论文部分内容阅读
石墨烯是由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新型碳材料。自2004年被发现以来,基于石墨烯及其衍生物的应用研究获得了大量的关注。石墨烯作为支撑材料可有效提高生物传感器的性能。本论文系统研究了以石墨烯及其衍生物作为敏感元件的生物传感器的构建及性能,分别构建了石墨烯电化学生物传感器和光学传感器,包括酶电极型葡萄糖传感器、无酶电极型葡萄糖传感器、功能化HEMT型DNA传感器以及无金属SERS葡萄糖传感器。测试并优化了以上传感器的性能,并阐述了石墨烯的结构对构建生物传感器性能的影响,深入分析了石墨烯生物传感器的探测机理。利用还原氧化石墨烯(rGO)构建了酶电极型葡萄糖传感器,研究了不同结构的rGO酶电极传感器的性能及探测机理。发现在较低含氧量下,rGO可促进酶电极表面的直接电子转移,为第三代葡萄糖传感器；在较高含氧量下,rGO酶电极对葡萄糖的催化过程是耗氧的过程,为第一代葡萄糖传感器。rGO表面官能团越多,酶电极的亲和性与灵敏度越高。构建了两种无酶型葡萄糖传感器。第一种通过原位合成的Ni/NiO-rGO修饰丝网印刷电极,构建了Ni/NiO-Nafion-rGO/SPE无酶型葡萄糖传感器。在碱性环境中,其对葡萄糖具有高效的电催化氧化活性,并可在29.9μM到6.44mM (R=0.9937)线性范围内对葡萄糖进行快速检测,灵敏度高达1997μA/mM·cm-2。第二种利用CVD合成的本征石墨烯和水热合成的CuNiO纳米颗粒修饰玻碳电极,构建了CuNiO-graphene/GCE无酶型葡萄糖传感器。本征石墨烯的引入使传感器的检测上限达到了16mM,且保留了无酶型传感器高灵敏度和快速响应性能。设计和组装了rGO功能化的HEMT无标记DNA传感器,实现了DNA杂化的实时监控。器件在DNA识别检测中,表现出了新颖的电流响应模式,即对可杂化的DNA表示为“两个台阶”的电流响应,对不可杂化的DNA表示为“一个台阶”的电流响应。其工作原理可归因为功能化的HEMT栅极表面电荷分布的微量变化。该DNA传感器可实现DNA杂化的超灵敏检测,其检测的线性范围在0.1fM到0.1pM之间,检测下限为0.07fM,响应时间小于300s,同时具有良好的可重复性、可再现性和抗干扰性。探索性构建了基于氧化石墨烯(GO)的无金属型表面增强拉曼(SERS)葡萄糖传感器。构建了GO-SiO2/Si非金属SERS衬底。在1800-2000cm-1这拉曼信号的安静区间内,GO非金属SERS传感器对葡萄糖具有特异性的拉曼增强效应。利用化学增强机理解释了这种增强效应。GO无金属SERS传感器对葡萄糖的检测具有很宽的线性范围,为0.1mM到100mM之间(R2=0.9927),同时也具有较高的选择性和特异性。