氧化铜纳米材料的可控制备，非酶葡萄糖传感器构建及电化学催化性能研究

The construction and performance improvement of the non-enzymatic glucose sensors is of significant importance for the increasing occurrence of diabetes. In the development of non-enzymatic glucose sensors, nanostructured Copper oxide (CuO) as the building-blocks has led to a lot of progresses, which is thus recognized as one of the most ideal materials for these sensors. A number of reports and the recent experiment results by the applicant have illustrated that the surface characteristics of CuO nanostructures have significant influence on their electro-catalytic activity for glucose oxidation. However, the detailed relationship between these two aspects needs to be further studied both in-depth and systematically. The conclusions from this study will be truly valuable and important for the optimization of performance and the expansion of application for this kind of sensors. This project will study the controllable synthesis and the related growth mechanism of CuO nanostructures, and also the fabrication and the performance characterization of CuO non-enzymatic glucose sensor. The ultimate target is to find out the key factor of the surface characters that has the dominant effect on the sensor performance. Our results will serve as the fundamental guidance for the optimization of the CuO non-enzymatic glucose sensors’ sensitivity, selectivity, response time and range of linear response.

非酶葡萄糖传感器的构建和性能优化对当今日益盛行的糖尿病的诊断和治疗具有非常重要的意义。纳米CuO在构建非酶葡萄糖传感器方面已经取得了相当多的成果，被认为是构建此类传感器的理想材料之一。大量报道和项目申请人近期的实验结果都证实，CuO纳米材料的表面特性对其电催化葡萄糖氧化性能有重要影响，但是两者之间的具体关系却有待人们进一步系统深入地研究，得出两者之间关系的规律性将对这一类传感器的性能优化和实际应用推广具有相当重要的价值。为了解决这个问题，本项目将在前期研究基础上，开展CuO纳米材料的可控制备、生长机理分析、非酶葡萄糖传感器构建以及性能测试等一系列系统研究，旨在得出影响纳米CuO电催化葡萄糖氧化性能的关键的材料表面因素，阐明其中的基本规律，从而得到优化此类非酶葡萄糖传感器的灵敏度、选择性、响应时间和响应线性范围的理论指导和科学依据。

开发和制备构建高性能非酶葡萄糖传感器的材料对糖尿病的诊断和治疗具有非常重要的意义。作为一种构建此类传感器的理想材料，纳米CuO的表面特性以及所制备的传感器的电极结构在极大程度上影响着其对应器件的性能。基于此，本项目主要开展了以下几个方面的研究：（1）利用复合碱媒介法和复合盐媒介法，不依赖任何模板或表面活性剂，通过改变实验参数，成功实现了对CuO纳米粉末的可控制备；（2）将CuO纳米粉末的制备方法推广到纳米CuO/碳布复合结构的生长中，成功实现了在导电性良好的碳布上生长各种形貌CuO纳米结构的目标；（3）将实验制得的CuO纳米结构用于制备无酶葡萄糖传感器，发现直接生长在碳布上的CuO纳米结构相较于CuO纳米粉末具有更优异的性能，这主要取决于电极具有更好的三维立体结构和电子传输特性。（4）制备了CuO/TiO2/碳布复合纳米结构，并首次将其用于无酶葡萄糖光电化学传感器的构建，器件表现出非常高的响应灵敏度和极低的检测限，为进一步提高纳米CuO基无酶葡萄糖传感器的性能提供了实验依据和数据支持。（5）将实验制得的CuO/碳布复合结构用于超级电容的构建，同样获得非常好的表现。（6）将基于CuO纳米结构的无酶葡萄糖生物传感器构建的实验成果推广到其他金属氧化物纳米结构上，同样得到非常好的无酶生物传感器性能。总结项目成果，我们发现活性材料的三维结构、电极导电性以及电极结构是影响CuO基无酶葡萄糖传感器性能的主要因素。项目执行期间，共发表本项目资助的SCI论文11篇，申请发明专利2项。