基于三维石墨烯电极的无酶电化学传感器制备及应用研究

发布时间：2017-08-23 03:19

  本文关键词：基于三维石墨烯电极的无酶电化学传感器制备及应用研究

  更多相关文章： 三维石墨烯 无酶传感器 电化学 普鲁士蓝 硫堇

【摘要】：电化学传感器因具有选择性好、灵敏度高、操作简单、成本低、分析速度快、易于微型化等优点,在环境监测、临床诊断、食品和医药工业等领域具有极其重要的应用价值。电极材料及其结构对实现灵敏、稳定的电化学检测至关重要。石墨烯(graphene)是由sp2杂化碳原子紧密堆积成的二维(two-dimensional,2D)单层片状碳质材料,由于导电性好、比表面积高等优点,而广受关注,被用作电极材料应用在电化学器件中,例如超级电容器、充放电锂离子电池、锂-氧气电池、燃料电池及电化学传感器。除二维石墨烯外,以泡沫镍为模板,通过化学气相沉积法(CVD)可以制备出具有大尺度、高质量的三维石墨烯(3D-G)材料。这种三维石墨烯材料完美的复制了泡沫镍的孔道贯穿结构。与传统的二维平面电极相比,这种3D石墨烯材料制备的三维石墨烯电极具有更大的表面积,快速的传质能力和低的电荷转移阻力等优点。基于3D石墨烯电极构筑新型高灵敏电化学传感器具有潜在优势。本论文以三维多孔石墨烯(3D-G)材料为基础碳电极,探索制备了两类新型无酶传感器构筑方法,并分别实现了对葡萄糖和过氧化氢的电化学检测。具体如下:1、基于三维多孔石墨烯电极构筑无酶葡萄糖电化学传感器,具体为:以三维石墨烯为无支载电极,用电沉积法在电极表面沉积金-普鲁士蓝(Au-PB)复合物。通过多巴胺(DA)碱性自聚和反应在3D-G/Au-PB电极上修饰一层聚多巴胺(pDA)层。利用pDA自身具有还原作用,还原氯金酸原位生成金纳米粒子(Au NPs)后,通过金硫键组装对巯基苯硼酸(MPBA)构筑了可用于葡萄糖检测的无酶电化学传感器(3D-G/Au-PB/pDA/Au NPs/MPBA)。MPBA与葡萄糖特异性结合后形成稳定的五元环硼酸酯,这一过程引起电极表面PB电化学信号发生变化,该变化与结合的葡萄糖浓度在一定范围内具有线性相关性,因而实现对葡萄糖的无酶电化学检测。利用电化学循环伏安法对3D-G/Au-PB/pDA/Au NPs/MPBA电极的构筑过程进行了表征并对检测条件进行了优化。考察了制备的传感器对葡萄糖的检测性能,检测线性范围为5.0x10-6 M-65.0x10-6 mol/L,检测限为1.5x10-6 mol/L。2、基于三维多孔石墨烯电极构筑了无酶过氧化氢(H2O2)电化学传感器,具体为:以三维石墨烯为无支载电极,通过电化学还原法在电极表面沉积Au NPs,通过Au-NH2键修饰硫堇(Th),构筑了用于检测过氧化氢的无酶电化学传感器。采用扫描电镜(SEM)、电化学等方法对传感电极的制备过程进行了表征,并考察了检测机理,检测机理为,以Th作为电化学活性组分直接电催化还原过氧化氢。Th将过氧化氢还原为水,自身被氧化变成氧化态,随后氧化态的硫堇从电极中得到电子,变成还原态。因此Th修饰三维石墨烯电化学传感器可直接应用于无酶过氧化氢检测。在最优实验条件下,制备的三维电化学传感器对H2O2具有快速响应,检测线性范围为0.2x10-6 mol/L-1.1x10-3 mol/L,检测灵敏度为227.8x10-6A/(mmol/L cm2),检测限为58x10-9 mol/L。
【关键词】：三维石墨烯 无酶传感器 电化学 普鲁士蓝 硫堇
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1;TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 选题依据及意义11
• 1.2 本论文主要研究内容11-13
• 参考文献13-15
• 第二章 文献综述15-45
• 2.1 引言15
• 2.2 三维结构石墨烯的制备方法15-23
• 2.2.1 自组装法15-21
• 2.2.2 模板导向法21-22
• 2.2.3 其他技术22-23
• 2.3 三维石墨烯材料的修饰与改性方法23-27
• 2.4 三维石墨烯及其复合物的应用研究进展27-31
• 2.4.1 在锂离子电池中的应用27-28
• 2.4.2 在太阳能电池和燃料电池中的应用28-29
• 2.4.3 在化学及生物传感器中的应用29-31
• 2.5 结论与展望31-32
• 参考文献32-45
• 第三章 无酶葡萄糖传感器制备及葡萄糖检测研究45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 实验部分45-48
• 3.2.1 实验仪器45-46
• 3.2.2 实验试剂46
• 3.2.3 溶液配制46-47
• 3.2.4 三维石墨烯电极的制备47
• 3.2.5 无酶葡萄糖传感器的制备47-48
• 3.2.6 电化学检测方法48
• 3.3 结果与讨论48-57
• 3.3.1 三维石墨烯电极的表征48-49
• 3.3.2 Au-PB共沉积机理49-51
• 3.3.3 传感器的电化学表征51-53
• 3.3.4 条件优化53-56
• 3.3.5 传感器对葡萄糖的电化学检测56
• 3.3.6 传感器的稳定性、重现性56-57
• 3.4 本章小结57-58
• 参考文献58-59
• 第四章 无酶过氧化氢传感器制备及过氧化氢检测研究59-72
• 4.1 引言59
• 4.2 实验部分59-61
• 4.2.1 实验仪器59-60
• 4.2.2 实验试剂60
• 4.2.3 溶液配制60-61
• 4.2.4 三维石墨烯电极的制备61
• 4.2.5 硫堇修饰电极的制备61
• 4.2.6 过氧化氢的电化学检测61
• 4.3 结果与讨论61-69
• 4.3.1 3D-G/Au NPs电极的形貌表征61-63
• 4.3.2 3D-G/Au NPs/Th电极的电化学表征63-65
• 4.3.3 3D-G/Au NPs/Th电极对过氧化氢的检测65-67
• 4.3.4 电极的稳定性、重现性67-69
• 4.4 本章小结69-70
• 参考文献70-72
• 第五章 结论与展望72-73
• 5.1 主要结论72
• 5.2 后续工作展望72-73
• 攻读硕士期间的科研成果73-74
• 致谢74

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;科学家首次用纳米管制造出石墨烯带[J];电子元件与材料;2009年06期

2 ;石墨烯研究取得系列进展[J];高科技与产业化;2009年06期

3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;日本开发出在蓝宝石底板上制备石墨烯的技术[J];硅酸盐通报;2009年04期

5 马圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究进展[J];现代物理知识;2009年04期

6 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期

7 ;纳米中心石墨烯相变研究取得新进展[J];电子元件与材料;2009年10期

8 徐秀娟;秦金贵;李振;;石墨烯研究进展[J];化学进展;2009年12期

9 张伟娜;何伟;张新荔;;石墨烯的制备方法及其应用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

10 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 成会明;;石墨烯的制备与应用探索[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

6 王冕;钱林茂;;石墨烯的微观摩擦行为研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年

7 赵福刚;李维实;;树枝状结构功能化石墨烯[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

8 吴孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和无机石墨烯材料:计算与实验的结合[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吴迪;彭海琳;刘忠范;;石墨烯光化学修饰及尺寸效应研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 姚耀;石墨烯研究取得系列进展[N];中国化工报;2009年

2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年

3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年

4 本报记者 李好宇 张們捷(实习) 特约记者 李季;石墨烯未来应用的十大猜想[N];电脑报;2010年

5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年

6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年

7 记者 谢荣　通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年

8 本报记者 纪爱玲;石墨烯：市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年

9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年

10 王小龙;新型石墨烯材料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年

2 罗大超;化学修饰石墨烯的分离与评价[D];北京化工大学;2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修饰[D];北京化工大学;2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修复机理的理论研究[D];吉林大学;2013年

5 盛凯旋;石墨烯组装体的制备及其电化学应用研究[D];清华大学;2013年

6 姜丽丽;石墨烯及其复合薄膜在电极材料中的研究[D];西南交通大学;2015年

7 姚成立;多级结构石墨烯/无机非金属复合材料的仿生合成及机理研究[D];安徽大学;2015年

8 伊丁;石墨烯吸附与自旋极化的第一性原理研究[D];山东大学;2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧还原电催化剂的理论计算研究[D];武汉大学;2014年

10 王义;石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用[D];复旦大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 詹晓伟;碳化硅外延石墨烯以及分子动力学模拟研究[D];西安电子科技大学;2011年

2 王晨;石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响[D];北京化工大学;2011年

3 苗伟;石墨烯制备及其缺陷研究[D];西北大学;2011年

4 蔡宇凯;一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D];南京邮电大学;2012年

5 金丽玲;功能化石墨烯的酶学效应研究[D];苏州大学;2012年

6 黄凌燕;石墨烯拉伸性能与尺度效应的研究[D];华南理工大学;2012年

7 刘汝盟;石墨烯热振动分析[D];南京航空航天大学;2012年

8 雷军;碳化硅上石墨烯的制备与表征[D];西安电子科技大学;2012年

9 于金海;石墨烯的非共价功能化修饰及载药系统研究[D];青岛科技大学;2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制备[D];上海交通大学;2013年

，

本文编号：722685