基于石墨烯及其复合材料的光学传感器研究

发布时间：2020-10-13 15:05

　　 石墨烯是由Sp~2杂化的碳原子组成的新型二维平面材料,具有巨大的比表面积,优异的电子迁移能力,良好的柔韧性和透光率,强大的机械强度等优点。目前石墨烯及其复合材料已经被广泛的应用于能源、环境、纳米生物医学以及传感器等诸多领域。尤其是在化学检测领域,石墨烯以其优异的性能满足了高灵敏性传感器的设计需求。氧化石墨烯具有类过氧化物酶的能力；石墨烯能够与靠近它的荧光分子发生荧光共振能量转移(FRET),导致荧光猝灭；石墨烯具有表面增强拉曼散射(SERS)的能力,能够增强石墨烯上拉曼分子的信号。这些独特的光学性质使得石墨烯在光学传感器的应用上受到广泛关注。基于石墨烯及其复合材料构建操作简便、响应迅速、灵敏度高以及选择性好的光学传感器,实现对重金属离子和糖类的化学分析,对环境保护和疾病预防领域具有极大的意义。本论文把石墨烯的优异性质与光学传感器结合,利用石墨烯的功能化与传感器机理的设计构建了重金属离子和糖类的高性能传感器。主要内容如下：第一章绪论本章主要介绍了石墨烯的结构、性质、制备方法、功能化途径、石墨烯的复合材料以及石墨烯的应用。最后,总结了本论文的工作并说明了本论文的工作意义。第二章基于石墨烯/葫芦脲/纳米金构建非标记Pb~（2+）拉曼传感器的研究本章以葫芦脲分子(CB[7])作为拉曼信号分子,利用CB[7]将柠檬酸钠包裹的金纳米粒子(AuNPs)进行组装,然后通过与聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰的石墨烯之间静电吸附的作用,最终得到了G/AuNPs/CB(石墨烯/葫芦脲/纳米金)复合材料。由于CB[7]的结合位点C=O与Pb~（2+）的结合能力更强,在Pb~（2+）加入后,AuNPs、Pb~（2+）与CB[7]之间发生竞争作用,从而使得CB[7]从AuNPs表面脱落,拉曼强度降低。该"OFF"型的拉曼传感器能够在1 nM-0.3 μM的范围内实现对Pb~（2+）的线性检测,检测限达到了0.3 nM。第三章基于GO荧光淬灭效应及对溶金反应促进作用构建Pb~（2+）荧光传感器的研究本章以氨基芘(AP)作为荧光信号分子,通过Au-N键的化学作用连接到纳米金表面,由于强物理吸附力,AuNPs-AP被吸附到GO表面得到GO/AuNPs-AP。此时GO与AP之间由于荧光共振能量转移(FRET)使得体系的荧光猝灭。加入Pb~（2+）和S2O32-后,由于金能够在Pb~（2+）催化下溶解在82032-中,因此随着纳米金的溶解,AP从纳米金表面脱落从而使得体系的荧光恢复,构建了“On”型的荧光传感器。我们的荧光传感器在2.0×10-9到1.0×10-7 M的范围内实现了对Pb~（2+）的线性检测,检测限达到了0.6 nM。第四章氧化石墨烯对溶金反应的促进效应研究及Pb~（2+）比色传感器的构建本章探讨了氧化石墨烯(GO)在溶金反应里的催化效果。纳米金(AuNPs)在氧气存在的情况下可以在S2032-介质中溶解,然而由于该反应的活化能高达27.99 kJ/mol,溶金反应的速度非常缓慢。我们发现氧化石墨烯也可以作为溶金反应的催化剂,并且催化效率比起传统的金属离子和中间配体的催化效果要高出很多。因此我们对体系中的溶金反应进行了动力学研究,结果表明常温下GO的加入使反应速度加快了5倍多。同时,我们也探究了反应温度、纳米金的表面修饰和粒径大小对反应速度的影响。最终,我们基于Pb~（2+）-S2O32--GO体系以纳米金为比色信标构建了Pb~（2+）的比色传感器,随着Pb~（2+）的加入,溶液的颜色变化能够明显的用肉眼观测到,该传感器能在0.1到20 μM的范围内实现对Pb~（2+）的线性检测,检测限高达0.05μM。第五章芳环化合物对氧化石墨烯拟过氧化物酶能力的影响及构建糖类传感器的研究氧化石墨烯具有过氧化物模拟酶的能力,而过氧化氢(H2O2)催化TMB(四甲基联苯胺)的反应是评估该能力的标准。本章探讨了含不同苯环数目以及不同取代基的芳香类化合物对GO过氧化物模拟酶能力的影响。结果对GO进行π-π堆积能有效的抑制GO的类酶催化能力,抑制效果随苯环数目的增多而增强,另外氨基取代基由于孤对电子的存在对酶能力的抑制效果尤其明显。我们依此利用氨基苯硼酸(ABA)与糖类反应前后氮上孤对电子的转移构建了糖类的传感器。该传感器对糖类具有较好的响应,并且能够在0.2-15 mM的范围内实现对果糖的线性检测,检测限达到了0.08mM。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP212;O613.71
【文章目录】：
摘要
abstract
目录
第一章 绪论
    1.石墨烯简介
    2.石墨烯的制备
        2.1 微机械剥落法
        2.2 化学气相沉积法
        2.3 外延生长法
        2.4 化学剥离法
    3.石墨烯的功能化途径
        3.1 物理法
        3.2 化学法
    4.基于石墨烯的复合材料
        4.1 与金属纳米粒子复合
        4.2 与金属氧化物纳米粒子复合
        4.3 与量子点复合
        4.4 与聚合物高分子复合
        4.5 与二维纳米材料的复合
    5.石墨烯的应用
        5.1 能源
        5.2 环境
        5.3 纳米生物医学
        5.4 传感器
    6.本论文的研究意义
2+拉曼传感器的研究'>        6.1 基于石墨烯/葫芦脲/纳米金构建非标记Pb²⁺拉曼传感器的研究
2+荧光传感器的研究'>        6.2 基于GO荧光淬灭效应及对溶金反应促进作用构建Pb²⁺荧光传感器的研究
2+比色传感器的构建'>        6.3 氧化石墨烯对溶金反应的促进效应研究及Pb²⁺比色传感器的构建
        6.4 芳环化合物对氧化石墨烯拟过氧化物酶能力的影响及构建糖类传感器的研究
    参考文献
2+拉曼传感器的研究'>第二章 基于石墨烯/葫芦脲/纳米金构建非标记Pb²⁺拉曼传感器的研究
    1.引言
    2.实验部分
        2.1 试剂
        2.2 仪器
        2.3 金纳米颗粒的制备
        2.4 石墨烯的修饰
        2.5 G/AuNPs/CB材料的组装
2+的检验'>        2.6 SERS的测量和Pb²⁺的检验
    3.结果和讨论
        3.1 SERS传感器的构建
        3.2 G/AuNPs/CB复合材料的SERS效应
2+的分析检测'>        3.3 Pb²⁺的分析检测
2+检测'>        3.4 实体样品中的Pb²⁺检测
    4.结论
    参考文献
2+荧光传感器的研究'>第三章 基于GO荧光淬灭效应及对溶金反应促进作用构建Pb²⁺荧光传感器的研究
    1.引言
    2.实验部分
        2.1 试剂
        2.2 分析仪器和条件
        2.3 制备氧化石墨烯
        2.4 金纳米粒子的制备
        2.5 GO对AP-AuNPs的荧光猝灭
2+'>        2.6 荧光检测Pb2+

    3.结果与讨论
        3.1 氧化石墨烯的表征
        3.2 GO对AP-AuNPs的猝灭过程
        3.3 纳米金溶解反应研究
        3.4 GO对溶金反应的促进作用
2+传感器的机理研究'>        3.5 “On”型Pb²⁺传感器的机理研究
        3.6 GO浓度对荧光检测的影响
2+'>        3.7 荧光检测Pb²⁺

        3.8 荧光传感器的选择性
        3.9 实际水样检测
    4.结论
    参考文献
2+比色传感器的构建'>第四章 氧化石墨烯对溶金反应的促进效应研究及Pb²⁺比色传感器的构建
    1.引言
    2.实验部分
        2.1 试剂和仪器
        2.2 金纳米粒子的制备
2+'>        2.3 比色法检测Pb²⁺

    3.结果与讨论
2O3
2-体系中溶解的过程'>        3.1 纳米金在S₂O3
2-体系中溶解的过程
        3.2 GO在溶金反应中的加速效果
        3.3 反应温度对溶金反应速度的影响
        3.4 金纳米粒子的粒径大小对反应速度的影响
        3.5 不同表面修饰对纳米金溶解速度的影响
2+比色检测'>        3.6 Pb²⁺比色检测
        3.7 比色传感器的选择性探究
        3.8 实际样品检测
    4.结论
    参考文献
第五章 芳环化合物对氧化石墨烯拟过氧化物酶能力的影响及构建糖类传感器的研究
    1.引言
    2.实验部分
        2.1 试剂以及仪器
        2.2 氧化石墨烯的制备
        2.3 过氧化物酶能力的检测
        2.4 糖类的检测
    3.结果与讨论
        3.0 GO的表征
        3.1 GO的过氧化物模拟酶能力
        3.2 π-π堆积对GO过氧化物酶能力的影响
        3.3 取代基对GO过氧化物酶能力的影响
        3.4 芳香胺的影响
        3.5 果糖传感器的构建机理
        3.6 对果糖的检测
    4.结论
    参考文献
附录
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李宗红;;石墨烯——二维碳的奇妙世界[J];宝鸡文理学院学报(自然科学版);2010年04期

2 李永玺;陈彧;庄小东;张斌;朱金辉;李佩佩;牛丽娟;;石墨烯化学及潜在应用[J];上海第二工业大学学报;2010年04期

3 常艳丽;陈胜;曹傲能;;压力促进氧化石墨烯水热还原反应的机理[J];上海大学学报(自然科学版);2010年06期

4 王耀玲;罗雨;陈立宝;李秋红;王太宏;;石墨烯材料的研究进展[J];材料导报;2010年S1期

5 任文才;高力波;马来鹏;成会明;;石墨烯的化学气相沉积法制备[J];新型炭材料;2011年01期

6 王延相;刘玉兰;王丽民;季敏霞;王成国;;由聚丙烯腈基碳纤维制备石墨烯薄膜的探索研究[J];功能材料;2011年03期

7 刘霞;;石墨烯:硅的“终结者”?[J];发明与创新(综合科技);2011年09期

8 ;科学家观察到石墨烯内电子间相互作用[J];黑龙江科技信息;2011年27期

9 袁文辉;李保庆;李莉;;改进液相氧化还原法制备高性能氢气吸附用石墨烯[J];物理化学学报;2011年09期

10 ;美开发出人工合成高质量石墨烯新方法[J];天然气化工(C1化学与化工);2011年05期

相关博士学位论文 前10条

1 王金华;类石墨烯纳米片和模型体系的理论研究[D];吉林大学;2010年

2 廖清;石墨烯及其相关结构的生长和性质研究[D];浙江大学;2011年

3 谢月娥;石墨烯纳米结构电子输运的调制[D];湘潭大学;2011年

4 袁建辉;石墨烯中的电子及其输运性质的研究[D];华中科技大学;2012年

5 徐华;石墨烯界面电荷转移的拉曼光谱研究[D];兰州大学;2012年

6 徐宇曦;功能化石墨烯的制备、组装及其应用[D];清华大学;2011年

7 康朝阳;碳化硅、蓝宝石与铜箔表面石墨烯的生长和表征研究[D];中国科学技术大学;2012年

8 李占成;高质量石墨烯的可控制备[D];中国科学技术大学;2012年

9 吕伟;石墨烯的宏量制备、可控组装及电化学性能研究[D];天津大学;2012年

10 江林海;石墨烯负载纳米复合材料的制备及其性质研究[D];吉林大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 同鑫;石墨烯的制备及其复合电极材料储锂性能研究[D];西北大学;2011年

2 吕翔;石墨烯的制备及高分子改性[D];武汉理工大学;2011年

3 杜欣;可流动石墨烯的制备及其特性研究[D];武汉理工大学;2011年

4 谢声意;还原石墨烯氧化物的第一性原理研究[D];吉林大学;2011年

5 邹燕;功能化石墨烯气敏特性的理论研究[D];曲阜师范大学;2011年

6 郭晓晓;单层石墨烯超晶格中的输运特性和散粒噪声[D];河北师范大学;2011年

7 韩超群;石墨烯在不平整表面上吸附的分子动力学研究[D];华东师范大学;2011年

8 周静;氧化石墨烯和石墨烯的制备、表征与应用[D];南京大学;2011年

9 王宽;石墨烯的室温简易制备及其电容性能研究[D];陕西师范大学;2011年

10 廖旭;石墨烯摩擦性质研究[D];电子科技大学;2011年

本文编号：2839328

boshi