖取代，電化學檢測過程中的電流隨著葡萄糖濃度的變化而變化，根據電流的變化可知葡萄糖的濃度。電流型無酶葡萄

18、糖傳感器是三種類型中研究最多的一種傳感器，依據葡萄糖氧化電流和其濃度成正比來檢測葡萄糖的濃度。林丞等將過氧化聚啦咯(Ox-PPy)電聚合到PGE電極上，再修飾一層酞菁鈷(CoPc)，制得電流型葡萄糖傳感器。該傳感器檢測葡萄糖電位低，響應時間短，穩定性好，對與葡萄糖共存的電活性物質如果糖等具有強的抗干擾能力。Bindra用Nafion膜修飾Au電極，脈沖伏安電流法檢測碳水化合物，檢測葡萄糖的檢測限可達4-5 pg。1.2.3無酶葡萄糖生物傳感器的發展隨著葡萄糖傳感器的發展，基于不同材料修飾電極的無酶葡萄糖傳感器成為人們競相的研究的熱點。葡萄糖在修飾電極表面發生電化學氧化，修飾電極的材料包括貴金屬

19、，如：Pt、Au、 Ag、Pd等，碳納米管，復合材料如：Pt-Pb、 Pt-Ir、Ni-Ti、Pt-MWCNTs、Ni10Cu90等，過渡金屬及其氧化物如：Cu、Ni、 CuO、 NiO、Cu2O等，還有磁性納米材料Fe3O4。1.2.3.1貴金屬材料修飾電極Pt、Au、Pd對葡萄糖的催化氧化具有較強的活性。Park等人構建了多孔Pt電極，利用其表面的粗糙度選擇性的提高了反應中的法拉第電流，在干擾物抗壞血酸和4-乙醜氨基苯酌的存在下，對葡萄糖響應靈敏，靈敏度達9.6 Acm-2mM-1。 Yuan等人利用模板法將Pt沉積在3-氨丙基三甲氧基修飾的陽極氧化鋁膜內，制備出高度有序的Pt納米管陣列N

20、TAEs，檢測葡萄糖的線性范圍寬至14mM。 Chen等制備出多孔Au電極NPG檢測葡萄糖，該傳感器對葡萄糖的響應電流值大、快速，能有效的避免溶液中有機物的影響。Bai等人利用經CdS修飾的氧化鍋膜制備出管狀Pd納米結構的無酶葡萄糖傳感器。檢測1.0-8.0 mM葡萄糖回收率在98-103%，檢出限8.0 x10-5mol/L。該類材料修飾的電極表面在吸附葡萄糖催化氧化過程中產生的中間產物后容易發生中毒現象，而且在氯離子濃度過高時，檢測葡萄糖的靈敏度下降。同時還會吸附血液中一些有機物質，如抗壞血酸、尿酸、氨基酸等，影響檢測的結果。共存的其它糖類物質像果糖在合適的電位下會隨葡萄糖一起被催化氧化，

21、增加了實際的氧化電流，使得修飾電極的選擇性變差。1.2.3.2過渡金屬及其對應的氧化物/氫氧化物材料修飾電極過渡金屬Cu、Ni及其氧化物(CuO、NiO)、氧氧化物等以其相對低廉的價格，對葡萄糖檢測具有較好的選擇性和穩定性，近年來受到人們的廣泛關注。Zhao等通過在室溫下改變還原劑CuO的量合成出兩種形貌納米Cu結構，Cu花狀結構和Cu八面體結構，花狀結構Cu由Cu納米粒子聚集而成，Cu八面體結構由中間態氧化亞銅轉變而來，前者對葡萄糖的催化活性高于后者。Zhang等人合成了一維尺寸、縱橫比大于200的Cu納米線，將其修飾到玻碳電極，制備了超靈敏、選擇性強的無酶葡萄糖傳感器。比未修飾Cu納米線的

22、電極靈敏度高10000倍，達420.3AmM-1cm-2，檢測限低至35 nM，該傳感器不受氧氣和氯離子的干擾。Sim等把納米金剛石(BDND)層自組裝到Cu/Cu(OH)2電極表面，制得BDND/Cu/Cu(OH)2修飾電極的葡萄糖傳感器，該傳感器對葡萄糖的檢測范圍0-6mM，最低檢測限9M，靈敏度 2.1592 mA cm-2 mM-1。Satheesh Babu等人在草酸鉀溶液中，陽極氧化Cu電極得CuO/CuOx電極的無酶葡萄糖傳感器。該傳感器于0.1MNaOH溶液檢測葡萄糖的最佳電壓在0.7 V，靈敏度極高1890AmM-1 cm-2，線性范圍至15 mM，(相關系數R=0.9999

23、)，檢出限 0.05 M(S/N=3)，成功的用于檢測人血清中的葡萄糖濃度。Liu等人從硝酸銅和聚乙烯吡咯烷酮溶液通過靜電紡絲和鍛燒技術制備出CuO納米纖維修飾ITO電極的葡萄糖傳感器，最后熱處理除去PVP。三倍噪音下的檢出限為40nM，對葡萄糖響應的線性范圍從0.2M到1.3 mM，靈敏度873AmM-1cm-2，線性范圍寬，靈敏度高。Cu及Cu基材料在堿性溶液中對葡萄糖的催化氧化機理被認為是Cu(II)/Cu(III)在發揮作用，該機理還有爭議。Guo等以銷酸鎳為原始溶液，最后退火處理將Ni(OH)2轉化為NiO，泡沫鎳(NF)為基底，制得三維NiO/NF傳感器。經NiO和NF的協同作用，

24、該傳感器對葡萄糖檢測的性能良好。Lu等人把二價鎳溶液電化學沉積到聚碳酸酯(PC)膜內，利用模板法合成出線納米線陣列(NiNWAs)，將鎳納米線陣列修飾的電極檢測葡萄糖，呈現良好的電化學性能，線性范圍從0.5M到7.0 mM，靈敏度高達1043 AmM-1 cm-2，檢測限0.1 M，該傳感器重現性好，壽命長，穩定。Luo等人電沉積NiO粒到介孔碳OMC，再將其修飾到玻碳電極GCE上，利用循環伏安和計時電流法檢測，對葡萄糖響應時間小于2s，檢出限0.65 M。Cao等人提出了改進的無酶葡萄糖傳感器新方法，不需要其它固定技術，通過靜電紡絲技術將CuO摻雜NiO的超細纖維修飾到FTO導電玻璃表面，C

25、uO-NiO-MFs比單獨的NiO-MFs對葡萄糖的催化性能好，將其用于實際血清樣品檢測，結果與自動電化學儀一致。Luo等人依據結晶-溶解-再結晶原理成功合成了高比表面積、一維尺寸的-Ni(OH)2納米結構。-Ni(OH)2由-Ni(OH)2轉化而來，反應體系中CF3COONa水解產生的氧氧根離OH-的減少，體系中CF3COOH增多，溶液由堿變酸，因此不穩定的-Ni(OH)2晶體溶解再結晶，形成的p-Ni(OH)2納米片對葡萄糖電催化性能增強，電流響應迅速。鎳系材料對葡萄糖的催化氧化也是通過Ni2+/Ni3+實現的，反應方程為：NiO + OH- NiO(OH) + e-NiO(OH) + g

26、lucose Ni(OH)2+ glucolactone實驗發現，單獨該類材料制成的無酶葡萄糖傳感器對血液中存在的抗壞血酸、尿酸、氯離子及其它的碳水化合物也有響應的電流響應，對葡萄糖的測定會有干擾， 需再修飾電極表面加抗干擾膜以提高該類傳感器的選擇性。1.2.3.3碳納米管修飾電極碳納米管具有良好的力學、電磁、吸附、催化性能，它優異的導電性能可提高被測物質與修飾電極間的電子傳遞效率，近年來在無酶葡萄糖傳感器領域備受研究者青睞。葉建山等人在Ta基底上鍍一層8-50 nm的Co，按照的磁控濺射方法方法合成了直徑200-400 nm，長度10m直立的多壁碳納米管陣列。將其修飾到玻碳電極表面，構建了無

27、酶葡萄糖傳感器。與裸玻碳電極相比，經MWCNTs修飾的工作電極檢測葡萄糖的電位較低在+0.2 V，這個電位下，該傳感器對其它共存物質呈現了良好的選擇性，干擾物不會在修飾電極上發生電化學催化氧化。當Cl-=0.2mol/L時，電極并沒有出現中毒現象，檢測葡萄糖的靈敏度仍然很高，4.36l0-3AmM-1cm-2，線性范圍為2.0 M - 11 mM，檢出限1M。Wang等把納米管CNT溶解在Nafion中，CNT/Nafion修飾玻碳電極構建的無酶傳感器在較低的電壓下對葡萄糖有很好的選擇性。Wang等通過兩步熱解法將高分散的Pt納米顆粒與MWCNTs結合，再在其表面修飾Nafion制得電流型葡萄

28、糖傳感器。檢測電壓0V，線性范圍1.0-26.5 mM(相關系數大于0.999)。Kang和Make等人將MWCNTs和Cu納米粒結合，溶于Nafion后再將其修飾到GCE電極上,堿性溶液檢測葡萄糖效果良好。碳納米管優異的導電性、大的比表面積和穩定性，在電催化領域有重要的應用價值。對碳納米管功能化或者負載具有催化性能的貴金屬，能有效提高催化劑的利用效率。碳納米管獨特的性能在生物傳感器方向有不錯的應用前景。1.2.3.4復合納米材料修飾電極復合納米材料是由2種或2種以上的晶質、半晶質(一維尺寸在1-100 nm)復合而成的材料。近年來，納米復合材料發展迅速，綜合性能優良。Wang等用水熱法以水合

29、肼為還原劑，在Ti基底上制的納米Ni/Ti修飾電極。堿性溶液中催化葡萄糖的速率在1.67cm3mol-1s-1，檢出限1.2M。Shim合成出Au-Ru復合催化材料，殼聚糖CHIT作為交聯劑，修飾到玻碳電極上，GC/npAu-Ru/CHITd電極的靈敏度(240 AmM-1cm-2)是GC/npAu/CHIT的6倍，說明Au和Ru形成的復合材料對葡萄糖具有更高的催化活性。Yeo等人研究了 NixCu100-x合金對葡萄糖的電催化性能。由于鎳和銅的協同作用，Ni10Cu90在堿性溶液中對葡萄糖的響應性能最好。Ozcan等人電化學聚合四磺酸酞菁鈷到石墨電極，構建的無酶葡萄糖傳感器用DPV法檢測，檢

30、出限0.1 mM，線性范圍0.25mM-20mM。該傳感器穩定性、重現性、抗干擾能力較好。構建的無酶葡萄糖傳感器中，復合納米材料對葡萄糖的電流響應能力提高，電催化性能增強，因此，幵發復合材料的催化劑為人們提供了新的思路。1.2.3.5磁性Fe3O4納米材料修飾電極磁性納米材料與常規的納米材料不同，主要區別在于處在納米級別的物理長度是與磁性相關的。當磁性體的尺寸與這些物理長度差不多時，出現不同的磁學與電學現象。Fe3O4是比較常見的一種納米磁性材料，廣泛應用于醫學與分離分析技術。近年來，研究者發現Fe3O4具有過氧化物模擬酶的性質，能夠催化一些物質的氧化反應。Wei等沉淀法合成納米Fe3O4材料

31、用于催化氧化還原酶底物ABTS，并結合葡萄糖氧化還原酶GOx檢測葡萄糖。實驗證明Fe3O4納米材料在未來建立快速、簡單的分析途徑中有廣闊的應用前景。磁性納米材料擁有磁性和納米尺寸的雙重優勢，會引發人們更多的關注和興趣。2 ZnO納米材料2.1 ZnO納米材料簡介ZnO俗名鋅白，鋅白粉，白色固體,，無味，難溶于水，屬于兩性氧化物，可溶于酸和堿。分子量81.37，密度為5.606 g/cm3，溶點達1975 C。ZnO屬于六方晶系晶體，鉛鋅礦結構。納米ZnO是21世紀新型高功能無機材料，粒徑處于納米級尺寸，因此它具備納米材料的表面效應、體積效應和宏觀隧道效應。ZnO性質穩定，研究者發現它在催化、光

32、、電、磁等領域具有其它無機沒有的特殊性能和用途，在橡膠、電纜、顏料、催化劑、化妝品、陶瓷及醫藥等行業有重要的應用價值和應用前景。2.2 ZnO納米材料的制備方法2.2.1氣相沉積法氣相沉積法分為物理氣相沉積和化學氣相沉積。后者在制備ZnO過程中應用的較多，又細分為簡單蒸氣反應、碳熱還原反應、金屬有機化合物氣相沉積MOCVD法。第一種Zn粉末為原料，在氧氣的氛圍下通過簡單的氧化反應沉積生長 ZnO。用反應式表示如下：Zn(g) + O2(g)ZnO(g)ZnO(l)ZnO(s)。第二種普通ZnO和C原料(碳粉、石墨、CNTs) 二者在特定溫度下發生還原反應，得到氣態Zn，催化劑下，經氧化得到Zn

33、O納米材料。第三種金屬有機鋅化合物如：乙酰丙酮絡鋅、二乙基鋅為原料，在高溫，O2/N2氣流下，蒸發、沉積來制備，改變溫度、催化劑、基底等可制備不同尺寸和形貌的納米ZnO。2.2.2分子束外延和磁控濺射法分子束外延(MBE)法，是在超高真空條件下，物理沉積薄膜的方法。物質分子經高溫蒸發、離子化、裂解等，直接在襯底表面成核、生長。該法制得的晶體完整、厚度均勻，但是其設備成本高、操作復雜，高真空的條件限制了其應用范圍。磁控濺射在制備ID納米材料時不是很常用，Ar發生電離，在陰極被加速后轟擊靶材，靶材原子被濺射出來，進而沉積到基片表面。靶的材質不一樣，濺射時間不一樣，得到不同靶材和厚度的薄膜。該法要求

34、適宜的濺射功率、真空度，高純的保護氣體，鍍膜與基底結合牢固、鍍層均勻。2.2.3水熱法和溶膠凝膠法水熱法是液相反應中較常見的制備納米材料的方法。以水為溶劑，于反應釜高溫高壓下發生化學反應。確定反應物的比例，反應時間、溫度、壓力等，這些因素都會影響到所制備材料的尺寸。Vayssieres等混合摩爾分數相等的六水硝酸鋅和六亞甲基四胺HMT，ITO玻璃，單晶Al23，Si/SiO2分別為基底，于95 C下反應數小時，結束后，蒸饋水，清洗烘干。在基底上得到了有序、直立的ZnO納米棒陣列。棒的直徑100-200 nm，長度在10m左右。用溶膠凝膠法制備ZnO，把前驅體(硝酸鋅或者醋酸鋅)溶解在溶劑(HM

35、T或者乙醇)溶液中，二者發生水解(或醇解)作用形成溶膠，經干燥得凝膠，再燒結制出ZnO納米材料。兩種方法的體系和反應原理相似，不同之處在于后者比前者要多出一個步驟，沉積的產物是凝膠狀的鋅的復合物，經熱處理才能制備出ZnO納米棒，而前者沉積得到的產物直接就是納米ZnO。2.2.4模板法和電化學沉積法模板法主要用陽極氧化鋁膜(AAMs)，聚碳酸酯(PC)膜,，碳納米管、多孔硅石膜為模板，其中的孔道作為材料的生長通道，是制備線狀納米材料的有效途徑。模板法能很好的控制納米材料的生長分布、形貌和尺寸。Li等電沉積Zn到陽極氧化鋁膜內，再氧化Zn納米線制備得半導體ZnO納米線。多晶ZnO納米線的直徑從10

36、-90 nm，整齊排列在AAM的通道內。電化學沉積(electrochemical deposition，ECD)，指金屬或者合金或者金屬化合物在電場作用下從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中在電極表面沉積出來的過程，通常伴有電子得失。ZnO納米材料的制備以鋅鹽的水溶液為電解液(三電極體系)，對工作電極施加一負電壓,電場作用下，鋅離子向工作電極移動，與氫氧根結合，一定溫度分解后，基底表面就沉積生長了 ZnO納米棒或者納米線。Mari等在pH=6.3，0.005 M的ZnCl2和0.1 M的KCl溶液中，電沉積ZnO到FTO導電玻璃。實驗發現，電流密度、沉積時間、水浴溫度都是影響棒長度的直接因素。

37、棒的平均直徑在300 nm，長度隨沉積時間和電流密度的增大而增加，但是溫度對其的影響正好相反。電化學方法制備ZnO納米材料的優勢是沉積溫度低、操作簡單、便于控制(改變沉積參數就可控制材料的形貌)，反應條件溫和，所得到的納米材料成本低、對環境友好等。2.3 ZnO納米材料修飾電極的表征納米材料修飾電極的表征通常有物理法和電化學方法。物理方法包括掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM，X射線衍射，X射線光電子能譜XPS，STM-TEM組合表征測量系統。電化學方法包括循環伏安CV，交流阻抗EIS，電子探針，計時電流法等。循環伏安是很實用的電化學研究方法。根據CV曲線圖可以判斷電極反應是否可逆，電

38、極的吸附，反應機理和電化學動力學參數的研究。可提供電活性物質發生氧化還原反應的電位，修飾電極的電活性面積、反應的速率常數等。交流阻抗譜以小振幅的正弦波擾動體系進而產生電信號的電測試方法。釆用等效電路法對阻抗譜進行擬合，可以得到溶液電阻、雙電層電容、電荷轉移電阻、擴散阻抗等電化學參數。電子探針法一般以Fe(CN)63-/4-氧化述原電對為探針，把修飾好的電極置于其中進行循環伏安掃描，根據CV圖考察電極表面電子活性能力，電化學信號的強弱反應修飾電極材料的電化學性能。計時電流法分為單電位突躍和雙電位突躍，根據電流響應值與時間的關系可以研究某些電化學反應的機理。i-t曲線圖很好了反應了動力學過程及工作

39、電極表面附近溶液濃度的變化，由科特雷方程進行推導，能得到反應的速率常數。2.4 ZnO納米材料在葡萄糖傳感器中的應用及優勢ZnO是一種與生物分子相容性良好的納米材料。它等電點為9.5，蛋白質類分子的等電點較低，在靜電作用下相互吸附。同時，ZnO對人體無毒、電化學活性強、電子傳輸效率高。有關納米ZnO在葡萄糖傳感器構建方面有了一些報道。Sun等人合成了 ZnO納米梳，固定葡萄糖氧化酶GOx在納米梳上，葡萄糖分子與GOx間強烈的結合力與酶的識別能力，因此該傳感器檢測限低，靈敏度高。ZnO納米結構在生物傳感器方面應用潛力巨大。Ren研究小組把合成的ZnO納米棒作為柵極，同樣固定上GOx，于pH=7.

40、4的緩沖溶液中檢測葡萄糖的線性范圍為0.5 nM到14.5 M，最低檢測限0.5 M。Umar等人通過熱蒸發工藝制備出結晶度高、致密的ZnO納米釘，將其作為基底固定葡萄糖氧化酶，電子在酶的活性位點和電極間直接傳遞，對葡萄糖的響應時間少于10s，0.1-7.1 mM范圍內線性關系達0.9937，靈敏度24.613 AmM-1cm-2。Kong等人在鍍有Au的Si/SiO2基底上，電化學沉積等摩爾的硝酸鋅和六甲基四胺，85C下合成出ZnO納米棒,然后在0.125 M的NaOH溶液中原位刻蝕1.5 h，制得ZnO納米管。管的直徑約250 nm，壁厚45 nm左右，通過交聯劑戊二醛和Nafion膜牢牢

41、修飾酶到ZnO納米管表面構建了葡萄糖傳感器。Kumar等人把Cu納米顆粒和ZnO膜電沉積到ITO導電玻璃和玻碳電極上構建出的無酶葡萄糖傳感器在堿性溶液中對葡萄糖呈現良好的電催化活性。線性范圍1M-1.53 mM，檢出限0.2m。3電沉積Cu-NPs/ZnO納米棒陣列的無酶葡萄糖傳感器3.1引言葡萄糖濃度的高低是衡量某些疾病如糖尿病和內分泌代謝紊亂的重要指標，其含量的高低能直接反應人體的健康狀況。常見的有酶葡萄糖傳感器是基于葡萄糖氧化酶(GOD)對葡萄糖的特異性識別進行檢測，專一性高、識別速率快、選擇性好。但是酶的活性易受外界環境條件，如溫度、濕度、pH和有毒化學品的影響，且酶的固定過程繁瑣，酶

42、成本高，限制了其應用。近年來制備納米級具有催化性能材料的無酶葡萄糖傳感器成為研究的熱點。納米材料良好的表面效應、體積效應可作為電極的修飾材料，在電極表面吸附能力強、生物兼容性好。納米材料如碳納米管、石墨稀、金屬納米顆粒和半導體納米材料，具有高的比表面積、能促進酶的活性位點和電極間的直接電子轉移，特別是半導體納米材料在化學傳感器中具有良好的應用前景。一維納米ZnO是一種具有壓電和光電特性的半導體材料，具有特殊的導電、導熱性能，化學性質穩定，同時又是一種良好的生物適應材料，對人體無毒、無害。ZnO納米結構電化學活性強、電子傳輸特性高，在傳感器領域有很多用途，比如濕度傳感器、氣體傳感器、液體傳感器、

43、生物傳感器和傳感器。近年來，因其催化效率高，吸附力強和較高的等電點(IEP=9.5)，ZnO己廣泛應用于生物傳感器。氧化鋅納米棒陣列有很多種制備方法，這些方法需要高溫，苛刻的反應條件，而電化學沉積方便、經濟，在相對低的溫度下可快速大規模制備有序的ZnO納米棒。納米金屬Cu及以銅為基礎的電極材料，表面積大、活性位點多，導電性能好，增強了電子的傳遞效率。在眾多化學反應中具有優異的催化性能，相比于金屬合金、過渡金屬Pt、Pd，Cu的資源豐富，更容易獲取。用電化學沉積法構建(Cu納米顆粒)Cu-NPs/ZnO納米棒陣列制備特殊形貌的無酶葡萄糖傳感器還尚未見報道。本實驗基于Cu-NPs/ZnO納米棒陣列

44、成功地制備了簡單、低成本、環保的電流型葡萄糖生物傳感器。第一步電沉積ZnO納米棒陣列，它較整齊的生長在FTO導電玻璃基底上；第二步沉積納米銅顆粒到ZnO納米棒陣列上。銅納米顆粒和ZnO納米棒的協同作用,使得傳感器靈敏度高，穩定性好，特異性強。3.2實驗部分3.2.1儀器與試劑表3-1實驗試劑及儀器試劑及儀器型號六水合硝酸鋅分析純氯化鉀分析純五水硫酸銅分析純無水硫酸鈉分析純鐵氰化鉀分析純亞鐵氰化鉀分析純e-D葡萄糖分析純氫氧化鈉分析純尿酸分析純抗壞血酸分析純Hyclone胎牛血清標準掃描電子顯微鏡Quanta-200型X射線衍射儀D500電化學工作站CHI 660C超聲波清洗機KQ3200恒溫水

45、浴鍋DK-S28摩爾超純水機Melecular電子分析天平AL104磁力加熱撞拌器78-1型電化學測量釆用三電極系統：FT0(7)導電玻璃為工作電極，Ag/AgCl (KC1飽和)為參比電極，(實驗中所有的電位均是相對于參比電極的電勢而言)，Pt電極為對電極。實驗用水均為二次蒸餾水，-D葡萄糖儲備液在常溫下消旋過夜，NaOH作為支持電解質。D500自動化X射線衍射儀(德國西門子公司)用于XRD圖的釆集。Quanta-200型掃描電子顯微鏡(SEM，美國FEI公司)用于檢測所制樣品的形貌。3.2.2修飾電極的制備Cu-NPs/ZnO納米電極制備過程如下：(1)FTO導電玻璃預處理：FTO導電玻璃

46、(21.5cm2)分別用丙酮、無水乙醇、清水、二次蒸館水各超聲10 min，然后供干備用。(2)電化學沉積ZnO納米棒：先配置電化學沉積液(0.01mol/L的六水硝酸鋅和0.1 mol/L的KC1 (支持電解質)。將三電極置于60 mL沉積液中，工作電極和對電極保持3cm距離，FTO工作電極作陰極，在恒定的-1.0 V電壓下沉積1800s，溫度控制在8。沉積結束后，用大量二次蒸館水清洗各電極，沉積有ZnO納米棒的工作電極(一層透明的薄膜)晾干備用。(3)電沉積納米Cu顆粒：將沉積有ZnO的工作電極置于0.01mol/LCuS04-5H2O和0.1 mol/LNa2SO4溶液中，于-0.4 V

47、恒定電壓下(相對于Ag/AgCl (KC1飽和)沉積300 s，然后用蒸餾水沖洗干凈晾干備用。3.3結果與討論 (電沉積Cu-NPs/ZnO納米棒陣列的無酶葡萄糖傳感器的優勢)3.3.1工作電極的表征(SEM、XRD、EDS)FTO導電玻璃的基底上得到了均勻、致密的ZnO納米棒(平面圖3-l(a)，棒的取向性很好，多數垂直在FTO基底上，直徑在110-140 nm之間，呈規則的六方鉛鋅礦結構。因為在ZnO晶核形成初期，己初步具備c軸擇優生長取向，在晶核長大過程中，為保證晶體表面能最小，晶核沿c軸方向迅速長大，最終形成ID ZnO納米棒陣列。經納米修飾過的Cu-NPs/ZnO工作電極釆用掃描電子

48、顯微鏡表征如圖3-l(b)所示。可見，ZnO納米棒的頂端和側壁已修飾上了Cu納米粒子，通過電沉積Cu粒子牢固結合到ZnO納米陣列的表面，直徑在70nm-150nm。恒電位沉積的方法為ZnO晶體的生長提供了活性中心，ZnO便于生長均勻，而且ZnO牢固的結合在工作電極表面，不容易剝落。電化學沉積將Cu2+還原成Cu顆粒，納米棒較大的比表面積非常有利于Cu的沉積，最終納米Cu顆粒穩定地吸附在ZnO納米棒上，這樣形成更多的電催化中心，能更好的催化氧化葡萄糖。 圖3-1 (a) ZnO納米棒陣列修飾電極的SEM 圖3-1(b) Cu-NPs/ZnO修飾電極的SEM采用X射線衍射儀對Cu-NPs/ZnO(

49、a)，Cu(b)， ZnO(c)修飾的電極表征，如圖3-2所示。圖 3-2 Cu-NPs/ZnO (a)， Cu (b)，ZnO (c)修飾電極的 XRD 圖譜圖3-2給出了Cu-NPs/ZnO(a)，Cu (b)，ZnO (c)納米棒陣列修飾FTO導電玻璃基底的XRD圖譜。FTO基底的衍射峰用標記，表示的是ZnO的衍射峰，圖中31.91， 34.54，36.37。處三個明顯的衍射峰對應于ZnO (100)、(002)、(101)衍射晶面，這與六角鉛鋒礦結構ZnO的標準值(JCPDS-36-1451)相同。(002)衍射峰強度最強，證明一維ZnO棒的生長方向優先于c軸。Cu衍射峰用標記，衍射峰

50、43.56，50.49為面心立方晶格銅(111)、(200)的衍射晶面，與其標準值(JCPDS-04-0836)吻合一致。XRD的結果表明Cu-NPs和ZnO納米棒陣列通過電沉積己牢固結合在FTO導電玻璃上，與SEM結果一致。 圖3-3納米棒陣列鍍銅后Cu的EDS譜圖3-4納米棒陣列鍍Cu的EDS譜對應的SEM圖3-3為ZnO納米棒陣列鍍銅后Cu的EDS譜。通過能譜測試，樣品中含有Zn、O、Si、Sn、Cu元素。在1.0，8.0 keV處出現Cu 峰，0.5keV 處出現 O峰，Si和Sn是FTO導電玻璃對應的峰，除了少量的Zn峰外，沒有其它的雜質離子存在。表3-2的元素成分分析可知，定量分析

51、K層Cu元素的峰，其質量百分數為39.45%，其次是Sn質量分數30.55% (分析L層峰)，Si和Zn的含量相對很少，證明二次渡上去的是Cu。隨機分析ZnO納米棒陣列鍵銅后FTO導電玻璃表面的元素成分，如圖3-5和圖3-6。分別為ZnO納米棒陣列鍍銅的EDS譜和對應的SEM。1.0 keV處出現Cu峰和Zn峰，兩峰重疊在一起，8.0 keV，8.6eV再次出現Cu峰和Zn峰，兩處峰強度相差無幾。可以說明Cu均勻的鍍在了 ZnO納米結構上。表3-2納米棒陣列鍍銅后Cu元素成分分析表ElementWt%At%OK19.4653.21SiK01.4802.30SnL30.5511.26CuK39.

52、4527.16ZnK09.0606.07MatrixCorrectionZAF 圖3-5 ZnO納米棒陣列鍍銅的EDS譜 圖3-6 ZnO納米棒陣列鍍銅EDS譜對應的SEM3.3.2修飾電極的循環伏安CV測試將制得的Cu-NPs/ZnO復合修飾電極、ZnO修飾電極及裸FTO電極分別置于含5mMFe(CN)63-/4-和0.1 mol/L NaOH溶液中進行循環伏安掃描，掃速50mV-s-1，結果如圖3-7所示。圖 3-7 (a)裸 FTO (b)ZnO/FTO (c) Cu-NPs/ZnO/FTO 的循環伏安圖由圖3-7可知，Fe(CN)63-/4-氧化還原電對在裸FTO(a)、ZnO/FTO

53、 (b)、Cu-NPs/ZnO/FTO(c)電極上都出現了一對對稱的氧化還原峰(-0.1 V到+0.45 V)，相應的陽極峰電位和陰極峰電位差Ep分別為553 mV、0.365 mV、0.252 mV，呈遞減趨勢，而峰電流Ip則正好相反，依次遞增。因此在裸FTO電極上，單電子轉移的Fe(CN)63-/4-電對的氧化還原過程是準可逆的。電沉積的納米ZnO是半導體材料，具有一定的導電性，某種程度上可加速氧化還原探針和電極間的電子傳遞，所以ZnO/FTO(b)相對于裸FTO(a)的峰電流Ip稍有所增加。而Cu-NPs/ZnO復合納米電極，Ip最大。納米銅，增加了電活性粒子的表面積，它良好的導電性，使

54、得鐵氰化鉀氧化還原電對很容易在工作電極表面發生電子轉移。與圖3-8的EIS結果相吻合。3.3.3修飾電極的電化學阻抗EIS測試將制得的Cu-NPs/ZnO復合修飾電極、ZnO修飾電極及裸FTO電極分別置于含5 mM Fe(CN)63-/4-和0.lmol/L NaOH溶液中進行交流阻抗EIS測試。頻率范圍0.01-100000 Hz，交流振幅0.005 V，結果如圖3-8所示。 圖3-8 (a) 裸FTO (b)ZnO/FTO (c) Cu-NPs/ZnO/FTO 的交流阻抗圖EIS可以用來研究修飾電極表面的性質。法拉第阻抗譜由一個半圓和一條直線組成，當電壓變化處于高頻段時，阻抗譜呈半圓形，對

55、應于電化學體系中界面電子轉移受限情況，在電壓變化處于低頻段時，阻抗譜則呈直線形，對應于電解質溶液擴散受限過程。半圓部分直徑就是電子轉移受限的電阻(Rct)，與電極表面電子傳遞電阻成正比。Cu-NPs/ZnO/FTO的Rct(150.38)ZnO/FTO的Ret(392.66)裸FTO電極的Rct(868.75)。由此可見，Cu-NPs/ZnO復合修飾電極的阻抗最小，電極表面的電子傳遞效率最高。ZnO/FTO和裸FTO電極的阻抗都較大，說明ZnO基底表面上成功修飾上了納米銅顆粒。它在電子轉移過程中起到了電子媒介體的作用，傳感器的導電性能顯著增強。3.3.4修飾電極在NaOH溶液中的電化學行為將C

56、u-NPs/ZnO/FTO納米修飾電極、ZnO/FTO修飾電極分別置于0.lmol/LNaOH溶液中進行循環伏安掃描，掃速100mVs-1,掃描范圍-0.5-0.3 V，結果如圖3-9所不。圖 3-9 Cu-NPs/ZnO/FTO (a) ZnO/FTO(b)在 NaOH 溶液中的循環伏安圖-0.5 V到0.3 V的電位范圍內，有兩個氧化峰和一個還原峰，對應于納米銅顆粒的氧化還原過程。兩個陽極峰A2(A1)是Cu(I)氧化到Cu(II)的氧化峰，陰極峰C1是Cu(II)還原為Cu(I)的還原峰。Cu2O(CuOH)還原到Cu的峰在-0.8 V附近(圖4暫時沒有給出)。與先前報道的Cu/GC電極

57、在0.1 MNaOH溶液的循環伏安結果一致。ZnO納米棒較大的比表面積非常有利于Cu納米粒子的固定，銅納米粒子修飾到ZnO納米棒陣列后，陽極和陰極峰電流快速增加，可見銅納米粒子已成功嵌入到ZnO基底。而ZnO/FTO(曲線b)，看不到明顯的氧化還原峰，說明ZnO基底顯著影響著銅納米粒子的電化學沉積過程。據以前的報道，氧化鋅已作為眾多無機納米粒子固定和嵌入的基底，如金、銀、銀、銷、鍺等。3.3.5 Cu沉積時間和測試電壓的優化Cu修飾到電極上的時間(沉積時間)是電催化氧化葡萄糖過程中一個重要的影響因素。圖3-10是在0.1 molL-1 NaOH底液，5 mM葡萄糖的氧化峰電流隨時間的變化圖。沉

58、積時間分別為180s，240s，300 s，360 s，500s。當沉積時間為300s時氧化峰電流達最大值，當超過300 s，峰電流開始減小。沉積時間過短時，ZnO棒的表面沒有完全被Cu納米粒子覆蓋，減少了納米Cu的催化活性位點，降低了測定葡萄糖的靈敏度。如果沉積時間過長，Cu納米粒子聚集在一塊，比表減少，Cu作為納米粒子催化劑的優勢被削弱。因此Cu最佳沉積時間為300 s。圖3-11為0.1 molL-1 NaOH底液，Cu-NPs/ZnO納米棒陣列修飾電極在1 mM葡萄糖溶液中，于+0.1V到+0.8 V電壓下的峰電流曲線圖。可見，0.4 V以下, 葡萄糖的峰電流響應值很小,0.4 V-0

59、.6 V迅速增加，之后緩慢遞增。這個結果同圖3-13曲線a的CV圖一致。較高的電壓，許多活性物質會干擾葡萄糖濃度的檢測，為了降低該干擾，最終選擇+0.7V (恒電壓)作為測試電壓。圖3-10 Cu沉積時間的優化 圖3-11測試電壓的優化3.3.6不同掃速下Cu-NPs/ZnO復合修飾電極的電化學行為 圖3-12Cu-NPs/ZnO復合修飾電極在不同掃速下的循環伏安圖采用循環伏安，檢測Cu-NPs/ZnO納米修飾電極在不同掃速下對葡萄糖氧化的影響，如圖3-12所示。掃描速率分別為20、40、60、80、100、150mVs-1，支持電解質是0.1 mol/LNaOH，葡萄糖濃度為1.0 mM。由

60、圖可知,隨著掃描速率的增大，氧化峰電流增加，峰電位向正方向移動。氧化峰電流與掃描速率呈線性關系，峰電流Ip和掃描速率V滿足關系式Ip=0.00127+1.55xl0-5v，(見圖3-12中的內插圖，相關系數R=0.998)。線性關系良好，說明葡萄糖分子的表面吸附受電化學動力學過程的控制。3.3.7葡萄糖在不同修飾電極上的電化學行為將制得的不同修飾電極在5 mM含0.1 mol/L NaOH的葡萄糖溶液中進行循環伏安掃描，掃描速率20 mVs-1，結果如圖3-13所示。圖3-13葡萄糖在Cu-NPs/ZnO修飾電極(a)、Cu-NPs修飾電極(b)、裸FTO電極(d)、ZnO修飾電極(e)和Cu