基于石墨烯及其复合材料的电化学传感器研究

发布时间：2017-03-26 02:00

  本文关键词：基于石墨烯及其复合材料的电化学传感器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电化学传感器具有构造简单、成本低廉、灵敏度高、选择性高和稳定性高等优点，在医疗保健、食品工业、农业和环境等领域中具有广泛的应用。电化学传感器的性能与电极上的修饰材料密切相关。因此，为了提高电化学传感器的性能，寻求适当的电极修饰材料，一直是人们研究的主要方向之一。石墨烯(Graphene)，作为二维新型碳材料，是sp2杂化碳原子组成的单层材料。由于其高比表面积、高电导性、室温下良好的电子迁移率、高机械性能等，石墨烯是作为修饰电极的理想材料。本论文使用电化学还原法得到石墨烯并作为电极修饰材料构建电化学DNA传感器，应用于总抗氧化能力的评估。此外，由于石墨烯片层之间存在强烈的相互作用，因而易于团聚甚至重新堆砌成石墨，将会极大地影响石墨烯在电化学传感器中的应用。因此，本论文还制备了以掺氮空心碳球作为“间隔物”来分开石墨烯片层的分层式复合材料，并应用于电化学传感研究。论文的主要工作如下： (1)通过电化学固定碱基鸟嘌呤(Guanine)于电化学还原氧化石墨烯(ERGO)修饰的玻碳电极，成功地构建了电化学DNA传感器。研究表明，由于ERGO高的比表面积和高的导电性，极大地提高了鸟嘌呤的负载量和促进了鸟嘌呤在电极上的电化学氧化。此外，本文构建的电化学DNA传感器被应用于评估几种果汁的总抗氧化能力(TAC)，其原理是利用羟基自由基(OH)损伤鸟嘌呤致使鸟嘌呤的氧化电流减少，而抗氧化剂能保护鸟嘌呤避免羟基自由基(OH)的损伤。我们以鸟嘌呤的氧化电流作为指示信号，方波伏安法(SWV)作为检测手段，，检测了抗氧化剂抗坏血酸(AA)的浓度，传感器表现出了宽的线性范围(1.00-20.00mg L-1)、低的检测下限(0.24mg L-1)、高的重复性以及较好的抗干扰性。 (2)利用聚多巴胺包裹的SiO2球(SiO2@PDA)带正电和氧化石墨烯(GO)带负电的特点，采用静电自组装的方法成功地构建了SiO2@PDA-GO的分层式复合材料；在高温热处理和氢氟酸刻蚀后，得到了以掺氮空心碳球(HNCS)作为“间隔物”来分开石墨烯片层的分层式复合材料(HNCS-RGO)。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能量散射光谱仪(EDS)考察了所制备的HNCS-RGO分层式复合材料的形貌和组成，并用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)对HNCS-RGO分层式复合材料修饰的电极进行了电化学行为的研究。此后，HNCS-RGO分层式复合材料应用于抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)和尿酸(UA)的电化学检测。结果表明，由于高的导电性、氮掺杂和独特的分层式纳米结构，HNCS-RGO极大地促进了AA、DA和UA在电极上的电化学氧化。该传感器表现出了宽的线性范围(AA：50-1200M；DA：0.5-90M；UA：1-70M)、低的检测下限(AA：650nM；DA：12nM；UA：18nM)、高的重复性以及较好的稳定性。最后，HNCS-RGO分层式复合材料成功地应用于尿液实际样品的检测。 (3)通过HNCS-RGO分层式复合材料修饰的玻碳电极，成功地构建了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)电化学传感器，并研究了NADH在电极上的电催化氧化。相比RGO修饰的玻碳电极和裸玻碳电极，HNCS-RGO分层式复合材料修饰的玻碳电极对NADH的电化学氧化表现出了更高的氧化峰电流(94.0A)以及更低的氧化电位(+0.19V vs. SCE)。基于此修饰电极优异的电化学氧化行为，我们进一步对NADH进行了分析测试，结果表明HNCS-RGO分层式复合材料修饰的玻碳电极对NADH的检测具有低的检测下限(0.015μM)、宽的线性范围(0.1-900μM)、高的稳定性和较强的抗干扰性。
【关键词】：石墨烯 电化学传感器 总抗氧化能力 抗坏血酸 多巴胺 尿酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O613.71;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 电化学传感器12-15
• 1.1.1 电化学传感器的原理及分类12-14
• 1.1.2 电化学传感器的发展趋势14-15
• 1.2 石墨烯15-23
• 1.2.1 石墨烯的发现与定义15-16
• 1.2.2 石墨烯的性质16
• 1.2.3 石墨烯的制备方法16-19
• 1.2.4 石墨烯的复合材料19-20
• 1.2.5 石墨烯及其复合材料在电化学传感器中的应用20-23
• 1.3 本课题选择的意义和内容23-25
• 1.3.1 本课题选择的意义23-24
• 1.3.2 本课题主要内容24-25
• 第2章 基于电化学还原石墨烯的新型电化学 DNA 传感器及其对果汁的总抗氧化能力评估25-39
• 2.1 前言25-27
• 2.2 实验部分27-29
• 2.2.1 实验药品27
• 2.2.2 实验仪器27-28
• 2.2.3 实验所需溶液28
• 2.2.4 电化学 DNA 传感器的制备28
• 2.2.5 DNA 碱基鸟嘌呤损伤过程及抗氧化剂保护作用28-29
• 2.2.6 实际样品的处理及 TAC 测试29
• 2.3 结果与讨论29-37
• 2.3.1 ERGO 的特性描述29-31
• 2.3.2 电化学 DNA 传感器的电化学行为31-32
• 2.3.3 电化学 DNA 传感器的优化实验32-33
• 2.3.4 碱基鸟嘌呤的氧化损伤实验33-35
• 2.3.5 果汁的 TAC 检测35-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第3章 掺氮空心碳球-还原氧化石墨烯分层式复合材料的制备及其在同时检测抗坏血酸、多巴胺和尿酸中应用39-52
• 3.1 前言39-41
• 3.2 实验部分41-43
• 3.2.1 实验药品41
• 3.2.2 实验仪器41
• 3.2.3 实验所需溶液41
• 3.2.4 HNCS-RGO 分层式复合材料的制备41-43
• 3.2.5 HNCS-RGO 分层式复合材料修饰电极的制备43
• 3.3 结果与讨论43-51
• 3.3.1 HNCS-RGO 分层式复合材料的形貌表征43-44
• 3.3.2 HNCS-RGO 分层式复合材料的电化学性能44-45
• 3.3.3 AA、DA 和 UA 的电化学氧化45-49
• 3.3.4 扫速的影响49
• 3.3.5 同时检测 AA、DA 和 UA49-50
• 3.3.6 实际样品的检测50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 基于掺氮空心碳球-还原氧化石墨烯分层式复合材料的 NADH 电化学传感器的研究52-62
• 4.1 前言52-53
• 4.2 实验部分53-54
• 4.2.1 实验药品53
• 4.2.2 实验仪器53
• 4.2.3 实验所需溶液53-54
• 4.2.4 NADH 电化学传感器的制备54
• 4.3 结果与讨论54-60
• 4.3.1 HNCS-RGO 分层式复合材料对 NADH 的电化学氧化行为研究54-56
• 4.3.2 扫速及 pH 对 NADH 电化学传感器的影响56-57
• 4.3.3 计时-电流法检测 NADH 的浓度57-58
• 4.3.4 抗干扰性以及稳定性实验58-60
• 4.4 本章小结60-62
• 结论62-64
• 参考文献64-81
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录81-82
• 致谢82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 杨邦朝,张益康;气体传感器研究动向[J];传感器世界;1997年09期

2 何星月,刘之景;生物传感器的研究现状及应用[J];传感器世界;2002年10期

3 易惠中;;离子传感器用敏感材料[J];仪表材料;1990年02期

4 刘静;离子选择性电极研究概述[J];陕西师范大学继续教育学报;2002年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 徐超;基于石墨烯材料的制备及其性能的研究[D];南京理工大学;2010年

  本文关键词：基于石墨烯及其复合材料的电化学传感器研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：268070