納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用研究

閔笑宇

（海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南?？?570228）

納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用研究

閔笑宇

（海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南?？?570228）

納米復(fù)合材料將納米材料與其他材料相結(jié)合，具備各個組成部分的物理與化學(xué)性質(zhì)，有著廣闊的應(yīng)用前景。常見的納米復(fù)合材料有碳納米復(fù)合材料、金納米復(fù)合材料以及鎳納米復(fù)合材料。對上述三種納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用進(jìn)行探究，為相關(guān)研究者提供參考。

納米復(fù)合材料；電化學(xué)；生物傳感器

近年來，科技日新月異，納米復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了各種新型納米復(fù)合材料。將納米復(fù)合材料引入電化學(xué)傳感器中，可以利用其優(yōu)秀的導(dǎo)電性能與機(jī)械性能，為化學(xué)研究以及人民的生活提供便利。不同的納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能各有不同。本文詳細(xì)介紹碳納米復(fù)合材料、金納米復(fù)合材料以及鎳納米復(fù)合材料的制備，并對其在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景進(jìn)行了闡述。

1 石墨烯納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

石墨烯復(fù)合材料是碳納米復(fù)合材料的基礎(chǔ)。單一的碳納米復(fù)合材料由于納米管相互粘連難以制備，且導(dǎo)電性能無法完全滿足電化學(xué)檢測的需求，在化學(xué)研究中使用較少。但是，碳納米復(fù)合材料是石墨烯納米復(fù)合材料的基礎(chǔ)。石墨烯片層或?yàn)榫砬驗(yàn)槎询B，具有較好的聚攏性，具有較好的導(dǎo)電性能，在電化學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。常見的基于石墨烯納米復(fù)合材料的電化學(xué)方法有電化學(xué)阻抗法、循環(huán)伏安法和計(jì)時電流法等。電化學(xué)阻抗譜法是指通過測量阻抗隨正弦波頻率的變化分析高分子導(dǎo)電機(jī)理的方法。將電化學(xué)系統(tǒng)看作一個由電阻、電容與電感等基本元素組成的等效電路，在給定的電化學(xué)系統(tǒng)中輸入擾動函數(shù)，得到響應(yīng)信號，以了解電化學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不同材料的電極條件下，電流峰值會產(chǎn)生較大區(qū)別。循環(huán)伏安法是一種對比上下峰值電流和電位差別來進(jìn)行電化學(xué)性能分析的方法。計(jì)時電流法是指在在測試電解液中連續(xù)加入不同濃度的檢測物質(zhì)，觀測計(jì)時電流曲線用于電化學(xué)分析的方法。殼聚糖（CS）是一種水溶性高分子材料，常用于石墨烯納米復(fù)合材料的電極修飾。CS的高成膜性與高生物相容性使得其可以均勻分散于納米復(fù)合材料當(dāng)中。同時，CS可以固定生物酶，使其成為了良好的電化學(xué)傳感器基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明，用CS與石墨烯復(fù)合材料作為生物酶固定材料，其獨(dú)特的分子界面可以形成良好的生物相容性。同時，基于復(fù)合薄膜當(dāng)中的石墨烯能夠使基質(zhì)與Hb的電活性中心之間的電子轉(zhuǎn)移呈加快勢態(tài)。此種以石墨烯與CS為基礎(chǔ)的方法，能夠?yàn)榈鞍踪|(zhì)的固定及電化學(xué)傳感器的制備提供出一個優(yōu)化的平臺。實(shí)驗(yàn)證明，CS與石墨烯的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)與生物性質(zhì)相互結(jié)合，形成了對過氧化氫的較長時間的電化學(xué)催化性。當(dāng)然，就目前狀況分析，基于石墨烯的納米復(fù)合材料的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。多種高分子與石墨烯之間的相互作用尚未清晰了解，理論需要進(jìn)一步探索與完善。

2 金納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

金納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能十分優(yōu)異，同時具有良好的催化性與可控性，在電化學(xué)傳感界面中應(yīng)用十分廣泛。金納米復(fù)合材料與仿生分析、免疫功能分析以及生物導(dǎo)電的結(jié)合進(jìn)一步拓展了金納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。金納米復(fù)合材料以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能改變了傳感系統(tǒng)的電子分布，加快了光生電子的運(yùn)行速度。AuNPs與QDs沉積到ITO上，構(gòu)建了基于金納米復(fù)合材料的傳感器系統(tǒng)（QDs-Au/ITO），可以用于對雙氧水的定性檢測。實(shí)驗(yàn)證明，QDs-Au/ITO傳感器的靈敏度明顯高于QDs-ITO系統(tǒng)。金納米復(fù)合材料對H2O2的檢測過程可以用下面的方程式表示：

將金納米復(fù)合材料應(yīng)用于點(diǎn)擊修飾之中進(jìn)行電化學(xué)催化。甲醇的氧化是很多燃料電池的一個重要反應(yīng)，常常用金作為催化劑加速反應(yīng)。這種反應(yīng)的過程常常產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體，給燃料電池帶來負(fù)面作用。如果采用金納米復(fù)合材料作為催化劑，可以有效解決一氧化碳帶來的催化劑中毒問題。我們可以對催化過程使用循環(huán)伏安曲線進(jìn)行電極測量。實(shí)驗(yàn)證明，甲醇在金納米復(fù)合材料作為催化劑的過程中，氧化峰值遠(yuǎn)高于金作為催化劑的氧化峰值。當(dāng)電極高于甘汞電極參比時，吸附的一氧化碳開始被氧化。金納米復(fù)合材料的甲醇氧化還原過程可以用于電化學(xué)檢測催化劑的活性。雖然近年來，金納米復(fù)合材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器研究發(fā)展十分迅速，但其檢測范圍依舊十分狹窄，需要進(jìn)一步拓寬。

3 鎳納米復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

鎳納米復(fù)合材料是另一種常用的金屬納米復(fù)合材料。由于鎳金屬的抗腐蝕性，其常用于實(shí)驗(yàn)室的部分器具制備。將鎳納米顆粒吸附至碳電極表面，可以制備鎳金屬納米復(fù)合材料傳感器。實(shí)驗(yàn)證明，其選擇性、靈敏度及穩(wěn)定性都處于較高水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。鎳以其突出的穩(wěn)定性，已經(jīng)成為良好的載體材料應(yīng)用于化學(xué)研究與生活實(shí)際之中。鎳原子不僅能夠保留其特有的金屬性質(zhì)，又能有效降低金屬粒子的團(tuán)聚特性，因此常常用于電化學(xué)傳感器的催化劑之中。鎳原子與官能團(tuán)相互結(jié)合形成鎳晶體可以形成官能化的鎳金屬納米片狀結(jié)構(gòu)。仍然以燃料電池中甲醇的氧化為例，以鎳納米復(fù)合材料為催化劑觀測其在電化學(xué)傳感器中的作用。響應(yīng)電流隨著溶液酸性的增大而不斷增強(qiáng)。電化學(xué)傳感器中的電流也不斷增大，形成鎳富集區(qū)域。同時，加入了不同濃度的三種氨基酸溶液，分別為甘氨酸、丙氨酸與亮氨酸。結(jié)果表明，三種氨基酸溶液并未對傳感器中電流產(chǎn)生明顯影響，說明鎳納米復(fù)合材料的傳感器具有良好的抗干擾性性能。

4 結(jié)束語

電化學(xué)傳感器是生物材料的敏感元件。選擇靈敏度高、選擇性強(qiáng)、抗干擾性良好的電化學(xué)傳感器可以有效檢測電流與電勢。上述三種納米復(fù)合材料需要進(jìn)一步進(jìn)行性質(zhì)探索與應(yīng)用開發(fā)。

[1] 宋英攀，馮苗，詹紅兵.石墨烯納米復(fù)合材料在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展，2012，24（9）：1665-1673..

Application of Nanocomposites in Electrochemical Sensing

Min Xiao-yu

Nanocomposites can combine nanomaterials with other materials，and have the physical and chemical properties of various components，and have broad application prospects.Common nanocomposites are carbon nanocomposites，gold nanocomposites，and nickel nanocomposites.The application of the three kinds of nanocomposites in electrochemical sensing is discussed，which can provide reference for the relevant researchers.

nanocomposite；electrochemistry；biological sensor

TB383.1

A

1003-6490（2017）01-0042-02

2016-12-20

閔笑宇（1996—），女，河南鄭州人，主要研究方向?yàn)楦叻肿踊げ牧稀⑺芰舷鹉z，膠粘劑等。