石墨烯和金属纳米粒子电化学传感器的研究

摘要

石墨烯是一种新型的碳基纳米材料，具有好的导电性、大的比表面积、强的电催化性能及良好的生物相容性，是构建电化学生物传感器的理想材料。金属纳米粒子的比表面积大、表面能高、催化活性好，可以代替酶来构建无酶生物传感器。二者的协同效应可以提高传感器的性能，有效地促进电化学传感器的发展。本文利用石墨烯和金属纳米粒子构建了基于石墨烯及石墨烯-金属纳米粒子复合物的修饰电极，实现了对过氧化氢（H2O2）和β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的检测。主要研究内容如下：
　　1、采用二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）做分散剂和稳定剂，在酸性条件下利用锌粉同时原位还原氧化石墨烯（GO）和Pt（Ⅳ）前驱体，合成了一种水分散性较好的Pt-PDDA-rGO杂化材料，并基于该材料修饰的玻碳电极构建了一种无酶 H2O2传感器。由于石墨烯可以有效负载大量小尺寸的铂纳米粒子（PtNPs），而PtNPs对 H2O2有较高的催化能力，因此该传感器能有效地检测H2O2。该传感器对H2O2的检测具有线性范围宽（1.0×10-9~1.4×10-3mol/L）、检测限低(3.4×10-10mol/L)、抗干扰能力强等特点，可以用于实际样品的分析。此外，还就该传感器对H2O2的电催化机理进行了简要讨论。
　　2、基于上一章的研究，在本章中我们构建了一种基于PDDA-rGO纳米复合材料修饰玻碳电极的电化学传感器，用于高灵敏检测 NADH。与裸电极相比，该修饰电极上NADH的氧化峰电位降低了约200 mV，氧化峰电流增加了5倍多，表明该传感器对NADH的氧化具有良好的电催化活性。这主要归因于rGO大的比表面积、快的电子转移性质及PDDA-rGO对NADH强的吸附作用。实验结果表明，该传感器对检测NADH具有宽的线性范围（1.0×10-7~2.9×10-3 mol/L）和较低的检测限(3.4×10-8 mol/L)。此外，NADH在PDDA-rGO/GCE上的电催化氧化机理进行了讨论。
　　3、本章通过湿化学方法合成了一种硫醇功能化石墨烯-AuNPs复合材料（CTAB-G-S-Au）。首先，采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)非共价键功能化GO，防止石墨烯的卷曲和堆积以提高其分散性，再用氢溴酸对 GO进行还原和溴化，通过硫脲和氢氧化钠进一步水解得到硫醇功能化石墨烯(CTAB-G-SH)。结果表明，GO结构中的羟基和环氧基都被硫醇化形成巯基。然后，利用 S-Au键将AuNPs固载到石墨烯上，得到最终产物（CTAB-G-S-Au）。最后，将该材料修饰到电极上构建了一支新型电化学传感器用于检测NADH。实验结果表明，该传感器对NADH的氧化反应表现出较高的电催化活性和较低的检测限，说明该修饰材料可以用于生物传感应用。

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

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1绪论

1.1石墨烯

1.1.1石墨烯概述

1.1.2 氧化石墨烯概述

1.1.3 石墨烯的性质

1.1.4 石墨烯的制备

1.1.5 石墨烯的功能化

1.1.6 石墨烯在电化学生物传感器中的应用

1.2 金属纳米粒子

1.2.1金属纳米粒子的性质

1.2.2金属纳米粒子的制备

1.2.3金属纳米粒子在电化学生物传感器中的应用

1.3本文研究思路

2 基于Pt-PDDA-rGO纳米材料的电化学传感器检测H2O2

2.1前言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器和试剂

2.2.2 氧化石墨烯(GO)的制备

2.2.3 Pt-PDDA-rGO杂化材料的制备

2.2.4 H2O2传感器的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 Pt-PDDA-rGO杂化材料的表征

2.3.2 Pt-PDDA-rGO/GCE的电化学表征

2.3.3 H2O2在Pt-PDDA-rGO/GCE上的电化学响应

2.3.4 H2O2传感器性能的研究

2.4 实验结论

3 基于PDDA-rGO纳米复合材料的电化学传感器检测NADH

3.1前言

3.2 实验部分

3.2.1 仪器和试剂

3.2.2 氧化石墨烯(GO)的制备

3.2.3 PDDA-rGO复合材料的制备

3.2.4 NADH传感器的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 PDDA-rGO复合材料的表征

3.3.2 PDDA-rGO/GCE的电化学行为

3.3.3 NADH在PDDA-rGO/GCE上的电化学响应

3.3.4 NADH传感器性能的研究

3.4结论

4硫醇功能化石墨烯-金纳米粒子电化学传感器的制备及对NADH的检测

4.1前言

4.2 实验部分

4.2.1 仪器和试剂

4.2.2 氧化石墨烯(GO)的制备

4.2.3 CTAB-G-SH复合材料的制备

4.2.4 CTAB-G-S-Au复合材料的制备

4.2.5 NADH传感器的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 CTAB-G-S-Au复合材料的表征

4.3.2 CTAB-G-S-Au/GCE的电化学行为

4.3.3 NADH在CTAB-G-S-Au/GCE上的电化学响应

4.3.4 NADH传感器性能的研究

4.4结论

参考文献

攻读硕士期间论文发表及科研情况

致谢