石墨烯生物传感器的研制及性能研究
发布时间：2021-06-17 04:57
自从2004年由英国科学家首次通过机械剥离法得到了石墨烯,便引发了人们对于石墨烯结构、性能、应用等方面的研究热潮。在石墨烯中,六个sp2杂化的碳原子之间相互连接形成环状结构,这种六角型的环状结构通过碳原子紧密结合形成了蜂巢状排列的晶格材料。由于石墨烯材料仅由碳原子构成,因此单层的石墨烯仅相当于一个碳原子的厚度,但是却具有极高的强度与韧性。由于其晶格状结构,使石墨烯在有限的面积内有更多的生物识别位点。此外,石墨烯还具有高载流子迁移率、高导电率与导热率等卓越的性能,这些性能也使得石墨烯在生物传感领域具有很大的发展潜力。生物传感器是一种通过生物识别元件对待测靶分子进行特异识别,然后将产生的生物信号转化为可被检测到的电学、光学等信号,从而可以对待测物的成分、浓度等信息进行分析的电子器件。检测过程高效、检测结果准确的生物传感器的使用领域广泛,目前不但可以实现核酸、蛋白质、酶、微生物、金属离子等的检测,还可以在单分子水平上进行分析。随着研究人员对石墨烯的性能研究越来越深入,发现石墨烯优异的电学性能和生物相容性有利于其在生物传感领域的应用,可以改善生物传感器的灵敏度、快捷性、集成性等特点。在本文中使...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物传感器的组件[3]
山东师范大学硕士学位论文2测的电学信号，通过对待测物与检测信号之间关系的分析从而实现对待测目标物的检测。图1-2生物传感器原理简图Fig.1-2Schematicdiagramofbiosensor1.1.2生物传感器的分类生物传感器主要根据其生物识别元件、转换元件及检测方法的不同进行分类，主要分类如下：1．根据生物识别元件分类：（1）生物亲和型生物传感器：通过待测分子与活性底物之间的特异性相互关系而实现检测的生物传感器，主要包括免疫型生物传感器[4]、核酸生物传感器[5]、抗体生物传感器[6]等器件类型。（2）生物催化型生物传感器[7]：通过使用催化剂对生物分子产生催化作用以实现对于待测底物的检测，例如酶类生物传感器[8]、组织生物传感器等。2．根据转换元件种类进行分类：（1）电化学生物传感器[9]：是化学传感器的一个子类，其转换部分元件通常为电极，通过与生物之间的高特异性识别结合在一起，使其具有极高的灵敏度，从而传输出与待测物相关的电势等信号从而进行分析[10]。（2）光学生物传感器[11]：是一种通过光信号引发的检测，在待测物质与检测试剂之间产生生物化学反应，并被转化为光学信号进行检测，目前基于光学的生物传感器主要包括
山东师范大学硕士学位论文5图1-3石墨烯及其衍生材料结构示意图[30]Fig.1-3Schematicdiagramofgrapheneanditsderivativematerials[30]在电学性能方面，作为一种半导体材料，石墨烯的禁带宽度为零[31]，因此电子在优质的石墨烯片层中可以进行弹道运动，而且电子在石墨烯的原子间受到的影响较小，所以在石墨烯结构中的电子传输并不会发生散射现象，因此在普通环境下其电子迁移率可以达到2×105cm2/(V.s)[32]，比晶体硅要高100多倍。此外，在室温下石墨烯中的电导率可以高达106S/m[33]，膜电阻约为30Ω/sq，因此石墨烯是目前已知导电性能最好的纳米材料。在力学性能方面，詹姆斯·霍恩（JamesHone）等人研究了单层石墨烯的力学性能[34]，结果表明，石墨烯的平均断裂强度为55N/m，理想强度为（130±10）GPa，大约1m2的石墨烯薄膜即可承担约4Kg的压力，其强度可达钢筋材料的100倍之高，因此石墨烯是强度最为优异的纳米材料。此外，由于石墨烯独特的晶格结构，使其在受到强大外作用时，在其原子平面上则会发生一定的形变弯曲，石墨烯仍然可保持其自身的稳定性，也证明了石墨烯还具有极强的韧性。在热学性能方面，LeeC等人还研究了在室温条件下单层石墨烯材料的导热情况，结果表明，石墨烯的导热系数约为5000W·Mk-1[35]，比碳纳米管[36]、金刚石[37]等常见的的碳材料要高的多。在光学性能方面，研究人员发现单层石墨烯不论是在近红外波段，还是可见光波段均具有优异的光透过性，其光透过率可达到97%，几乎完全透明。此外，不断增加石墨烯厚度，则其透光能力会有所下降，导电率会随之上升[38]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯制备及应用研究进展[J]. 王雅珍,庆迎博,孟爽,孙瑜. 化学世界. 2019(07)
[2]乙醇为碳源的低氢常压CVD法制备石墨烯薄膜及其生长机理研究[J]. 李良,付志兵,焦兴利,唐永建,王朝阳,易勇. 原子能科学技术. 2015(03)
[3]石墨烯的制备方法与工艺研究进展[J]. 原梅妮,向丰华,郎贤忠,弓巧娟. 兵器材料科学与工程. 2015(01)
[4]石墨烯制备的方法、特性及基本原理[J]. 胡忠良,蒋海云,赵学辉,李娜,丁燕鸿. 材料导报. 2014(11)
[5]石墨烯掺杂的研究进展[J]. 张芸秋,梁勇明,周建新. 化学学报. 2014(03)
本文编号：3234517
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物传感器的组件[3]
山东师范大学硕士学位论文2测的电学信号，通过对待测物与检测信号之间关系的分析从而实现对待测目标物的检测。图1-2生物传感器原理简图Fig.1-2Schematicdiagramofbiosensor1.1.2生物传感器的分类生物传感器主要根据其生物识别元件、转换元件及检测方法的不同进行分类，主要分类如下：1．根据生物识别元件分类：（1）生物亲和型生物传感器：通过待测分子与活性底物之间的特异性相互关系而实现检测的生物传感器，主要包括免疫型生物传感器[4]、核酸生物传感器[5]、抗体生物传感器[6]等器件类型。（2）生物催化型生物传感器[7]：通过使用催化剂对生物分子产生催化作用以实现对于待测底物的检测，例如酶类生物传感器[8]、组织生物传感器等。2．根据转换元件种类进行分类：（1）电化学生物传感器[9]：是化学传感器的一个子类，其转换部分元件通常为电极，通过与生物之间的高特异性识别结合在一起，使其具有极高的灵敏度，从而传输出与待测物相关的电势等信号从而进行分析[10]。（2）光学生物传感器[11]：是一种通过光信号引发的检测，在待测物质与检测试剂之间产生生物化学反应，并被转化为光学信号进行检测，目前基于光学的生物传感器主要包括
山东师范大学硕士学位论文5图1-3石墨烯及其衍生材料结构示意图[30]Fig.1-3Schematicdiagramofgrapheneanditsderivativematerials[30]在电学性能方面，作为一种半导体材料，石墨烯的禁带宽度为零[31]，因此电子在优质的石墨烯片层中可以进行弹道运动，而且电子在石墨烯的原子间受到的影响较小，所以在石墨烯结构中的电子传输并不会发生散射现象，因此在普通环境下其电子迁移率可以达到2×105cm2/(V.s)[32]，比晶体硅要高100多倍。此外，在室温下石墨烯中的电导率可以高达106S/m[33]，膜电阻约为30Ω/sq，因此石墨烯是目前已知导电性能最好的纳米材料。在力学性能方面，詹姆斯·霍恩（JamesHone）等人研究了单层石墨烯的力学性能[34]，结果表明，石墨烯的平均断裂强度为55N/m，理想强度为（130±10）GPa，大约1m2的石墨烯薄膜即可承担约4Kg的压力，其强度可达钢筋材料的100倍之高，因此石墨烯是强度最为优异的纳米材料。此外，由于石墨烯独特的晶格结构，使其在受到强大外作用时，在其原子平面上则会发生一定的形变弯曲，石墨烯仍然可保持其自身的稳定性，也证明了石墨烯还具有极强的韧性。在热学性能方面，LeeC等人还研究了在室温条件下单层石墨烯材料的导热情况，结果表明，石墨烯的导热系数约为5000W·Mk-1[35]，比碳纳米管[36]、金刚石[37]等常见的的碳材料要高的多。在光学性能方面，研究人员发现单层石墨烯不论是在近红外波段，还是可见光波段均具有优异的光透过性，其光透过率可达到97%，几乎完全透明。此外，不断增加石墨烯厚度，则其透光能力会有所下降，导电率会随之上升[38]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯制备及应用研究进展[J]. 王雅珍,庆迎博,孟爽,孙瑜. 化学世界. 2019(07)
[2]乙醇为碳源的低氢常压CVD法制备石墨烯薄膜及其生长机理研究[J]. 李良,付志兵,焦兴利,唐永建,王朝阳,易勇. 原子能科学技术. 2015(03)
[3]石墨烯的制备方法与工艺研究进展[J]. 原梅妮,向丰华,郎贤忠,弓巧娟. 兵器材料科学与工程. 2015(01)
[4]石墨烯制备的方法、特性及基本原理[J]. 胡忠良,蒋海云,赵学辉,李娜,丁燕鸿. 材料导报. 2014(11)
[5]石墨烯掺杂的研究进展[J]. 张芸秋,梁勇明,周建新. 化学学报. 2014(03)
本文编号：3234517
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