基于高分散纳米铂/石墨烯的电化学生物传感器研究

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石墨烯是一种典型的sp2杂化的二维无机纳米材料。它具有一系列优异的电化学性能,如:电化学窗口宽,催化活性高,电荷转移电阻小,电子转移速率快等,这些特性使得石墨烯可以作为一种理想的电极改性材料。但是,石墨烯也有一些明显的缺点,如其分散稳定性差,易团聚,可以通过制备石墨烯基复合材料来进一步改善石墨烯的性能,尤其是分散性和催化活性。贵金属(如Pt,Au,Ag)在催化剂,燃料电池等领域发挥着不可替代的作用。它们的纳米粒子已被广泛用于修饰碳纳米管以形成新的复合材料,并且这些复合材料作为催化剂和在生物传感器制备方面都表现出良好的性能。因此,石墨烯和贵金属的结合是进一步提高其电导率和催化活性的潜在方法。本论文制备了负载纳米铂的石墨烯复合材料,以此为基础制备了两种电化学生物传感器,并对其检测性能进行研究。同时,还利用铋膜和螯合剂之间的协同作用,制备了能够定量检测痕量重金属铅的碳糊电极。具体研究工作如下:首先,采用改进的Hummers法、以鳞片石墨为原材料合成出氧化石墨烯,采用溶剂热法还原氧化石墨烯,并负载Pt纳米颗粒,制备出高分散纳米铂/石墨烯(GPNs)。采用SEM对材料进行表征,发现Pt纳米颗粒在GPNs上分散均匀,EDS表征结果显示,Pt的质量分数为28%。分别以水、乙醇、萘酚(Naf)、壳聚糖(CS)溶液为分散剂,分散GPNs后修饰玻碳电极,对修饰电极进行循环伏安表征(CV)并测试其对H2O2的催化性能,结果显示以Naf和CS溶液为分散剂的修饰电极具有最佳的检测性能。以Naf为分散剂,分散GPNs后修饰玻碳电极,并在修饰电极表面固定化LOx,制备出乳酸传感器。该传感器对乳酸表现出良好的检测性能,线性检测范围为0.2-1.2 mM,响应电流与乳酸浓度的线性关系为:i/μA=0.18+3.32 c/mM,R2=0.996。该传感器对乳酸响应具有高的灵敏度(3.32μA/mM)和低的理论检出限(8.0μM);且该传感器具有良好的重复性和稳定性,连续15天对乳酸进行测试,响应信号损失率仅为3.0%,多次重复测量的RSD为2.1%;此外,该传感器还具有良好的抗干扰能力。其次,以CS溶液为分散剂,分散GPNs后修饰玻碳电极,并在修饰电极表面固定化SOx,制备出肌氨酸传感器。该传感器对肌氨酸表现出良好的检测性能,线性检测范围为10-520μM,对响应电流和肌氨酸浓度分段进行线性拟合,在10-100μM之间,拟合方程为:i/μA=0.071+0.011 c/μM,R2=0.999;在100-520μM之间,拟合方程为:i/μA=0.372+0.008 c/μM,R2=0.999,可以计算传感器对肌氨酸的理论检出限为1.8μM,此外,传感器具有良好的稳定性,连续12天测试响应信号损失6.8%,多次重复测量的RSD为1.8%。在血清中对肌氨酸检测的回收率稳定在73.3%-73.6%之间。回收率偏低的原因还需要进一步研究。最后,以氧化铋和双硫腙为修饰剂,制备出复合修饰剂修饰碳糊电极,对重金属铅离子进行检测。通过与单一修饰剂的碳糊电极相比,该复合修饰剂修饰的碳糊电极对Pb2+的检出效果最好,且具有良好的电极重现性。其线性检测范围为5-80μg/L,线性回归方程为:i/μA=4.63+0.62c/(μg/L),R2=0.997。该传感器对Pb2+的检测灵敏度为0.62μA/(μg/L),检出限为0.1μg/L(S/N=3),且碳糊电极具有良好的稳定性和抗干扰能力。
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