基于石墨烯納米復(fù)合材料的生物傳感器研究.pdf

1、石墨烯(RGO)，即單層石墨層片，僅有一個(gè)碳原子厚度，是由sp2雜化碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯具有高的比表面積、突出的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能及非凡的電子傳遞性能等一系列優(yōu)異的性質(zhì)，因此被廣泛的應(yīng)用于納米電子器件、傳感器、藥物載體、超級電容器以及能量存儲等領(lǐng)域。
　　目的:將石墨烯與其他納米材料相結(jié)合，開發(fā)出一種導(dǎo)電性高、生物兼容性好、對酶親和力強(qiáng)的新型石墨烯納米復(fù)合材料，利用葡萄糖氧化酶(GOD)為模型酶，探索石墨烯在

2、生物傳感器中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，通過電沉積法，將石墨烯與納米金（AuNPs）相結(jié)合，高效固定乙酰膽堿酯酶(AChE)，構(gòu)建靈敏度高、穩(wěn)定性好、電化學(xué)響應(yīng)快和重現(xiàn)性好的農(nóng)藥生物傳感器。為農(nóng)藥的快速檢測提供靈敏的科學(xué)方法，為同類其他生物傳感器的構(gòu)建提供理論依據(jù)。
　　方法:
　　第一部分:石墨烯的制備、表征以及在葡萄糖生物傳感器中的應(yīng)用
　　第一步:采用Hummers和offeman方法制備氧化石墨烯(GO)，并以葡萄糖作

3、為還原劑由氧化石墨烯制備石墨烯。
　　第二步:采用X-射線衍射法(XRD)和紫外-可見分光光度法對氧化石墨烯和石墨烯進(jìn)行表征。
　　第三步:在電沉積制備普魯士藍(lán)-殼聚糖(PB-CS)膜修飾金電極的基礎(chǔ)上，引入新型納米材料石墨烯，以葡萄糖氧化酶為模型酶，構(gòu)建基于RGO/PB-CS納米復(fù)合材料的葡萄糖生物傳感器。采用循環(huán)伏安法(CV)和時(shí)間-電流(i-t)曲線法研究了傳感器的電化學(xué)特性和石墨烯、普魯士藍(lán)對傳感器靈敏度的影響，探討

4、了該傳感器的抗干擾性和實(shí)際應(yīng)用。
　　第二部分:基于普魯士藍(lán)/石墨烯-納米金-β-環(huán)糊精雜交膜的農(nóng)藥生物傳感器研究。
　　第一步:采用恒電位法在電極表面組裝石墨烯-納米金-β-環(huán)糊精雜交膜(RGO-AuNPs-β-CD)。
　　第二步:采用CV法在電極表面組裝PB-CS膜。
　　第三步:以生物兼容性良好的殼聚糖為載體，高效固定乙酰膽堿酯酶(AChE)。
　　實(shí)驗(yàn)中采用酶抑制法檢測有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類農(nóng)藥

5、。有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類農(nóng)藥能夠抑制AChE的活性，使得電極表面AChE對氯化乙酰硫代膽堿(ATCl)的催化能力下降，產(chǎn)生的硫代膽堿(TCh)減少，電信號下降，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了對有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類農(nóng)藥的高靈敏檢測。采用掃描電鏡技術(shù)(SEM)和CV法對電極表面進(jìn)行表征，并采用i-t曲線法研究傳感器對ATCl的電流響應(yīng)。探索了抑制時(shí)間對有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類農(nóng)藥檢測的影響，并考察了傳感器的再生性、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性以及準(zhǔn)確性。
　　結(jié)

6、果:
　　1.石墨烯的制備、表征以及在葡萄糖生物傳感器中的應(yīng)用
　　1.1 通過本次實(shí)驗(yàn)制備的石墨烯不經(jīng)任何處理，能夠穩(wěn)定存在，可直接應(yīng)用于傳感器的構(gòu)建。由XRD圖分析可知，在氧化還原過程中石墨粉的晶型結(jié)構(gòu)被破壞，晶體完整度下降，片層縮小，最終合成石墨烯。而紫外光譜掃描圖表明，氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)逐漸被還原，π-π共軛體系逐漸被修復(fù)，再一次證明了石墨烯的成功制備。通過CV法對不同修飾電極表面的導(dǎo)電性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明

7、構(gòu)建的電極響應(yīng)界面具有良好的導(dǎo)電性能。
　　1.2 實(shí)驗(yàn)中采用i-t曲線法優(yōu)化出該傳感器的最佳工作體系:工作電位為0.0 V，測試底液的pH值為6.5，葡萄糖氧化酶濃度為10.0 mg mL-1，石墨烯用量為5μL。在最佳條件下，此傳感器的催化電流在葡糖糖濃度0.01～1.05 mM范圍內(nèi)成線性(相關(guān)系數(shù)為0.9999)，具有較高的靈敏度65.3μAmM-1 cm-2、較低的檢測限6.00μM和較小的表觀米氏常數(shù)1.43mM。此外

8、，該傳感器也表現(xiàn)出了響應(yīng)快和選擇性高的特點(diǎn)，可用于糖尿病人血糖的測定。
　　2.基于普魯士藍(lán)/石墨烯-納米金-β-環(huán)糊精雜交膜的農(nóng)藥生物傳感器研究
　　2.1 實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化了RGO-AuNPs-β-CD膜在電極表面組裝的最佳條件。氯金酸、β-環(huán)糊精和氧化石墨烯的濃度分別為0.01％、0.025％和2.00 mgmL-1，工作電位為-1.4 V，沉積時(shí)間為720 s。
　　2.2 實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用i-t曲線法優(yōu)化出該傳感器的最佳

9、工作體系:乙酰膽堿酯酶濃度為0.5 mg mL-1，應(yīng)用電勢為0.2V，測試底液pH值為6.5。
　　2.3 在最佳工作條件下，利用i-t曲線法獲得的此傳感器的催化電流與ATCl濃度分別在1.50～269.0μM和344.0～2219.0μM范圍內(nèi)成線性（相關(guān)系數(shù)分別為0.9992和0.9942），靈敏度分別為205和134μA mM-1 cm-2。表明石墨烯和納米金的協(xié)同作用有效提高了AChE對ATCl的催化作用，增強(qiáng)了復(fù)合材料

10、電極對其水解產(chǎn)物硫代膽堿的響應(yīng)信號。
　　2.4 實(shí)驗(yàn)采用示差脈沖伏安(DPV)法測定馬拉硫磷和西維因的線性范圍分別為8.00～2.00×103 pg mL-1和4.30～1.00×103 pg mL-1。
　　2.5 PB的加入，使該生物傳感器能夠在低電位下氧化氯化乙酰硫代膽堿的水解產(chǎn)物硫代膽堿，不僅提高了該傳感器的靈敏度，同時(shí)也提高了該傳感器的選擇性。該傳感器在4℃下儲存28天，酶能保持92％的初始活性。
　　2.

11、6 以碘解磷定為解毒劑，考察了乙酰膽堿酯酶的再生性，結(jié)果表明，經(jīng)過一定濃度的馬拉硫磷抑制后的乙酰膽堿酯酶在5.00 mM碘解磷定中浸泡15分鐘后，活性能夠恢復(fù)94.8％。
　　2.7 樣品回收率檢測中，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，分別檢測蔬菜中馬拉硫磷和西維因的含量，結(jié)果表明二者的回收率分別在92.8％～106.7％和90.3％～101.5％之間，說明該方法檢測有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥具有較高的準(zhǔn)確性。
　　結(jié)論:本研究中首先采用化學(xué)還

12、原法制備新型納米材料石墨烯，并以葡萄糖氧化酶為模型酶，研究其在葡萄糖生物傳感器中的應(yīng)用，研究表明將石墨烯與普魯士藍(lán)-殼聚糖相結(jié)合，有效的促進(jìn)了電極表面與分析底物之間的電子轉(zhuǎn)移，改善了該傳感器的工作性能。通過電化學(xué)沉積技術(shù)制備PB-CS/RGO-AuNPs-β-CD復(fù)合膜，制得新型乙酰膽堿酯酶生物傳感器。石墨烯和納米金的協(xié)同作用，有效提高了AChE對ATCl的催化作用，增強(qiáng)了復(fù)合材料電極對其水解產(chǎn)物硫代膽堿的響應(yīng)信號。而PB的引入，不僅提