自支撑氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维的电化学传感

This project mainly studys on the preparation of a three-dimensional (3D) hierarchically nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNTs) on a free-standing carbon nanofibers (CNF) membrane (NCNT@CNF) via electrospinning, carbonization and chemical vapor deposition (CVD) techniques, aiming to develop novel biomolecule immobilize materials with highly active and high loading capacity for the construction of sensitive, low-cost and effective electrochemical biosensors. The main contents of this research are as follows: (1)free-standing composite with high density nanoparticle tightly embedded in CNF （NP-CNF）is obtained by the combination of electrospinning and carbonization techniques, and hierarchical NCNTs could grow on the NP-CNF in a controlled way; (2) With the advantages of 3D network structure, flexibility, biocompatibility, and free-standing of NCNT@CNF, the composite is used as electrode materials directly without functionalization and dispersion treatments. (3) We systematically study the impact of N-doping and unique structural characteristics on the direct electrochemistry and electroactivity of enzymes and proteins, realizing the functionalized fabrication and adjustment over the proposed biosensor. Comparing to the reported methods for the fabrication of 3D NCNT, this method would show advantages of simple preparation, low-cost, easy for scale-up in production. It is expected that the fabricated biosensor would be used as flexible sensing, and further improve its sensitivity and stability.

本课题拟结合电纺、碳化及化学气相沉积技术，以自支撑电纺碳纳米纤维膜（CNF）为基底，可控构筑多层次、三维氮掺杂碳纳米管（NCNT）复合材料（NCNT@CNF），旨在开发高活性、高负载量的生物固载材料用于高效、灵敏、廉价的电化学生物传感器。主要内容包括：（1）利用电纺和碳化技术一步制备纳米催化剂（NP）均一负载的CNF复合材料(NP-CNF)，并在此自支撑的NP-CNF上可控、批量生长NCNT；（2）结合NCNT@CNF的三维网络结构、生物相容性、自支撑、柔性等优点，复合材料无需功能化及分散处理可直接用于生物分子的有效组装；（3）深入研究复合材料的掺杂作用和独特结构等特性对酶、蛋白质的直接电化学和电催化行为的影响，实现生物传感器的功能设计和调控。与以往报道的三维NCNT制备方法相比，具有简单、成本低且易于规模化生产等优越性，构建的电化学传感器有望用于柔性传感器并进一步提高其灵敏度及稳定性。

生物活性分子（如氧化还原酶、蛋白质等）的高活性、高负载量组装是构筑有效第三代电化学传感器的关键步骤之一。碳纳米材料（如氮掺杂碳纳米管（NCNTs））以其大的比表面积、高的导电性和良好的化学稳定性等优点，可增强许多重要生物分子的电化学反应活性并促进蛋白质与电极表面的电子转移，是一种固载生物分子的新型材料。然而，NCNTs在使用前通常需要进行一些功能化处理（如强酸氧化、共价键修饰和表面活性剂处理等），以提高其纯度和分散性。此功能化处理可能会降低其导电性及吸附性。另外，NCNTs作为一种无序粉体材料, 它在应用时由于互相堆叠会降低其比表面积，降低其电化学性能。. 为获得高质量全碳基三维 NCNT复合材料，本课题结合电纺与碳化技术一步制备金属纳米粒子负载（Fe, Co, Ni,Pd）-CNF复合材料，并在此基底上以吡啶、二乙胺、乙二胺含氮有机物为氮源和碳源，利用化学气相沉积法（CVD）制备自支撑、多层次的三维NCNT复合材料（NCNT@CNF）。利用透射电镜、扫描电镜、X-射线衍射、X-光电子能谱、元素分析等技术对复合材料的形貌、结构、组成等进行了表征。高密度、均一NCNT呈“准阵列”生长于CNF基底上，NCNT的直径约为30-50 纳米，长度为几个微米。研究了多层次三维NCNT复合材料的生长机理及结构与性能之间的内在联系。探索了复合材料的组成、形貌、独特结构等特性对酶、蛋白质的直接电化学和电催化行为的影响。在提高生物酶、蛋白质在电极表面的负载量和电催化活性的同时简化了电极制备过程，发展了一系列高效、灵敏、廉价的电化学传感器。. 在本项目的支持下，我们展开了基于自支撑TiO2中空纳米纤维膜的电化学传感研究，同时构建了基于Ni(OH)2/CNFs及NiCo2O4/CNFs的新型无酶葡萄糖传感器。