铜基电化学传感器的构建及其对生物小分子的检测研究.pdf

摘要

摘要

铜（Cu）作为一种过渡金属，被视为贵金属的有效替代品，有助于缓解贵金属

资源日益稀缺的问题。Cu的3d轨道中缺乏价电子，赋予了它独特的物理化学特

性，同时，其电子结构的可调性使其在催化领域展现出巨大潜力。然而，Cu基催

化剂面临以下挑战：第一，导电性能有限、活性低和选择性差；第二，Cu基纳米

材料在反应过程中易于聚集，导致催化剂表面活性位点减少。通过对催化剂进行相

应的调控可以改善催化剂的电催化能力。因此，本文提出了两种调控策略：一是调

控Cu基催化剂的尺度，制备Cu单原子催化剂（Single-AtomCatalysts，SAC），提

高Cu基催化剂的电催化性能；二是在Cu基催化剂中引入P区金属（生成缺陷）

或杂原子掺杂的碳基底（产生界面），使材料之间发生相应的界面电子转移，从而

对催化剂的性能进行调控。最后将上述制备的高性能Cu基催化剂用于电化学传感

领域，对常见的生物小分子进行分析检测。本文的主要内容及结论如下：

第一部分：单原子Cu电化学传感器检测多巴胺

本文通过模板辅助策略成功合成了CuSAC，利用高角环形暗场扫描透射电子

显微镜（High-AngleAnnularDark-FieldScanningTransmissionElectronMicroscopy，

HAADF-STEM）观察到Cu单原子的存在，采用同步辐射X射线吸收确定了Cu的

配位结构为CuNO。电化学实验发现，Cu以单原子的形式存在时，其导电性和催

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化性能明显提升。选用多巴胺（Dopamine，DA）为电化学活性分子，结果表明：

CuSAC对DA的检测灵敏度高，响应时间短，这主要归因于CuNO具有最低的

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决速步势能。最后对构建的CuSAC电化学传感器的传感性能进行了研究，发现其

对DA的检测线性范围宽（0.13-182μM），检测限低（0.069μM），且该传感器具

有优异的选择性、稳定性和重现性。对实际样品人血清中的DA进行了检测，回收

率为95.1-105.4%，表明该传感器具有良好的实用性。

第二部分：Bi-CuO电化学传感器的构建及对5-羟基色胺的检测

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本文通过水热和退火的方法制备了Bi-CuO电催化剂，X-射线光电子能谱（X-

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rayPhotoelectronSpectroscopy，XPS）证明了Bi元素的成功掺杂。与Bi-CuO、Bi-

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CuO和CuO相比，Bi-CuO具有更好的电流响应，表明随着Bi含量的增多，催化

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剂的导电性能逐渐降低。基于此，设计了一种Bi-CuO电化学传感器，并将其用于

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5-羟基色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）的传感检测。循环伏安法（Cyclic

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Voltammetry，CV）和差分脉冲伏安法（DifferentialPulseVoltammetry，DPV）结果

表明，Bi-CuO/GCE传感器对5-HT的响应良好，对其线性检测范围为0.34-48.3

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μM，检测限为0.16μM，同时该传感器也能够用于对人血清中5-HT的传感检测，

回收率良好。

第三部分：基于CuO/N-CB复合材料构建酪氨酸电化学传感器

本文以炭黑（CarbonBlack，CB）为碳基材料，通过一步水热法制备了CuO/N-

CB和CuO/CB