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