基于石墨烯構(gòu)建的無酶電化學(xué)傳感器及其應(yīng)用的研究.pdf

1、2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的海姆等人首次通過膠帶反復(fù)剝離石墨片，成功制得了穩(wěn)定存在的石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界引起了巨大的轟動，不僅因為它打破了二維晶體無法真實存在的理論預(yù)言，更重要的是石墨烯的發(fā)現(xiàn)，極大地豐富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊納米結(jié)構(gòu)和性能，使得石墨烯無論是在理論還是實驗研究方面都已展示出了重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，從而為碳基材料的研究提供了新的目標和方向。在過去短短幾年時間內(nèi)石墨烯已經(jīng)在理論研究和實際應(yīng)用領(lǐng)域充分展現(xiàn)

2、出無窮的魅力，迅速成為材料科學(xué)、納米電子器件、凝聚態(tài)物理等各個領(lǐng)域最為活躍的研究前沿。
　　單層的石墨烯是由不含任何不穩(wěn)定鍵的苯六元環(huán)組合而成的結(jié)構(gòu)完整的二維晶體。這種惰性的表面結(jié)構(gòu)也使得其具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時石墨烯的片與片之間有較強的范德華力，很容易產(chǎn)生聚集，從而使石墨烯的進一步研究及應(yīng)用受到阻礙。為了獲得穩(wěn)定分散的石墨烯懸浮液，改善其與其他基體的相溶性，就需通過共價鍵，非共價鍵與金屬和無機納米粒子對石墨烯進行表面修飾。<

3、br>　　植酸(IP6)是一類天然物質(zhì)，在許多植物組織，特別是在麩類和種子中，作為磷的主要存在形式。它具備一些獨特的優(yōu)點，如生物相容性好，無毒和對環(huán)境友好。IP6有六個磷酸酯鍵，可以與石墨烯通過形成π-π共軛體系，以期達到分散石墨烯的目的，代替人工合成的聚合物分散劑。此外由于碳納米管獨特的管狀結(jié)構(gòu)，與石墨烯復(fù)合時也可以有效地阻礙石墨烯的團聚，并且增強了石墨烯的連續(xù)性，可以很好地體現(xiàn)碳納米管的橋梁作用?；瘜W(xué)法還原制備的石墨烯由于還原劑的使

4、用，產(chǎn)物很容易受到試劑的污染，但是，采用電化學(xué)的方法就可以很好地避免這些問題。若在還原的過程中，摻雜其他的物質(zhì)，一步法制備石墨烯復(fù)合材料，應(yīng)用于無酶電化學(xué)傳感器中，有望實現(xiàn)兩者共同的催化優(yōu)勢。本論文主要將石墨烯以及石墨烯復(fù)合材料用于對乙酰氨基酚(AP)、多巴胺(DA)的無酶電化學(xué)檢測。
　　1.石墨烯(G)通過植酸(IP6)的輔助分散到了水相中，并且可以保持至少3個月的分散穩(wěn)定性。利用自組裝的方法將植酸分散的石墨烯納米材料修飾到玻

5、碳電極上用作傳感器或者其他的用途。在緩沖液中采用伏安法對G-IP6/GC電極的性能作了研究。在pH=7.0的緩沖液中G-IP6/GC電極對AP的催化效果明顯的增強了。此外，該修飾電極對AP的檢測的線性范圍是0.1μM-3.5 mM，檢測限是0.052μM(S/N=3)。并且干擾實驗顯示此修飾電極可以在有AA（抗壞血酸）、DA、UA（尿酸）存在的條件下檢測出AP，具有良好的選擇性、靈敏度以及穩(wěn)定性。
　　2.利用水合肼作為還原劑的化

6、學(xué)方法制備了石墨烯納米片，并采用紫外可見吸收光譜(UV-vis)、X-射線衍射光譜圖(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)以及場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)對其進行了表征。并將多壁碳納米管與石墨烯混合，用于修飾玻碳電極，該電極可以成功的用于在大量抗壞血酸(AA)存在的條件下檢測DA。并計算了相關(guān)的電化學(xué)參數(shù):電極表面積(A)、電子傳遞速率常數(shù)(κs)以及對DA催化的擴散常數(shù)(D)等。并且此修飾電極在1 mM AA存在的條件下，對DA在0.0

7、1-10μM的范圍內(nèi)呈現(xiàn)很好的線性，檢測限為0.003μM(S/N=3)。這種好的性能是由石墨烯與碳納米管的協(xié)同效應(yīng)引起的。此外，該修飾電極還可以用于實際樣品鹽酸多巴胺注射液的檢測。
　　3.利用電化學(xué)一步綠色合成了電化學(xué)石墨烯-鎳氧化物修飾的玻碳電極（ERG/Ni2O3-NiO/GC電極），制備了快速檢測AP的傳感器。該制備電極采用FE-SEM、X-射線光電子能譜(XPS)以及拉曼散射光譜(Raman spectroscopy)

8、進行了表征。利用循環(huán)伏安法(CV)和微分脈沖伏安法(DPV)對ERG/Ni2O3-NiO/GC電極催化AP的電化學(xué)性能進行了測試。研究表明ERG/Ni2O3-NiO/GC電極對AP的催化效果最好，這主要是由ERG/Ni2O3-NiO獨特的結(jié)構(gòu)特征和物理性能所引起的協(xié)同效應(yīng)造成的。在4×10-8到1×10-4 M范圍內(nèi)ERG/Ni2O3-NiO/GC電極對AP具有很好的線性，檢出限是2×10-8 M(S/N=3)。還能夠運用到檢測實際樣品

9、中去。
　　4.運用靜電紡絲技術(shù)以及退火后處理制備了氧化銅(CuO)無酶葡萄糖傳感器。采用FE-SEM以及XRD表征了CuO的結(jié)構(gòu)和特性。并且研究了不同的分散液所得修飾電極對葡萄糖的催化性能。利用CV和計時電流法(I-t)對CuO/GC電極催化葡萄糖進行了探索。結(jié)果表明該修飾電極在0.5V的電位下對葡萄糖的催化具有較長的穩(wěn)定性以及抗毒化能力。CuO膜修飾電極對葡萄糖的良好的催化性能可能是由于CuO具有高的比表面積和復(fù)雜的孔狀結(jié)構(gòu)。