基于ZnO纳米材料的无酶葡萄糖传感器.doc

检测技术论文 姓名： 学号 专业：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1葡萄糖传感器 3 l.l葡萄糖传感器的工作原理及其分类 3 1.1.1葡萄糖传感器的用途及分类 3 1.1.2葡萄糖传感器的的工作原理 3 1.1.3葡萄糖酶生物传感器的的发展历程 3 1.2无酶葡萄糖传感器的原理、分类及其发展 4 1.2.1无酶葡萄糖生物传感器的工作原理及优势 4 1.2.2无酶葡萄糖生物传感器的分类 5 1.2.3无酶葡萄糖生物传感器的发展 5 2 ZnO纳米材料 8 2.1 ZnO纳米材料简介 8 2.2 ZnO纳米材料的制备方法 8 2.2.1气相沉积法 8 2.2.2分子束外延和磁控溅射法 8 2.2.3水热法和溶胶凝胶法 8 2.2.4模板法和电化学沉积法 9 2.3 ZnO纳米材料修饰电极的表征 9 2.4 ZnO纳米材料在葡萄糖传感器中的应用及优势 9 3电沉积Cu-NPs/ZnO纳米棒阵列的无酶葡萄糖传感器 10 3.1引言 10 3.2实验部分 11 3.2.1仪器与试剂 11 3.2.2修饰电极的制备 12 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) 12 3.3.1工作电极的表征(SEM、XRD、EDS) 12 3.3.2修饰电极的循环伏安CV测试 14 3.3.3修饰电极的电化学阻抗EIS测试 15 3.3.4修饰电极在NaOH溶液中的电化学行为 16 3.3.5 Cu沉积时间和测试电压的优化 16 3.3.6不同扫速下Cu-NPs/ZnO复合修饰电极的电化学行为 17 3.3.7葡萄糖在不同修饰电极上的电化学行为 18 3.4传感器的线性度 20 3.5传感器的选择性 20 3.6传感器的重复性及稳定性 20 3.7血清中葡萄糖的检测 21 3.8测量电路 21 3.9本章小结 22 1葡萄糖传感器 l.l葡萄糖传感器的工作原理及其分类 1.1.1葡萄糖传感器的分类 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 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 + gluconolactone GODred + O2 → GODox+ H2O2 电极：H2O2 → O2 + 2H+ + 2e- 第一代传感器存在一些缺点：氧浓度的波动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