基于石墨烯—氧化石墨烯的电化学传感器研究

作     者：何志芳 

作者单位：西北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周喜斌

授予年度：2014年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：石墨烯 氧化石墨烯 纳米复合物 苯二酚同分异构体 葡萄糖氧化酶 

摘      要：石墨烯是一种具有原子厚度蜂巢晶格的二维纳米材料，是继富勒烯和碳纳米管之后碳纳米材料领域的一颗耀眼的新星，独特的力学、电学性质与量子特性使其迅速成为材料科学的研究热点。然而，结构完整的石墨烯化学稳定性高且片层之间存在着较强的π-π相互作用，难以分散在常用的溶剂中，这极大地限制了石墨烯的应用。因此，提高石墨烯的水溶性及其生物相容性，对于环境污染物的检测、氧化还原蛋白的直接电化学以及发展电化学传感器具有非常重要的意义。氧化石墨烯的结构与石墨烯大体相同，只是在二维基面上连有一些含氧官能团，如羟基、环氧官能团、羰基、羧基等，因此具有很好的亲水性。氧化石墨烯还可以通过π-π作用很好地分散石墨、碳纳米管等碳材料。 本论文利用氧化石墨烯与石墨烯片层之间的π-π作用，通过超声诱导成功制备了石墨烯-氧化石墨烯纳米复合材料，且研究了该纳米材料修饰电极在电化学传感器中的应用。主要内容如下： 1、石墨烯-氧化石墨烯纳米复合材料修饰玻碳电极对苯二酚同分异构体的同时检测 通过超声混合石墨烯和氧化石墨烯制得石墨烯-氧化石墨烯纳米复合材料，并分别用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱及电化学阻抗谱对其进行了表征。结果表明，石墨烯-氧化石墨烯纳米复合材料具有优良的导电性、大的比表面积和良好的水分散性。然后将该纳米复合物用于构建灵敏的苯二酚同分异构体电化学传感器，修饰电极高的比表面积以及石墨烯-氧化石墨烯高的导电性使苯二酚同分异构体的分离检测得以实现。在优化的条件下，该传感器对苯二酚同分异构体检测的线性范围为0.500μM，且邻苯二酚的检测限为(S/N=3)0.2μM，对苯二酚的检测限为0.16μM。同时，所构建的苯二酚同分异构体电化学传感器还表现出了良好的稳定性、再现性和抗干扰能力。2、基于石墨烯-氧化石墨烯纳米复合材料葡萄糖氧化酶的直接电化学和葡萄糖的检测 石墨烯-氧化石墨烯纳米复合材料表面含有丰富的含氧官能团，可以通过共价键与葡萄糖氧化酶的自由氨基结合，从而将葡萄糖氧化酶固定在石墨烯-氧化石墨烯修饰电极表面。固定有葡萄糖氧化酶的修饰电极在-0.10.7V扫描范围内出现稳定的氧化还原峰，说明葡萄糖氧化酶成功地固定在了纳米材料修饰电极表面、保持了原有的结构和生物活性且有效地实现了直接电子转移。实验结果证明葡萄糖氧化酶在电极表面的直接电化学表现为两电子两质子过程。在优化的条件下，该传感器对葡萄糖检测的线性范围为0.11mM，检测限为20μM，有望用于构筑第三代葡萄糖传感器。