基于分子印迹的纳米阵列电化学传感研究

This project is aiming at synthesizing molecular imprinting nanostructure arrays based on metal-organic frameworks (MOFs) on porous carbon electrode surface to develop electrochemical sensors with high-performance. This project includes the following contents: investigating the growth mechanism of MOFs on porous carbon electrode surface by using electrochemical and self-assembling technique together with spectroscopy and microscopy; looking for methods to prepare molecular imprinting nanostructure arrays based on MOFs on porous carbon electrode surface; preparing various molecular imprinting nanostructure arrays with various structures and orientations; investigating the electrocatalytic properties of various molecular imprinting nanostructure arrays; constructing electrochemical sensors with fast response time,high sensitivity and good selectivity to some important specific molecules. MOFs represent a class of highly porous hybrid materials obtained by the assembly of metallic ions and organic ligands with highly tunable structure so that various nanostructure arrays can be constructed based on MOFs. The even dispersion of nanostructure arrays in the porosity of porous carbon electrode will enlarge specific surface area and catalytic active sites, enhance the mass transfer, and improve the speed of analysis and detection sensitivity. The combination of molecular imprinting technology and nanostructure arrays can improve the stability of nanostructure arrays as well as the catalytic selectivity. The preparation of molecular imprinting nanostructure arrays based on MOFs on electrode surface will simplify the construction procedure of typical sensor. It will provide new idea to guide the preparation of novel electrochemical sensors.

本项目旨在基于生长在多孔碳电极上的金属有机骨架材料（MOFs）制备分子印迹纳米阵列一体电极，发展高性能的电化学传感体系。以自组装和电化学技术为主线，结合谱学和显微镜等技术研究 MOFs 在多孔碳电极孔洞中的生长规律，探讨基于 MOFs 制备分子印迹纳米阵列的方法，制备各种结构、取向及种类的分子印迹纳米阵列电极；研究分子印迹纳米阵列的催化性能；发展能对重要目标分子进行快速、灵敏、选择性地检测的电化学传感体系。MOFs的结构及种类繁多，因此基于MOFs可以构建出各种纳米阵列；纳米阵列均匀地分散在多孔碳电极的孔洞中，使之具有比表面积大和催化活性位点多等优点，将增强传质，提高分析速度和检测的灵敏度。分子印迹技术与纳米阵列的结合既能改善纳米阵列的稳定性又能提高其催化选择性。基于电极表面上的 MOFs 制备分子印迹纳米阵列一体电极，简化了传统电化学传感系统的制备程序，为发展新型传感体系提供了新思路。

电化学传感器是生命科学研究、重大疾病诊断及治疗、环境监测、食品安全控制和免疫分析的重要工具之一。发展性能优异的纳米阵列结构用于构建电化学传感器以及控制它们的尺寸、表面状态和在电极表面的分布，提高它们的选择性是研制和开发新型纳米电化学传感器的重点和难点之一。本项目成功地制备出了各种金属有机框架材料、金属有机框架材料衍化的多级纳米阵列结构、生长在洋麻杆衍化的三维大孔碳、柔性碳布、柔性石墨烯泡沫、柚子皮衍化的类石墨烯三维泡沫碳等上的金属有机框架材料和多级纳米阵列结构、通过对实验条件的优化，制备出了如树枝状，纺锤状、蚁穴状、空心球形、空心立方体、花球状等各种结构和形状的多级纳米阵列结构，以及分子印迹的多级纳米阵列结构，基于这些纳米阵列结构发展了一系列具有分析速度快、操作简单、灵敏度高、选择性好、稳定性和重复性好的新型电化学传感系统以及比率电化学传感系统用于葡萄糖、过氧化氢、抗坏血酸、多巴胺、有机农药西维因等一系列重要目标分子的检测。我们以电化学方法为主线，结合扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线粉末衍射和各种光谱等技术系统地研究了各种多级纳米阵列结构组成和结构、以及多级纳米阵列结构在电极表面的生长规律、取向、分布等，着重探究了它们的电催化性能等。也研究了分子印迹的纳米结构的孔径结构、孔径分布、分子印迹聚合物等与其催化活性和选择性的关系。系统地研究了基于这些纳米阵列结构构建的电化学传感器的灵敏度、线性范围、检测限等性能参数指标。本项目为电化学传感器的研制提供了新思路，构建的一系列高性能的电化学传感器有望广泛应用于日常生活和工业检测中。此外，我们还将制备的多级纳米阵列结构用于构建了几种可望用于便携式电化学传感器中性能优良的锂离子电池与超级电容器，这些工作为后继研究打下了基础。