基于石墨烯及其纳米复合材料构建生物小分子电化学传感的研究

发布时间：2017-07-07 08:19

  本文关键词：基于石墨烯及其纳米复合材料构建生物小分子电化学传感的研究

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【摘要】：多巴胺(DA)、尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)和亚硝酸钠(NaNO_2)等生物小分子在人体内的新陈代谢及生命过程中有着重要影响,也与人类的健康密切相关。如人体内多巴胺含量较低时易引发精神分裂症和帕金森氏症等精神疾病;尿酸在人体内含量过高时易引发多种疾病如痛风、高尿酸血症和莱施-尼汉综合征等;抗坏血酸又名维生素C,它具有抗氧化的作用,其在人体内含量的异常与感冒、精神病、不孕、癌症和艾滋病有关;亚硝酸钠是一种在人体内易诱发致癌的物质,对环境、食物和生物体系会产生严重影响。因此,快速、灵敏的同时检测生物小分子在研究人类的生理功能和有关疾病早期诊断方面具有重要意义。电化学检测方法因其选择性好、灵敏度高、操作简单、成本低等优势引起人们的关注,并被广泛用于生物小分子的检测中。AA、DA、UA和NaNO_2在传统电极上的氧化电位往往很接近且其氧化产物会污染电极,因此难以进行选择性或同时测定。石墨烯(GE)拥有独特的二维纳米结构,并具有超强的机械性能、优异的电学性能和光学性能,自2004年Geim等人首次用剥离法获得单层石墨烯以来,石墨烯及其衍生物在电化学检测上的应用激起了研究者们的兴趣。本文利用石墨烯及其复合纳米材料制备电极,成功实现了对多巴胺、尿酸、抗坏血酸和亚硝酸钠的电化学检测。本论文主要开展了以下三个方面的工作:(1)用电化学方法还原氧化石墨烯(GO),成功制备了三维还原氧化石墨烯包裹的碳纤维电极(ErGO/CFE),并把该电极作为同时检测多巴胺、尿酸和抗坏血酸的工作电极。扫描电镜(SEM)结果表明,三维石墨烯均匀的包裹在碳纤维电极的表面,同裸的碳纤维电极(CFE)相比,在检测多巴胺、尿酸和抗坏血酸时,三维石墨烯修饰的碳纤维电极显示出高的氧化峰电流值。研究表明,石墨烯的引入提高了电子的传递速率,增强了电荷的传递能力,且三维结构极大的增加了电极的电化学有效面积,从而能实现三者的快速有效地检测。这为发展新型和环保测定生物分子的材料提供了可行的途径。(2)采用一步水热合成的方法以乙二醇为还原剂,成功制备出了铂纳米颗粒负载在石墨烯表面上的复合材料(Pt RGO)。透射电子显微法(TEM)、X射线能量色散谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)等用来表征该复合材料。将Pt RGO纳米复合材料应用于亚硝酸钠的电化学检测中。由循环伏安图中可以看出Pt RGO纳米复合材料对亚硝酸钠有高的氧化电流信号响应,安培电流-时间图中Pt RGO对亚硝酸钠的电流信号响应灵敏度高达496.4μA mM-1,并且对高浓度的Cu2+,SO42-,Ni2+,NO3-,K+,Cl-,Na+,HCO3-,NH4+,F-等离子有很好的抗干扰性。(3)实验采用两步合成的方法,先用油浴一步法合成铂纳米枝修饰的石墨烯材料(Pt/RGO),再由水热合成法制备出花状的二氧化锰(MnO_2)材料并通过超声的办法将两者成功复合成一种三维铂纳米枝负载的石墨烯/二氧化锰复合材料(Pt/RGO/MnO_2)。该纳米复合材料用于在高浓度抗坏血酸和尿酸的存在下灵敏地检测多巴胺。扫描电子显微镜,透射电子显微电镜,高倍透射电子显微电镜,X射线能量色散谱,X射线光电子能谱,拉曼光谱和X射线衍射等用来考察Pt/RGO/MnO_2复合材料的基本特征。差式脉冲伏安法中在5 mM抗坏血酸和0.1mM尿酸的存在下能选择性的检测多巴胺,且具有很高的灵敏度其响应浓度范围达1.5 290.03μM,最低检测限为0.1μM。
【关键词】：石墨烯 铂 二氧化锰 尿酸 多巴胺 抗坏血酸 亚硝酸钠
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;O657.1
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 石墨烯10-13
• 1.1.1 石墨烯的结构及基本性质10-11
• 1.1.2 石墨烯的制备方法11-13
• 1.2 石墨烯纳米复合材料13-15
• 1.2.1 石墨烯/金属纳米复合材料13-14
• 1.2.2 石墨烯/金属氧化物纳米复合材料14
• 1.2.3 石墨烯/聚合物纳米复合材料14-15
• 1.3 石墨烯纳米复合材料在电化学传感器中的应用15-18
• 1.3.1 电化学传感器15-16
• 1.3.2 用于生物小分子的检测16-17
• 1.3.3 用于农药残留的测定17
• 1.3.4 用于重金属离子的测定17-18
• 1.4 本论文的研究意义及主要研究内容18-19
• 参考文献19-25
• 第二章 电化学沉积的氧化还原石墨烯修饰的碳纤维电极对抗坏血酸，多巴胺和尿酸的同时检测25-39
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-28
• 2.2.1 主要原料和试剂及仪器26-27
• 2.2.2 氧化石墨烯（GO）合成27
• 2.2.3 还原氧化石墨烯/碳纤维电极的制备27-28
• 2.3 结果和讨论28-34
• 2.3.1 还原氧化石墨烯/碳纤维电极的基本性质28-29
• 2.3.2 循环伏安法测定AA, DA和UA以及三者混合的电化学行为29-31
• 2.3.3 扫速对AA, DA和UA氧化峰电流的影响31-32
• 2.3.4 差式脉冲伏安法同时测定AA，，DA和UA32-33
• 2.3.5 差式脉冲伏安法分别测定AA，DA和UA33-34
• 2.3.6 还原氧化石墨烯/碳纤维电极的稳定性和重复性34
• 2.4 本章小结34-35
• 参考文献35-39
• 第三章 高效能的铂负载的石墨烯纳米复合材料对亚硝酸钠的电化学检测39-58
• 3.1 引言39-40
• 3.2 实验部分40-42
• 3.2.1 主要原料、试剂及仪器40-41
• 3.2.2 Pt-RGO复合物的合成41
• 3.2.3 Pt-RGO/GCE电极的制备41-42
• 3.3 结果与讨论42-51
• 3.3.1 Pt-RGO复合物的基本特征42-45
• 3.3.2 Pt-RGO复合物的电化学性质45-46
• 3.3.3 NaNO_2在Pt-RGO/GCE电极上的电化学检测46-48
• 3.3.4 NaNO_2在Pt-RGO/GCE电极上的安培电流时间曲线48-50
• 3.3.5 Pt-RGO/GCE电极的干扰性，重复性和稳定性50-51
• 3.3.6 Pt-RGO/GCE电极的干扰性，重复性和稳定性51
• 3.4 本章小结51-52
• 参考文献52-58
• 第四章 三维铂纳米枝/石墨烯/花状二氧化锰纳米复合材料的制备及其应用于多巴胺的高灵敏，及高选择性检测58-75
• 4.1 引言58-59
• 4.2 实验部分59-61
• 4.2.1 主要原料、试剂及仪器59-60
• 4.2.2 铂纳米枝/石墨烯复合物的制备60
• 4.2.3 花状二氧化锰和铂纳米枝/石墨烯/二氧化锰的制备60
• 4.2.4 Pt/RGO/MnO_2/GCE、RGO /GCE、Pt/ GCE和MnO_2/GCE电极的制备60-61
• 4.3 结果与讨论61-70
• 4.3.1 3D Pt/RGO/MnO_2复合纳米材料的基本特征61-65
• 4.3.2 制备电极的电化学活性65-66
• 4.3.3 DA在Pt/RGO/ MnO_2/GCE电极的电化学氧化参数66-68
• 4.3.4 Pt/RGO/MnO_2电极上对DA的电化学检测68-69
• 4.3.5 Pt/RGO/MnO_2电极上在AA和UA存在下对DA的电化学检测69
• 4.3.6 Pt/RGO/MnO_2电极的重复性，稳定性，抗干扰性以及实际样品的检测69-70
• 4.4 本章小结70
• 参考文献70-75
• 第五章 结论75-76
• 硕士期间发表论文76-77
• 致谢77-78

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