石墨烯纳米复合材料的制备及其生物电化学应用研究

论文摘要

碳材料以其良好的导电性和稳定性被广泛应用于分析化学和材料科学研究领域。石墨烯,作为一种由六边形单元组成的蜂窝状单分子层的二维碳纳米材料,具有比表面积大、导电性好等优良特性,在很多领域引起了广泛研究与关注。最近,人们发现将石墨烯（GP）作为电极材料可以有效地促进蛋白质和酶的氧化还原中心与电极表面间的电子传输。石墨烯基的纳米复合材料可以在电极表面固载电活性的酶,构筑无媒介体的电化学生物传感器,不但使固载的酶能够很好地保持其自身的生物活性而且有效促进了酶与电极间的电子传输。本论文的研究内容主要包括以下几个部分:1.通过π-π相互作用制备了聚1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐修饰的石墨烯纳米复合材料（Poly（ViEtIm+Br-）-GP）,此复合物带有明显的正电荷,可以通过静电相互作用固载酶;通过自组装的方法,将葡萄糖氧化酶（GOD）固载到Poly（ViEtIm+Br-）-GP修饰的玻碳（GC）电极上,成功地实现了酶与电极间的直接电子转移。研究结果表明,GOD/Poly（ViEtIm+Br-）-GP/GC修饰电极对葡萄糖表现出良好的催化性能,催化的线性范围为0.8–20 mM,检出限为0.267 mM,灵敏度为0.767 A·cm-2·mM-1。此纳米复合材料为无媒介体的电化学生物传感器的发展提供了一个良好的平台。2.将表面活性剂—十二烷基苯磺酸钠（SDBS）与具有良好导电性的石墨烯通过疏水-疏水作用复合,首次将这种纳米复合物作为电极材料应用到氧化还原酶的固载和生物传感中。通过自组装的方法,在静电力的作用下将辣根过氧化酶（HRP）与SDBS/GP纳米复合物固载到电极表面,构筑了HRP/SDBS/GP/GC修饰电极。通过紫外-可见光谱和红外光谱对自组装过程进行了跟踪监测,结果表明,固载的HRP能够保持其天然构象及生物活性。该电极在pH 5.7的磷酸缓冲溶液中的循环伏安曲线呈现出一对良好的HRP的氧化还原峰,式电位为-0.249 V,并且固载的HRP对H2O2, NaNO2和O2均表现出良好的电催化活性。3. 1-棕榈酰-2-油酰甘油-3-磷酸钠（POPG）是脂质的一种,具有良好的生物相容性,通过非共价作用制备POPG与石墨烯的纳米复合物（POPG/GP）,此复合物兼具两组份各自的优点,例如,脂质较好的生物相容性和石墨烯良好的导电性等。POPG的存在不仅可以使石墨烯有良好的水分散性而且可以使其带负电荷,有效地防止了石墨烯片间的团聚,为进一步通过自组装方法固载酶提供了前提条件。利用POPG/GP构筑的HRP/POPG/GP/GC修饰电极,能够很好地实现直接电子传输,表现出良好的电化学响应、较好的稳定性和重现性,而且对H2O2表现出优良的电催化性能,高灵敏度和宽的检测范围。此类生物相容性的纳米复合物对直接电化学和生物传感器的构筑有着潜在的应用价值,值得深入研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料的定义
• 1.1.2 纳米材料的特性
• 1.1.3 纳米材料在生物传感器中的应用
• 1.2 石墨烯概述
• 1.2.1 石墨烯的简介
• 1.2.2 石墨烯的结构与特性
• 1.2.3 石墨烯的制备
• 1.2.4 石墨烯纳米复合材料在氧化还原蛋白质电化学研究中的应用
• 1.3 电化学生物传感器
• 1.3.1 生物传感器及其分类
• 1.3.2 电化学生物传感器及其分类
• 1.3.3 电化学酶传感器
• 1.3.4 电化学酶传感器发展的历程
• 1.4 酶的固载
• 1.4.1 葡萄糖氧化酶
• 1.4.2 辣根过氧化酶
• 1.4.3 酶的固载方法
• 1.5 本文的立题思想和主要研究内容
• 1.5.1 立题思想
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 聚合离子液体-石墨烯纳米复合物的制备及其直接电化学应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 药品与试剂
• 2.3 主要仪器
• 2.4 实验部分
• 2.4.1 氧化石墨烯的制备
• +Br^-）-GP 复合物的制备'>2.4.2 Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP 复合物的制备
• 2.4.3 电极的预处理
• +Br^-）-GP/GC 修饰电极的制备'>2.4.4 GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP/GC 修饰电极的制备
• 2.4.5 电化学实验方法
• 2.5 结果与讨论
• +Br^-）-GP/GC 修饰电极的构筑'>2.5.1 GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP/GC 修饰电极的构筑
• +Br^-）-GP 复合物的光谱表征'>2.5.2 GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP 复合物的光谱表征
• +Br^-）-GP/GC 修饰电极的电化学行为研究'>2.5.3 GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP/GC 修饰电极的电化学行为研究
• +Br^-）-GP/GC 修饰电极电化学行为的影响'>2.5.4 pH 值对GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP/GC 修饰电极电化学行为的影响
• +Br^-）-GP/GC 修饰电极对葡萄糖催化性能的研究'>2.5.5 GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP/GC 修饰电极对葡萄糖催化性能的研究
• +Br^-）-GP/GC 修饰电极的重复性和稳定性实验'>2.5.6 GOD/Poly（ViBuIm⁺Br^-）-GP/GC 修饰电极的重复性和稳定性实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 SDBS-石墨烯纳米复合物的制备及其直接电化学应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 药品与试剂
• 3.3 主要仪器
• 3.4 实验部分
• 3.4.1 SDBS/GP 纳米复合材料制备
• 3.4.2 HRP/SDBS/GP/GC 修饰电极的制备
• 3.4.3 电化学实验方法
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 SDBS/GP 复合材料的形貌表征
• 3.5.2 HRP/SDBS/GP/GC 修饰电极的构筑
• 3.5.3 HRP/SDBS/GP 复合物的光谱表征
• 3.5.4 HRP/SDBS/GP/GC 修饰电极的直接电化学性质
• 3.5.5 HRP/SDBS/GP/GC 修饰电极电化学催化性能研究
• 3.5.6 HRP/SDBS/GP/GC 修饰电极的重复性和稳定性
• 3.6 本章小结
• 第4章 具有生物相容性的 POPG-石墨烯复合物的制备及其直接电化学应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 药品与试剂
• 4.3 主要仪器
• 4.4 实验部分
• 4.4.1 POPG/GP 纳米复合材料制备
• 4.4.2 HRP/POPG/GP/GC 修饰电极的制备
• 4.4.3 电化学实验方法
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 POPG/GP 复合材料的形貌表征
• 4.5.2 POPG/GP 复合材料UV-Vis 及Zeta 电位表征
• 4.5.3 HRP/POPG/GP/GC 修饰电极的构筑
• 4.5.4 HRP/POPG/GP 复合物的光谱表征
• 4.5.5 HRP/POPG/GP/GC 修饰电极的直接电化学性质
• 4.5.6 pH 值对HRP/POPG/GP/GC 修饰电极的电化学行为的影响
• 4.5.7 HRP/POPG/GP/GC 修饰电极催化性能研究
• 4.5.8 HRP/POPG/GP/GC 修饰电极的重复性和稳定性实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步研究计划
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况