石墨烯复合材料传感器的构建及其在环境检测中的应用

【摘要】 电化学传感器是一种由感应元件和换能器组成的,基于待测物的电化学性质对目标物进行检测的分析系统。作为分析检测领域重要的技术,电化学传感器具有操作简便、价格低廉、选择性高、分析速度快、可进行在线分析等传统分析方法不可比拟的优势,已经在环境检测、食品工业、生物医学研究、发酵工业生产等领域得到了高度的关注和广泛的应用。本论文针对电化学传感器研究和环境分析检测中的一些关键问题,即如何高效、清洁地将材料固定到传感器上,如何快速、灵敏地检测五氯苯酚、甲基对硫磷、亚硝酸盐等环境污染物,通过变换不同的材料、使用不同的修饰方法制备出了一系列新型的电化学传感器,并将其应用于环境分析检测中。采用循环伏安(CV)、方波阳极溶出伏安(SWV)、时间-电流法(i-t)、差分脉冲伏安(DPV)等多种电化学技术,以及电致化学发光(ECL)、紫外可见分光光度法(UV-vis)、傅里叶红外光谱(FTIR)2荧光分光光度法(FL)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等其他技术手段,详细研究了构建的电化学传感器的结构、性质及其检测性能。本论文主要研究工作如下：1.通过电化学还原的方法将氧化性碳量子点/氧化石墨烯(OCQDs/GO)一步电还原为碳量子点/石墨烯(CQDs/GR),同时由于OCQDs/GO与CQDs/GR溶解度的不同,制备出的CQDs/GR复合材料随之沉积在了电极表面。通过SEM、TEM、 FL、UV-vis、CV和ECL对CQDs/GR复合材料进行了表征,实验结果表明制得的CQDs/GR复合材料非常稳定,能使传感器保持很好的稳定性；同时由于石墨烯(GR)优良的导电性,放大了ECL信号,大大提高了传感器的灵敏度；并且GR巨大的比表面积增加了碳量子点(CQDs)负载量,整个复合材料表现出良好的ECL检测性能,最终成功实现了对五氯苯酚(PCP)的高灵敏特异性检测,检测线性范围为1.0x10-12～1.0×10-8M,检测下限达到1.0×10-12M。同时该传感器实现了对实际土壤中PCP的检测,说明该传感器具有良好的实际应用前景。本论文首次通过一步电沉积的方法,以GR为模板实现了CQDs的固定化,从而使传感器的重复使用成为可能；同时利用GR可以放大ECL信号的作用和CQDs对PCP特异性氧化的作用,实现了高灵敏特异性检测PCP的目的。该研究方法为检测环境中的持久性有机污染物质提供了一条可能的思路：调控量子点尺寸,通过寻找与目标检测物氧化电位相匹配的量子点,利用GR为量子点固定化模板,实现对环境中有机污染物的高灵敏特异性检测。2.首先将玻碳电极置于氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(CS)的混合溶液中,接着通过一步电还原方法制备出稳定的石墨烯/壳聚糖(GR/CS)复合材料。GO的电化学还原过程消耗了H+,增大了电极附近溶液的pH值,从而使得CS变得不溶；同时由于GO电还原生成的石墨烯(GR)不易溶于水,因而最终GR与CS一起电沉积在玻碳电极表面上,并且由于浓度梯度差,保证了生成的GR/CS源源不断地被沉积到了在电极表面。实验结果表明,该GR/CS复合物可以用作固相萃取模板,对甲基对硫磷(MP)表现出良好的富集性能,并且基于其所构建的电化学无酶传感器能快速地实现对MP产生检测电流响应,在最优实验条件下,该GR/CS无酶传感器具有很宽的线性范围4.0-400ng/mL,检测限达到了0.8ng/mL。同时,该传感器具有良好的重现性,稳定性以及较好的选择性,为绿色、快速、简单、灵敏的检测有机磷农药提供了新的途径。3.将氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNTs)分散到壳聚糖(CS)中,形成GO/CNTs/CS混合液。由于氧化石墨烯(GO)的电化学还原过程消耗了H+,增大了电极附近溶液的pH值,从而使壳聚糖(CS)变得不溶；而基于GO电还原生成的石墨烯(GR)也不易溶于水；同时酸化的CNTs表面带有大量的含氧官能团,电还原过程中导致大量含氧官能团被还原,使得CNTs水溶性变差,该性质与GR类似；由此,利用它们三者电还原前后溶解度不同的原理,通过电沉积的方法直接一步制备出了GR/CNTs/CS复合材料,并且由于浓度梯度差,保证了生成的GR/CNTs/CS源源不断地被沉积到了在电极表面。该种方法由于不涉及到化学还原过程中经常使用的一些有毒还原剂如肼等,因此对环境友好而且不会造成二次环境污染。结合GR、CNTs和CS的各自优点,该GR/CNTs/CS可以用作固相萃取模板,对甲基对硫磷(MP)表现出良好的富集性能。在最优实验条件下,该GR/CNTs/CS电化学无酶传感器对MP检测线性范围为2.0-500ng/mL,检测限达到了0.5ng/mL。并且该传感器不但稳定性和重现性良好,而且具有较强的选择性。4.由于π-π相互作用,可以利用DNA实现碳纳米管(CNTs)的功能化后,通过简单的直流电沉积方法将DNA/CNTs/Cu2+复合材料固定于玻碳电极表面。电沉积在玻碳电极表面的DNA/CNTs/Cu2+复合材料对亚硝酸盐(N02-)具有良好的电催化性能,由此构建出一个灵敏的N02-电化学传感器。为了获得最高的灵敏度,通过实验详细研究了沉积液中Cu2+浓度、DNA浓度、CNTs浓度、电沉积时间等电沉积条件以及pH值和应用电位等检测条件对N02-在DNA/CNTs/Cu2+玻碳电极上响应电流的影响。实验结果表明,在最优条件下,该DNA/CNTs/Cu2+电化学传感器对N02-的检测线性范围为3.0×10-8-2.6×10"3M,检测限为3.0×10-8M,响应时间在3s以内。并且该DNA/CNTs/Cu2+电化学传感器表现出良好的稳定性、重现性和抗干扰能力,因此具有巨大的实际应用前景。5.通过一步电还原的方法,将玻碳电极置于由氧化石墨烯(GO)、壳聚糖(CS)和葡萄糖氧化酶(GOx)组成的GO/CS/GOx混合溶液中,直接在电极表面制备出石墨烯/壳聚糖/葡萄糖氧化酶(GR/CS/GOx)新型纳米复合膜。整个过程仅需要几分钟,而且形成的GR/CS/GOx膜均匀且厚度可控。循环伏安实验结果表明,GR/CS/GOx膜中的GOx保持了自身良好的生物活性,可以与电极之间发生直接电子转移,从而能够进一步用于对葡萄糖的检测。在最优实验条件下,该GR/CS/GOx电化学传感器对葡萄糖的检测线性范围为4.0×10-7～2.0×10-3M,检测限为4.0×10-7M,与其他采用滴涂的方法得到的GR/CS/GOx传感器相比,检测限降低了50倍。同时该传感器具有良好的稳定性、重现性和抗干扰能力,利用该GR/CS/GOx电化学传感器对实际人血清样本中葡萄糖的检测效果令人满意,与医院生化分析仪器所得结果一致,实际应用的潜力非常巨大。 

第1章绪论

1.1电化学传感器
作为应用于现代分析化学中的一类特殊传感器，电化学传感器是指以特定感应元件与目标物质发生反应产生感知信号，再通过特定的换能器将这种感知信号转换成可识别的、与目标物质浓度成比例的电信号，从而达到定性或定量的分析检测目标物质的一种装置或器件。根据电化学传感器的定义我们可以知道，电化学传感器主要由固定化的感应元件（识别系统）和换能器（转换系统）两部分构成，其基本结构和原理如图1.1所示。首先将具有特定识别功能的材料固定于基体表面形成感应元件，该识别系统主要有两个作用：感应元件特异性地与目标物质发生反应，并将获得的反应参数转化成传导系统可以产生感应信号；接着产生的感应信号被作为转换系统的换能器接收，该转换系统同样主要具有两个功能：首先将接收到的感应信号转化为可以测量的电学、电化学等电信号，然后把所获得的电信号通过电子系统二次放大处理后输出，通过仪器显示记录下来。由于通过二次放大的电信号与目标物质浓度成比例，依据它们之间的线性关系实现对目标物质的定性和定量分析检测。电化学传感器最早起源于20世纪50年代，主要用于氧气监测。直到1956年，美国的Clark教授发表了隔离式氧电极的经典论文：使用娃橡胶膜隔离了电极过程与主体溶液，这样的隔离操作在既不影响氧分子扩散进入电极内腔的前提下，又极大地避免了开放式氧电极中所遇到的外部物质干扰问题，他强调该隔离式氧电极扩大了氧电极的应用范围，可以用于测定很多物质，包括用于体内的检测⑷。随着屯化学、微电子和材料加工等科学技术的不断发展，到了 20世纪60年代，在之前氧电极研究的基础上，新型的酶电极和离子选择性电极相继问世，其中以Clark和Lyons于1962年首次构建出的“酶电极”为重要里程碑[5]:他们把固定好葡萄糖氧化酶的透析膜紧贴在氧电极上，然后将其与电化学技术相结合，利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖过程中需要消耗溶解氧这一化学原理，通过检测溶液中溶解氧浓度的变化，达到监测溶液中葡萄糖浓度的目的；但是，由于该种方法构建的酶电极不能重复使用，因此还达不到实际应用的要求。
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1.2纳米复合材料概述
复合材料，顾名思义，是指由两种或两种以上不同材料通过物理或者化学等不同方式方法组合而成、具有全新性能的混合物。由于不同材料在性能上具有协同作用，能够互相取长补短，因此复合材料可以发挥不同材料的优点，同时克服单一材料的缺陷，其综合性能往往比原组成材料更为优异，从而扩大了材料的应用范围。现代高科技的发展离不幵复合材料，由于其具有质量小、强度高、化学性能稳定、耐高温、耐腐烛、耐磨性、延展性优良、工艺性和可设计性好等其他材料无可比拟的优势，复合材料已经在航空航天、国防军事、交通运输、电子电器、建筑建设及体育运动等多个领域得到了极其广泛的应用。其中，纳米复合材料由于其特异的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子險道效应而最具有吸引力，纳米复合材料的研究和应用己经成为21世纪材料科学的重要探索内容，它的发展也标志着人类在原子、分子水平上认识和改造自然的能力又更进了一步。现今，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置，纳米复合材料的研究深度、应用广度及其生产速度和规模已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。正如我国著名科学家钱学森所说：“纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，笔耕文化推荐期刊，会是一次技术革命，从而将是二十一世纪的又一次产业革命”。
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第2章碳量子点/石墨稀的制备及其电致化学发光检测五氯苯酗

2.1前言
氯醋类物质是一类典型的环境持久型有机污染物，而且它们中的几种已经被美国环境保护局列为优先控制污染物、被癌症国际研究机构列为2B组环境致癌物[96_98]，对环境安全和人体健康都具有巨大的影响。在氯酷类物质中，用的最多、致癌性最强的就是五氯苯粉（简称为PCP)，由于PCP对环境和人体健康的危害极大，已经引起了人们的广泛关注和高度重视。由于PCP的浓度与环境中氯酷类物质总浓度线性相关，因此可以将PCP作为一个典型的氯酷类物质进行检测，从而达到监测实际环境中氯酷类物质浓度的目的；并且，由于欧盟和美国环保局对饮用水中PCP残留的严格规定（分别为0.5ppb和1 ppb)，在过去的几十年中，大量的研究工作致力于痕量或者超痕量检测PCP[99_iM]。然而这些现有的技术常常存在不足，比如：需要用到大型的贵重仪器设备、样品制备复杂、需要专业的工作人员操作，更重要的是由于这些技术不能微型化实现不了实时监测，导致这一实际应用中至关重要的问题还是没有得到有效的解决。
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2.2实验部分

2.2.1试剂
钛片（纯度99.8%,厚底0.127 mm)购买于Aldrich公司；石墨粉购自宜兴市洋溪双园化剂厂；活性炭和l~30kDa分子蹄购买于国药集团化学试剂有限公司；其余试剂均为分析纯，实验所用溶液用超纯水配制。

2.2.2实验仪器
电化学实验在上海辰华仪器公司CHI 660D型电化学工作站上进行，修饰钛片为工作电极（尺寸为1.0 cm X 3.5 cm)，铀电极为对电极（Pt，上海精密科学仪器有限公司），饱和甘萊电极为参比电极（SCE，上海精密科学仪器有限公司）；5mL电解池为自制；电致化学发光实验在型多功能电致化学发光分析仪（西安瑞迈公司）上测得；修饰钛片的拉曼光谱在Advantage 200A型拉曼光谱仪（美国DeltaNu公司）上测得；修饰钛片的傅里叶红外光谱在Nicolet红外光谱仪（美国热电公司）上测得；修饰钛片的劳光光谱在F-2500型突光分光光度计（日本日立公司）上测得；修饰钛片形貌在JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜（SEM，日本电子株式会社）和JEM-3010型透射电子显微镜（TEM，日本电子株式会社）上表征；Simplicity型实验超纯水仪（美国MmUPORE密理博）制备实验用水。
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第3章石墨烯/壳聚糖固相萃取剂旳制备........ 42
3.1 前言........42
3.2实验部分........ 43
3.2.1 试剂........ 43
3.2.2实验仪器........ 43
3.2.3 一步恒电位沉积制备石墨烯/壳聚糖 ........43
3.2.4石墨烯/壳聚糖电化学传感器的检测过程........ 44
3.2.5石墨烯/壳聚糖电极表面的再生........ 44
3.3结果与讨论........ 44
3.4本章小结 ........51
第4章石墨烯/碳纳米管/壳聚糖固相萃取剂的制备........53
4.1前言........ 53
4.2实验部分........ 54
4.3结果与讨论........ 56
4.4本章小结 ........63
第5章DNA功能化碳纳米管/Cu2+的制备及其检测亚硝酸根........ 65
5.1前言 ........ 65
5.2实验部分........ 66
5.3结果与讨论........   67
5.4本章小结........ 75

第6章石墨稀/壳聚糖/葡萄糖氧化酶的制备及其检测葡萄糖

6.1前言
糖尿病作为当今世界最普遍且花费最高的疾病之一，严重地影响着人们的身体健康，引起了世界范围内的公众健康安全问题[222]，全球每年有300万人死于糖尿病[223]。同时由代谢问题造成的高血糖或者低血糖疾病可能引起多种并发症，比如：心脏疾病，肾衰竭和失明[224]。因此监控血液中血糖含量对治疗和控制糖尿病意义重大。至今，科学家们在检测血液中葡萄糖含量这一领域已经开展了大量的研究工作，在这些研究工作中，基于葡萄糖氧化酶（GOx)的电化学生物传感器因其灵敏度高、特异性强和检测限低等优点备受人们的关注，是最简便的检测手段之一。最近几年，酶的直接电化学现象引起了人们的极大关注[225，227-230]:酶活性中心与电极表面的直接电化学可以用于研究生物系统中的酶催化机理，即以电化学反应的本质为基础，探究有关酶分子的结构、氧化还原醇分子的热力学和动力学转化以及代谢过程中涉及到的氧化还原转化等问题[225，231]。然而由于酶这种蛋白质分子表面绝缘，常常阻碍了酶氧化还原活性中心与电极表面的直接电化学行为，使得实现酶活性中心与电极表面的直接电化学非常困难；再者将酶直接吸附在电极表面也会造成酶的变形和失活。因此寻找合适的生物相容的电极材料，既能够保持酶的活性，又能够实现酶活性中心与电极表面直接电化学就显得尤为重要了。

结论

在详细了解国内外有关电化学传感器的制备、性质及应用研究的基础上，本论文针对电化学传感器研究和环境分析检测中的一些关键问题，即如何高效、清洁地将材料固定到传感器上，如何快速、灵敏地检测五氯苯酷、甲基对硫憐和亚硝酸盐等环境污染物，通过变换不同的材料、使用不同的修饰方法制备出了一系列新型的电化学传感器，并将其应用于环境分析检测中。采用循环伏安法（CV)、方波阳极溶出伏安法（SWV)、时间-电流曲线（i-t)、差分脉冲伏安法（DPV)等多种电化学技术，以及电致化学发光法（ECL)、紫外可见分光光度法（UV-vis)、傅里叶红外光谱（FTIR)、突光分光光度法（FL)、扫描电子显微镜（SEM)、透射电子显微镜（TEM)等其他分析手段，详细研究了构建的电化学传感器的结构、性质及其检测性能。本论文主要研究成果总结如下：成功将氧化碳量子点（OCQDs)电还原为碳量子点（CQDs)和将氧化石墨稀电还原为石墨稀（GR)，并且利用水溶性不同的特点，实现了一步电还原制备CQDs/GR复合材料的目的；GR是良好的固定化模板，它保持了 CDQs的独立分散性，可以防止CQDs的进一步团聚，并且CQDs均匀、密集地分布在裙皱的GR表面，与GR紧密结合，使得CQDs/GR复合材料结构稳定；GR同时还是良好的ECL信号放大器，由于其良好的导电性，构建的基于GR和S2O82的多级放大系统能够显著地提高CQDs的ECL强度，具有优异的ECL信号放大效果。
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