石墨烯和金属纳米粒子电化学传感器的研究

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石墨烯是一种新型的碳基纳米材料,具有好的导电性、大的比表面积、强的电催化性能及良好的生物相容性,是构建电化学生物传感器的理想材料。金属纳米粒子的比表面积大、表面能高、催化活性好,可以代替酶来构建无酶生物传感器。二者的协同效应可以提高传感器的性能,有效地促进电化学传感器的发展。本文利用石墨烯和金属纳米粒子构建了基于石墨烯及石墨烯-金属纳米粒子复合物的修饰电极,实现了对过氧化氢(H2O2)和β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的检测。主要研究内容如下:  1、采用二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)做分散剂和稳定剂,在酸性条件下利用锌粉同时原位还原氧化石墨烯(GO)和Pt(Ⅳ)前驱体,合成了一种水分散性较好的Pt-PDDA-rGO杂化材料,并基于该材料修饰的玻碳电极构建了一种无酶 H2O2传感器。由于石墨烯可以有效负载大量小尺寸的铂纳米粒子(PtNPs),而PtNPs对 H2O2有较高的催化能力,因此该传感器能有效地检测H2O2。该传感器对H2O2的检测具有线性范围宽(1.0×10-9~1.4×10-3mol/L)、检测限低(3.4×10-10mol/L)、抗干扰能力强等特点,可以用于实际样品的分析。此外,还就该传感器对H2O2的电催化机理进行了简要讨论。  2、基于上一章的研究,在本章中我们构建了一种基于PDDA-rGO纳米复合材料修饰玻碳电极的电化学传感器,用于高灵敏检测 NADH。与裸电极相比,该修饰电极上NADH的氧化峰电位降低了约200 mV,氧化峰电流增加了5倍多,表明该传感器对NADH的氧化具有良好的电催化活性。这主要归因于rGO大的比表面积、快的电子转移性质及PDDA-rGO对NADH强的吸附作用。实验结果表明,该传感器对检测NADH具有宽的线性范围(1.0×10-7~2.9×10-3 mol/L)和较低的检测限(3.4×10-8 mol/L)。此外,NADH在PDDA-rGO/GCE上的电催化氧化机理进行了讨论。  3、本章通过湿化学方法合成了一种硫醇功能化石墨烯-AuNPs复合材料(CTAB-G-S-Au)。首先,采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)非共价键功能化GO,防止石墨烯的卷曲和堆积以提高其分散性,再用氢溴酸对 GO进行还原和溴化,通过硫脲和氢氧化钠进一步水解得到硫醇功能化石墨烯(CTAB-G-SH)。结果表明,GO结构中的羟基和环氧基都被硫醇化形成巯基。然后,利用 S-Au键将AuNPs固载到石墨烯上,得到最终产物(CTAB-G-S-Au)。最后,将该材料修饰到电极上构建了一支新型电化学传感器用于检测NADH。实验结果表明,该传感器对NADH的氧化反应表现出较高的电催化活性和较低的检测限,说明该修饰材料可以用于生物传感应用。
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