基于組裝技術的導電高分子納米界面構筑及其應用研究.pdf

1、21世紀是納米科技的時代,納米技術引起了世界各國政府和科學界的高度關注。當物質的結構單元小到納米量級時,會產生特異的表面效應、體積效應和量子尺寸效應等常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能,因此納米微粒在催化、電子材料、微器件及傳感器材料等方面有著廣闊的應用前景。納米技術的發(fā)展將史無前例地把分析工作者更加深入地融合到生命科學領域。由于高分子基體具有易加工,耐腐蝕等優(yōu)異性能,且能抑制納米單元的氧化和團聚,使體系具有長效穩(wěn)定性,充分發(fā)揮納米單元的特異性能

2、,因此基于高聚物納米復合材料研究成為當今的一個熱點。在眾多導電高分子中,導電聚合物如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）,由于其具有良好的機械彈性、表面效應、化學特異性、易合成性等特點,使得它們修飾的電極有希望成為超靈敏的痕量生物化學的納米傳感器。傳統(tǒng)的納米修飾電極多采用滴涂法,電聚合等方法,不可避免使電極表面材料易團聚,分散不均勻,且表面材料可能沒有良好的生物兼容性,功能化不強。但是如果將電極表面的材料進行認為的設計

3、,通過不同電荷的物質相互吸引而實現(xiàn)自組裝或層層組裝,使其生物傳感器具有更加完美的界面,無疑能提高傳感器的檢測性能。本論文工作致力于納米結構導電高分子材料修飾傳感界面的設計,努力通過組裝技術構建表面結構可調可控的納米界面,從而有機地將納米技術、電分析化學和生命科學三者結合。本論文包括以下幾個部分:第一章緒論導電高分子是由具有共軛π-鍵的高分子經(jīng)化學或電化學“摻雜”使其由絕緣體轉變?yōu)榘雽w、導體的一類高分子材料。它的結構特征除了具有高分子結

4、構外,還含有“摻雜”而引入的對陰離子（P-型摻雜）或對陽離子（n-型摻雜）。導電高分子不僅具有由于摻雜而帶來的金屬（高電導率）和半導體（p-和n-）的特征,還具有高分子的分子設計結構多樣化,可加工和比重輕的特點。另一方面,納米技術為人們提供了新的功能材料和具有卓越性能的功能器件,對人類未來生活產生深遠的影響。將導電高分子材料與低維技術結合所制備的納米結構導電高分子材料具有許多獨特的性質,在微電子、傳感技術、光學器件、醫(yī)學診斷、太陽能電池

5、等方面有著非常重要的應用前景。第二章低濃度聚合法合成聚苯胺納米線及其應用于過氧化氫檢測的研究本實驗通過低濃度聚合法合成了聚苯胺納米線,并將其用于和聚丙烯酸（PAA）的層層組裝（LBL Assembly）的研究。我們通過掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對已合成的聚苯胺進行了表征,并采用紫外可見光譜（UV-vis）,掃描電鏡（SEM）以及電化學方法對層層組裝過程進行了表征。實驗表明,PAA能夠摻雜在納米結構的聚苯胺中并能有效的使其在中

6、性pH條件下保持電化學活性。相對與在電極上通過電化學聚合PANI和PAA的方法,在電極上層層組裝PANI和PAA多層復合膜在具有更好的電化學可逆性,表明電子在膜內傳遞更好。實驗制備的納米結構的PANI和PAA的多層復合膜性質非常穩(wěn)定,并且對過氧化氫（H2O2）有著非常好的電催化活性,因此可以用于對過氧化氫（H2O2）的檢測以及用于生物傳感的研究。第三章改性多壁碳納米管與聚苯胺層層組裝的研究本實驗中,我們采用了一種簡單易行的方法使用聚苯乙

7、烯磺酸鈉（PSS）對多壁碳納米管（MWNTs）進行非共價鍵修飾。通過PSS包裹MWNTs,使MWNTs溶解性極大提高（在水溶液中保持均一穩(wěn)定長達3個月）,且由于PSS引入的磺酸基團,使MWNTs帶負電,PSS包裹MWNTs被進一步用于同帶正電的聚苯胺（PANI）的層層組裝,制得了PANI/MWNTs納米復合薄膜。實驗采用掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對PSS包裹的MWNTs進行了表征,同時采用了SEM,EDS光譜和電化學方法對層

8、層組裝過程進行了研究。實驗結果表明,帶負電的MWNTs能有效地使PANI在中性pH條件下保持電化學活性。實驗制備的納米結構的PANI和MWNTs的多層復合膜性質非常穩(wěn)定,并且對過氧化氫（H2O2）有著非常好的電催化活性,因此可以用于對過氧化氫（H2O2）的檢測以及用于生物傳感的研究。第四章4-氨基苯硫酚的組裝、酶催化及其電化學性能研究分子自組裝（self-assembly）是近20年來發(fā)展起來的一種新型有機超薄膜技術,是指分子間通過非共

9、價相互作用自發(fā)組合形成的一類結構明確、穩(wěn)定、具有某種特定功能或性能的分子聚集體。本章選擇含有苯環(huán)的4-氨基苯硫酚（4-ATP）首先在粗糙化的金電極上進行自組裝,并采用酶催化聚合的方式在金電極表面對4-ATP單體膜進行了酶催化聚合,并對酶催化過程進行了研究。電化學實驗證明:自組裝的4-ATP經(jīng)酶催化后在金電極上的聚合與電化學聚合的機理相似,即:4-氨基苯硫酚單體自組裝膜在電極表面發(fā)生頭尾反應并生成具有電活性的二聚物4′-巰基-N-苯基苯醌