石墨烯-金属纳米复合材料修饰电极的制备及其电化学性能研究

摘要

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯因其杰出的电子的、电化学的以及耐热的优越性能和实际应用价值而吸引了众多人的兴趣。石墨烯的独特性质，如高比表面积，高电子转移速率和良好的生物相容性，表明它有望应用于包括复合材料、电子、新能源和医学疗法等广泛领域。本文中我们合成了石墨烯及介孔二氧化锰、金纳米棒、银纳米簇等纳米材料。利用石墨烯的独特性质，结合金属纳米材料的高催化性能、高生物相容性等性能，构建了基于石墨烯-金属纳米复合材料修饰电极并应用于H2O2和农药残留的电化学检测研究。本论文主要开展了以下几方面的研究工作：　　（1）利用石墨烯和介孔二氧化锰复合材料修饰玻碳电极构建了一种新的无酶H2O2电化学传感器。采用Hummer法合成石墨烯，水热合成法合成介孔二氧化锰，分别采用高倍透射电子显微镜（HRTEM）和扫描电子显微镜（SEM）对石墨烯和介孔二氧化锰的形貌结构进行表征。该无酶传感器在0.7V电位下对H2O2表现出了很好的电催化氧化特性。实验结果表明，传感器在稳态电流条件下的响应时间为3s，并且H2O2浓度在5μM～3mM范围内与传感器的信号响应呈现良好的线性关系，灵敏度为408.86μA·mM–1·cm–2，检测限为7.03×10–7M(S/N=3)。此外，其他电活性物质对该传感器的测量没有明显干扰，并且对市售的牛奶样品中H2O2进行检测，结果令人满意。　　（2）利用石墨烯和金纳米棒（GR-AuNRs）复合材料修饰玻碳电极构建了一种新的无酶H2O2电化学传感器。采用种子生长法制备得到金纳米棒，通过高倍透射电子显微镜和紫外-可见光谱仪对GR-AuNRs复合材料的形貌特征进行表征。所制备的GR-AuNRs复合材料增大了氧化还原物质电化学表面活性区域以及加快了电子的转移性能。该GR-AuNPs复合材料制备的传感器对H2O2的表现出很好的电催化还原性能；该传感器在H2O2浓度为30μM～5mM范围内呈现出良好的线性关系，灵敏度为389.2μA·mM–1·cm–2，检出限为1×10–5M（S/N=3）。此外，该复合材料修饰电极对共存的其他电活性物质表现出很好的抗干扰能力。　　（3）构建了一种基于乙酰胆碱酯酶（AChE）固定在银纳米簇（AgNCs）和石墨烯（GR）修饰的玻碳电极表面用于检测辛硫磷农药的电化学传感平台。AChE通过与羧基化壳聚糖交联组装到AgNCs–GR修饰电极上用于检测辛硫磷（一种农药）。乙酰胆碱酯酶能与辛硫磷农药发生相互作用而导致的其对底物的催化活性受到抑制，以硫代乙酰胆碱（ATCl）为底物，能实现对辛硫磷杀虫剂分子进行检测。最佳条件下测得辛硫磷对酶活性的抑制率与其浓度在0.2nM～0.25μΜ范围内的对数呈较好的线性关系，检出限为8.1×10-11M。该生物传感器表现出较好的灵敏度，可接受的稳定性和再现性。

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第1章 绪论

1.1 石墨烯概述

1.2 金属纳米材料

1.3 过氧化氢概述

1.4 农药残留研究概况

1.5 选题依据与完成的主要内容

第2章 基于石墨烯-金纳米棒复合材料构建无酶过氧化氢传感器

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 基于石墨烯-介孔二氧化锰复合材料构建无酶过氧化氢传感器

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 小结

第4章 基于石墨烯-银纳米簇复合材料构建乙酰胆碱酶生物传感器

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及获奖情况

致谢