石墨烯基纳米复合材料的制备及其生物电化学用的研究

论文摘要

石墨烯是一类新的二维碳纳米材料,具有较高的机械强度、高导热系数、高的比表面积以及良好的生物相容性,它对酶有较好的电子传输能力,对小分子有一定的催化能力,由于其有趣的物理化学性质,它被广泛的应用在超级电容器、电池、燃料电池和电化学生物传感器等生物化学的各个领域。但是,石墨烯具有疏水性,且石墨烯片层之间较易团聚,这些缺点大大的限制了石墨烯在电化学生物传感器方面的应用。利用化学修饰得到的石墨烯基纳米复合材料可以有效的增大石墨烯在水溶液中的分散性,且不影响石墨烯本身独特的性质。此外,复合材料还可表现出各组分材料的协同效应,从而使所构筑的电化学生物传感器具有更好的性能。直接电化学为研究生物体内酶与氧化还原蛋白质的电子转移机理提供了一个很好的模型。实现酶与电极之间的直接电子传输对开发无媒介体的第三代生物传感器、酶反应器以及生物医药设备具有重要意义。基于上述分析,本论文在石墨烯纳米复合材料的构筑及其电化学应用方面做了以下两方面的工作:1.首先通过π-π自组装利用水合肼同步还原氧化石墨烯的方法合成了单链DNA 修饰的石墨烯,即单链 DNA/石墨烯（single-stranded DNA/Graphene,ss-DNA/GP）纳米复合物,利用UV-Vis,FT-IR,Zeta电位,TEM和SEM对其结构和形貌等进行了表征。在此基础上,研究了 ss-DNA/GP/GC和ss-DNA/GC修饰电极基本的电化学性质,并对其电催化性能进行了探讨。系统考察了ss-DNA/GP/GC修饰电极对多巴胺的检测性能。实验结果表明,该电极可灵敏、快速的实现对多巴胺的选择性检测。检测线性范围是3X1O-6 mol/L-100×10-6 mo l/L,灵敏度为 8 3 0 mA/cm2/M。2.首次利用单链DNA为桥连高分子,通过桥连自组装方法制备了水溶性多壁碳纳米管-单链 DNA-石墨烯（MWNTs-single-stranded DNA-Graphene,MWNTs-ssDNA-GP）纳米复合物。在此复合物中,ss-DNA既是修饰剂,又是桥连剂,进而使得复合物具有较好的水溶性以及表面负电荷性质。在此基础上,进一步利用该复合物与辣根过氧化物酶（Horseradish peroxidase,HRP）间的静电自组装,构建了 HRP/MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极。实验结果表明该复合物可以实现HRP与电极间的直接电子传输。此外,固定在复合物膜内的HRP依旧保持着较好的生物活性,对H202,NaN02都有良好的电催化活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 0.1 生物传感器简介
• 0.1.1 生物传感器的概念及其分类
• 0.1.2 电化学生物传感器及其分类
• 0.1.3 电化学生物传感器的研发及应用
• 0.2 纳米材料概述
• 0.2.1 纳米材料的概念及发展历程
• 0.2.2 纳米材料的特性
• 0.2.3 纳米材料在电化学生物传感器中的应用
• 0.3 石墨烯简介
• 0.3.1 石墨烯的制备方法
• 0.3.2 石墨烯的化学修饰
• 0.3.3 石墨烯的应用
• 0.4 碳纳米管
• 0.4.1 碳纳米管的化学功能化修饰
• 0.4.2 碳纳米管的应用
• 0.5 酶及氧化还原蛋白质简介
• 0.5.1 辣根过氧化物酶
• 0.5.2 酶的固定
• 0.6 本文的立题思想和主要研究工作
• 0.6.1 立题思想
• 0.6.2 主要研究工作
• 第1章 脱氧核糖核酸-石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学应用
• 1.1 引言
• 1.2 药品与试剂
• 1.3 主要仪器
• 1.4 实验部分
• 1.4.1 ss-DNA的制备
• 1.4.2 氧化石墨烯的制备
• 1.4.3 ss-DNA /GP纳米复合材料的制备
• 1.4.4 电极预处理
• 1.4.5 ss-DNA/GP/GC修饰电极的制备
• 1.5 结果与讨论
• 1.5.1 ss-DNA/GP/GC修饰电极的构筑示意图
• 1.5.2 ss-DNA/GP复合物的表征
• 1.5.3 ss-DNA/GP复合物的光谱表征
• 1.5.4 ss-DNA/GP/GC修饰电极表征及其对多巴胺的电催化研究
• 1.5.5 ss-DNA/GP/GC修饰电极在多巴胺与抗坏血酸共存的条件下电化学研究
• 1.6 本章小结
• 第2章 水溶性多壁纳米碳管-单链脱氧核糖核酸-石墨烯复合物的制备及其电化学应用
• 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（GO）的制备
• 2.4.2 ss-DNA /GP纳米复合材料的制备
• 2.4.3 ss-DNA/MWNTs纳米复合材料的制备
• 2.4.4 多壁纳米碳管-ssDNA-石墨烯（MWNTs-ssDNA-GP）复合物的制备
• 2.4.5 电极的预处理
• 2.4.6 ss-DNA-GP/GC,ss-DNA-MWNTs/GC,MWNTs-ssDNA-GP/GC以及HRP/ss-DNA-GP/GC,HRP/ss-DNA-MWNTs/GC,HRP/MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极的制备
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 ss-DNA/GP纳米复合物的表征
• 2.5.2 ss-DNA/MWNTs纳米复合物的表征
• 2.5.3 多壁纳米碳管-单链DNA-石墨烯（MWNTs-ssDNA-GP）复合物的表征
• 2.5.4 ss-DNA-GP/GC和MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极的电化学性能
• 2.5.5 HRP/MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极的构筑示意图
• 2.5.6 HRP/MWNTs-ssDNA-GP纳米复合物的光谱表征
• 2.5.7 HRP/MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极的电化学行为研究
• 2.5.8 pH值对HRP/MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极的电化学行为的影响研究
• 2.5.9 HRP/MWNTs-ssDNA-GP/GC修饰电极催化性能研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 结论与展望
• 3.1 结论
• 3.2 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