石墨烯/金纳米棒复合材料制备及其电化学传感器应用研究

摘要

石墨烯(Graphene)是一种新型二维结构的纳米材料，具有比表面积大、导电能力强、催化效率高、表面反应活性高以及吸附能力强等优异性质，吸引越来越多研究者的注意。目前，石墨烯被广泛应用在传感、催化、能量储存和转换、复合材料等领域。本论文制备了良好水分散性的石墨烯/金纳米棒复合材料，并应用其修饰电极来对莱克多巴胺(RAC)和人乳头瘤状病毒(HPV)DNA序列进行电化学检测，构建了操作简单、响应快速、灵敏度高、选择性好的新型电化学传感器。主要内容如下:
　　(1)通过改进的Hummer's氧化还原法，在碱性条件下用硼氢化钠还原氧化石墨烯，从而合成出具有良好水分散性的石墨烯。再通过一步制备法，用抗坏血酸还原含有石墨烯的金生长溶液，由于静电作用，生成的带正电的金纳米棒(AuNRs)吸附到石墨烯表面上，制备得到石墨烯/AuNRs复合材料。对制得的材料分别用紫外可见、红外和透射电子显微镜等表征。
　　(2)用制备的石墨烯/AuNRs复合材料修饰玻碳电极来构建电化学传感器，使用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)来研究莱克多巴胺在该修饰电极上的电化学行为。结果表明，在pH为6.2时，莱克多巴胺浓度范围检测为1×10-9～2.7×10-6mol·L-1，线性关系良好，回归方程为:ip（μA）=5.88C(mol·L-1)+4.66×10-6，r=0.9996)，该方法的检出限为5.1×10-10mol·L-1(S/N=3)。再使用该方法对实际猪尿样品进行加标回收检测，测得样品加标回收率在99.2～107.3％之间。
　　(3)使用电化学聚合方法，制备得到石墨烯/AuNRs/聚硫堇复合膜并将其修饰在玻碳电极上，先由HPV捕获探针与AuNRs形成的Au-S键将捕获探针固定在电极上，再根据碱基互补配对原则，借助辅助探针AP1和AP2来形成长范围自组装DNA纳米结构并将其作为信号放大载体来构建一个简单而灵敏的DNA电化学生物传感器。通过研究HPV的DNA片段序列在电极上的电化学行为来对HPV DNA序列进行诊断和痕量。结果表明，该电化学生物传感器对HPV DNA具有很好的灵敏性和选择性，HPV DNA的浓度检测范围为1.0×10-8～1.0×10-13mol·L-1，呈良好的线性关系，线性回归方程为:ip(μA)=38.68315+2.15253(logC(mol·L-1)(r=0.987，n=6）。该DNA生物电化学传感器检出限(S/N=3)为4.034×10-14mol·L-1。
　　(4)将制备得到的水分散性的石墨烯/金纳米棒复合材料应用于电化学传感器和生物传感器分别来检测莱克多巴胺和HPV DNA序列，并进行实样检测，都取得了令人满意的效果，表明该新方法选择性好，有很高的精确性和灵敏度，用这种新型材料构建的电化学传感器在药物分子、生物分子检测方面有着潜在的应用价值，可考虑将其应用在食品安全、基因诊断等领域。

目录

摘要

1 绪论

1．1 石墨烯

1．1．1 石墨烯的结构及性质

1．1．2 石墨烯的合成方法

1．2 金纳米棒

1．2．1 金纳米棒的特点

1．2．2 金纳米棒的制备

1．3 石墨烯复合材料的研究进展

1．3．1 无机非金属／石墨烯复合材料

1．3．2 金属／石墨烯复合材料

1．3．3 聚合物／石墨烯复合材料

1．3．4 其他石墨烯基复合材料

1．4 电化学传感器

1．4．1 电化学传感器概述

1．4．2 电化学生物传感器

1．4．3 电化学传感和生物传感器的应用

1．5 石墨烯及其复合材料在电化学分析中的应用

1．5．1 用于DNA生物传感器

1．5．2 用于酶生物传感器

1．5．3 检测生物小分子

1．5．4 其它

1．6 本课题的研究内容

2 分散性石墨烯及其复合物的制备研究

2．1 实验试剂

2．2 主要仪器设备

2．3 石墨烯及其复合物的制备

2．3．1 氧化石墨(GO)的制备

2．3．2 石墨烯的制备

2．3．3 石墨烯／AuNRs的制备

2．4 表征方法

2．4．1 紫外-可见光谱(UV-Vis)

2．4．2 傅里叶红外光谱(FTIR)

2．4．3 透射电子显微镜(TEM)

2．4．4 电化学测试

2．5 结果与讨论

2．5．1 石墨烯及其复合材料的表征

2．5．2 石墨烯及其复合材料的修饰电极的电化学行为研究

2．6 结论

3 石墨烯／金纳米棒复合材料对莱克多巴胺的电化学检测性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 修饰电极的制备

3．2．2 实际样品的制备

3．2．3 检测方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 莱克多巴胺的检测

3．3．2 重复性和稳定性

3．3．3 干扰试验

3．3．4 线性范围和检出限

3．3．5 实样检测

3．4 结论

4 石墨烯／金纳米棒／聚硫堇复合材料对人乳头瘤状病毒DNA电化学研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 修饰电极的制备

4．2．3 自组装DNA

4．2．4 检测方法和仪器

4．3 结果与讨论

4．3．1 传感器的设计原理

4．3．2 电化学表征

4．3．3 电化学生物传感器构建条件的优化

4．3．4 目标DNA的电化学检测

4．3．5 生物传感器的灵敏性

4．3．6 干扰实验

4．4 结论

5 总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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