三维氮掺杂石墨烯葡萄糖生物传感器制备及表征

摘  要

石墨烯，由于其具有良好的导电性能、较高的电催化性能以及大的比表面积,使得它在生物电化学和生物传感方面倍受青睐。其中，利用葡萄糖氧化酶构建的石墨烯葡萄糖生物传感器已经成为了研究的一大热门。然而，近年来这类生物传感器的灵敏度却总是被电极与酶之间低效的电子传递、较小的催化反应面积和电极材料本身较差的导电性等因素所限制。为了解决这个问题，我们利用化学气相沉积方法，以镍泡沫为基底，在生长过程中引入氨气，生长出电学性能极佳的高质量的三维氮掺杂石墨烯。为了加强石墨烯与酶的结合力，我们用壳聚糖对其表面进行了修饰，成功制备出了三维氮掺杂石墨烯/壳聚糖/葡萄糖氧化酶复合物电极,并对其葡萄糖传感的能力进行了测定和评估。三维孔结构大的比表面积、氮掺杂石墨烯优异的电学性能，使得该传感器具有从未报道过的极高的传感灵敏度（高达224.24 μA·mM–1·cm–2）。此外，还兼具有低检出限、高选择性等优点。不仅如此，这种设计还可以推广到其他生物传感器体系。因此，这种全新的葡萄糖生物传感器是一种具有极大潜力的高效葡萄糖生物传感材料，在未来具有极好的应用前景。

关键词：三维氮掺杂石墨烯；葡萄糖氧化酶；葡萄糖生物传感器

ABSTRACT

....

Key words: Three-dimensional nitrogen-doped graphene; Glucose oxidase; Glucose biosensor

目  录

第一章 绪论 1

1.1 氮掺杂三维石墨烯简介 1

1.1.1 氮掺杂三维石墨烯结构与性质 1

1.1.2 氮掺杂三维石墨烯的制备方法 2

1.1.3 氮掺杂三维石墨烯的表征方法 5

1.1.3.1 拉曼光谱（Raman Spectra） 5

1.1.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 6

1.1.3.3 X射线光电子能谱（XPS） 7

1.2 葡萄糖生物传感器简介 8

1.3 论文选题及研究思路 10

第二章 新型三维氮掺杂石墨烯葡萄糖生物传感器制备 11

2.1 实验设备及材料 11

2.2 实验方案设计 11

2.3 镍泡沫上CVD法制备三维氮掺杂石墨烯 11

2.3.1 实验过程 12

2.3.1.1 CVD生长过程 12

2.3.1.2 三维氮掺杂石墨烯的转移 13

2.3.2 Raman表征 13

2.3.3 XPS表征 14

2.4 三维氮掺杂石墨烯/壳聚糖/GOx生物传感器制备 15

2.4.1 三维氮掺杂石墨烯/壳聚糖复合物制备 15

2.4.2 GOx在复合物表面的吸附 15

2.4.3 生物传感电极制备 15

第三章 三维氮掺杂石墨烯葡萄糖生物传感器性质研究 17

3.1 复合物的SEM表征 17

3.2 三维氮掺杂石墨烯/壳聚糖/GOx复合物表面GOx的直接电子传递 18

3.2.1 GOx直接电子传递机理 18

3.2.2 复合物表面GOx直接电子传递情况 18

3.2.3 氮掺杂与未掺杂情况对比 19

3.2.4 不同扫描速度下的电子传递情况 20

3.3 壳聚糖作用的机理探讨 21

3.3.1 PAA体系的电子传递情况对比 22

3.3.2 PEI体系的电子传递情况对比 23

3.4 三维氮掺杂石墨烯/壳聚糖/GOx复合物电极对葡萄糖的生物传感 24

3.4.1 电极对葡萄糖的生物传感机理 24

3.4.2 电极对不同葡萄糖浓度的响应 25

3.4.3 电极传感选择性 26

第四章 总结与展望 28

参考文献 30

致谢 35