石墨烯基多功能纳米杂化材料的自组装构建及其生物检测应用

摘要

基于生物检测及食品检测方面的应用，多功能纳米杂化材料在检测技术、生物分子技术、电化学检测以及纳米材料科学等多个领域起着至关重要的作用。为此，以石墨烯为基底的多功能纳米杂化材料被越来越多的探讨和研究。材料的宏观性能不仅仅与材料天然的内在性能有关也取决于材料的结构组成。本文以石墨烯为基底结合零维、一维构筑体从方法到机理探讨如何去构建二、三维纳米杂化材料，同时制备了新颖的多功能纳米杂化材料，通过多种表征手段对构建机理及材料性能进行研究，并实现了电化学生物传感器及生物、食品的检测应用。主要研究内容及结论如下:
　　1.三元石墨烯基纳米杂化材料自组装设计。首先采用电极电解法制备具有高电催化性的石墨烯量子点(GQDs)(0D);其次将GQDs通过π-π作用力吸附到生物多肽纳米线表面形成一维(1D)结构的GQDs纳米线。设计的新型多肽分子两端AEAKAEAK序列在乙醇溶液中自组装形成多肽纳米线，其中间YWYAF序列对GQDs和RGO都具有π-π作用力;最后将量子点纳米线杂化材料通过非共价键作用吸附到石墨烯片层表面形成三元石墨烯基纳米杂化材料。实验结果表明这种特殊结构的杂化材料对过氧化氢(H2O2)的检测具有良好的灵敏性、且检测限低和检测范围宽。该工作不仅提供了一种精确构建石墨烯基纳米杂化材料的方法同时也制备了具有优越性能的电化学生物传感器。
　　2.本论文中制备了大尺寸的二维还原氧化石墨烯/银纳米粒子(RGO/AgNP)杂化膜。以石墨烯表面的氧化基团作为生长点，将银纳米粒子(AgNP)均匀、密集的负载到石墨烯表面，同时石墨烯也被还原为还原氧化石墨烯，最后在气液相界面自组装成膜制备得RGO/AgNP纳米杂化膜。基于银纳米粒子极强的等离子共振效应以及对部分有机分子有较强吸附性，能够极大的增强具有对称性结构的有机分子的Raman信号，因此实验中将RGO/AgNP纳米杂化膜作为拉曼增强(SERS)基底材料针对三聚氰胺(MA)和罗丹明R6G(R6G)分子进行超低浓度SERS检测。实验结果显示，RGO/AgNP纳米杂化膜对这两种分子有极强的Raman信号增强作用。对于R6G分子，其增强因子可达E=2.3×106，最低检测极限为1.0×10-12 M，而对于MA其检测最低检测限为1.0×10-7 M。这为分子检测、食品检测提供了一种高效灵敏的检测基底，在检测技术和生物分子技术等领域具有重要的意义。
　　3.本论文中将NG/AgNP杂化体通过静电纺丝的方法制备得到3D电化学膜电极。实验中将大片层的石墨烯机械剪切成为尺寸＜500 nm的小尺寸纳米片层材料，然后再与银纳米粒子杂化得到具有高电催化性能的杂化体单元，最后将杂化体通过经静电纺丝技术制备得到三维多孔的石墨烯基多功能纳米杂化膜电极材料。该方法可以直接制备高活性生物传感器的3D膜电极。由于石墨烯/纳米银杂化体均匀分散在整个电极材料中，提供了极大的比表面积，有利于检测底物于催化剂之间的接触，同时其结构、功能、力学性能都能够很好的控制。另外纤维的形貌可以通过静电纺丝的条件来控制。电化学测试显示其具有良好的灵敏性、极低的检测线和很宽的检测范围。这种方法为简单快速高效构建高活性电化学膜电极提供了一种新颖的思路。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 石墨烯简介

1．2 石墨烯制备

1．2．1 微机械剥离法

1．2．2 取向生长法

1．2．3 化学气相沉积法

1．2．4 Hummers氧化还原法

1．3 石墨烯基纳米杂化材料的研究进展

1．3．1 石墨烯基纳米杂化材料在储能领域的应用

1．3．2 石墨烯基纳米杂化材料在药物载释中的应用

1．3．3 石墨烯基纳米杂化材料在生物传感中的应用

1．3．4 石墨烯基纳米杂化材料在组织工程中的应用

1．4 本课题的立题依据和主要研究内容

第二章 石墨烯量子点-多肽纳米线-石墨烯三元杂化体：设计、合成、组装机理及应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料与试剂

2．2．2 实验设备

2．2．3 石墨烯量子点(GQDs)的制备

2．2．4 多肽纳米线(PNFs)的设计合成

2．2．5 二元GQD-PNF杂化体的制备

2．2．6 单层石墨烯的制备

2．2．7 三元GQD-PNF-GO杂化体的制备

2．2．8 PNF and GO基底的制备

2．2．9 GQDs和PNFs改性AFM针尖

2．2．10 GQD-PNF-GO改性电极的制备

2．2．11 样品表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 GQDs的表征

2．3．2 多肽纳米线的表征

2．3．3 二元GQD-PNF和三元GQD-PNF-GO杂化体的表针

2．3．4 三元GQD-PNF-GO杂化体组装机里研究

2．3．5 电化学测试

2．4 本章小结

第三章 二维RGO／AgNP纳米杂化膜的构建以及作为SERS基底在分子检测方面的应用

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验方法

3．2．4 样品表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 石墨烯的表征

3．3．2 RGO／AgNP hybrid的表征

3．3．3 RGO／AgNP杂化膜的形貌和表征

3．3．4 RGO／AgNP杂化膜的性能结构表征

3．3．5 RGO-AgNP杂化膜的SERS测试应用

3．4 本章小结

第四章 三维多孔石墨烯杂化电极材料：精细设计、高效制备以及其生物检测应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料与试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 单层石墨烯的制备

4．2．4 纳米尺寸单层石墨烯的制备

4．2．5 静电纺丝制备PVA，PVA-AgNP，PVA-NG和PVA-NG／AgNP纳米纤维

4．2．6 膜电极的制备

4．2．7 样品的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 单层石墨烯及纳米尺寸单层石墨烯的表征

4．3．2 NG／AgNP Hybrids的表征

4．3．3 PVA，PVA-AgNP，PVA-NG和PVA-NG／AgNP纳米纤维的表面形貌表征

4．3．4 PVA，PVA-AgNP，PVA-NG和PVA-NG／AgNP纳米纤维的结构表征

4．3．5 膜电极电化学性能的表征

4．3．6 石墨烯及纳米粒子对材料电化学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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