石墨烯纳米复合材料在电化学非酶传感器中的应用

摘要

电化学生物传感器是传感器的一个重要分支，在生物传感研究中占据重要地位，广泛应用于军事、临床及环境分析等领域。随着纳米科技飞速发展，具有不同功能的纳米材料不断涌现。纳米材料以其独特的物理、化学性质在电学、光学领域具有广阔的应用前景。石墨烯(RGO)具有独特的单原子层二维晶体结构，RGO的问世大大推动了电化学生物传感器的发展。本文以RGO纳米复合材料为基础构建了两种电化学非酶传感器。主要研究成果如下:
　　1.利用壳聚糖(CHIT)的成膜作用，通过超声和搅拌分散RGO，在RGO-CHIT分散液中将氯金酸(HAuCl4)原位还原为纳米金（GNPs），得到稳定的RGO-CHIT-GNPs分散液;利用滴涂法制备修饰电极(RGO-CHIT-GNPs/Au)，再将PB-Au复合物电沉积固定到RGO-CHIT-GNPs/Au表面，制备非酶H2O2传感器(PB-Au/RGO-CHIT-GNPs/Au)。利用循环伏安法(CV)和电化学交流阻抗技术(EIS)表征了传感器的制备过程，并从PB-Au沉积圈数、RGO用量、底液酸度及检测温度四个方面优化了实验条件。在优化条件下，通过电位法利用PB-Au/RGO-CHIT-GNPs/Au对溶液中H2O2浓度进行检测。结果表明，所制备的传感器具有良好的选择性与一致性，线性范围为3.5×10-9M～2.2×10-2M，相关系数0.9987，检测下限达到3.5×10-9M，可重复使用7次，检测雪水中痕量H2O2的回收率在97～102％范围内，相对标准偏差为1％。所制得的传感器具有较宽的线性范围及较低的检测下限，适用于H2O2的快速检测，具有潜在的应用价值。
　　2.以改进的Alder法制备巯基钴卟啉(CoTMPP)，利用CoTMPP与RGO的π-π作用制备RGO-CoTMPP复合材料;通过UV、IR和FS表征产物结构;考察卟啉浓度及自组装时间对自组装膜形成的影响;从复合材料制备方法和RGO用量上优化实验条件，制备出具有优良性能的RGO-CoTMPP/Au修饰电极。结果表明，当RGO-CoTMPP质量浓度为10 mg/L，复合材料中RGO与CoTMPP的物料比为1∶2时，得到的RGO-CoTMPP/Au具有较好的电化学性能。
　　3.在第二部分实验的基础上，利用恒电位法将GNPs固定在以最优条件制备的RGO-CoTMPP/Au表面，制得非酶葡萄糖传感器(GNPs/RGO-CoTMPP/Au)。通过CV及EIS对传感器的制备过程进行了表征，并对底液酸度与HAuCl4用量进行了优化。结果表明，制得的传感器具有良好的选择性及重现性，可重复使用13次，检测范围为1.0×10-6M～1×10-2M，r=0.9911，检测下限达5.8×10-7M，可应用于人体血糖含量检测。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 石墨烯简介

1．1．1 石墨烯的结构及性质

1．1．2 石墨烯的制备

1．1．3 石墨烯纳米复合材料

1．2 纳米材料在非酶传感器中的应用

1．2．1 基于纳米金的非酶传感器

1．2．2 基于石墨烯的非酶传感器

1．2．3 基于纳米普鲁士蓝的非酶传感器

1．3 选题依据及意义

1．4 论文主要研究内容

2 实验仪器及方法

2．1 实验仪器与试剂

2．1．1 主要实验仪器

2．1．2 主要实验试剂

2．2 实验方法

2．2．1 光谱表征方法

2．2．2 电化学表征方法

2．2．3 电化学检测方法

3 基于普鲁士蓝／石墨烯纳米复合材料的非酶过氧化氢传感器

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 基底电极的预处理

3．2．2 石墨烯-壳聚糖-纳米金修饰金电极的制备

3．2．3 非酶过氧化氢传感器的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 非酶过氧化氢传感器的反应机理

3．3．2 传感器制备过程中各修饰电极的电化学表征

3．3．3 非酶过氧化氢传感器的电化学特性

3．3．4 实验条件的优化

3．3．5 非酶传感器对过氧化氢的电位响应

3．3．6 非酶传感器检测过氧化氢的一致性

3．3．7 非酶过氧化氢传感器的使用寿命与储存寿命

3．3．8 非酶过氧化氢传感器的选择性

3．3．9 非酶传感器对雪水中痕量过氧化氢的检测

3．4 本章小结

4 石墨烯-巯基钴卟啉纳米复合材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 卟啉化合物的制备

4．2．2 氧化还原法制备石墨烯

4．2．3 石墨烯-巯基钴卟啉纳米复合材料的制备

4．2．4 修饰电极的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 卟啉化合物的红外光谱表征

4．3．2 卟啉化合物的紫外光谱表征

4．3．3 卟啉化合物的荧光光谱表征

4．3．4 卟啉自组装膜修饰电极的电化学表征

4．3．5 卟啉自组装膜修饰电极的电化学性质

4．3．6 卟啉浓度与自组装时间对自组装膜修饰电极电化学性能的影响

4．3．7 卟啉自组装膜在碱溶液中的解析还原

4．3．8 石墨烯的光谱及电化学表征

4．3．9 石墨烯纳米复合材料的表征

4．3．10 实验条件的优化

4．4 本章小结

5 基于纳米金／石墨烯纳米复合材料的非酶葡萄糖传感器

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 石墨烯-巯基钴卟啉复合材料修饰电极的制备

5．2．2 非酶葡萄糖传感器的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 非酶葡萄糖传感器的反应机理

5．3．2 非酶葡萄糖传感器制备过程的电化学表征

5．3．3 非酶传感器对葡萄糖的电催化氧化

5．3．4 实验条件的优化

5．3．5 非酶传感器对葡萄糖的电流响应

5．3．6 非酶葡萄糖传感器的一致性

5．3．7 非酶葡萄糖传感器的使用寿命

5．3．8 非酶葡萄糖传感器对葡萄糖的选择性

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢