共轭聚电解质/石墨烯复合探针的制备及其生物传感性能研究

Conjugated polyelectrolytes (CPEs) provide a unique platform for the development of sensors for biologically relevant targets in view of their water-solubility and signal-amplification effect. One of the main signal transduction mechanisms for amplification effect is to construct CPE-electron/energy acceptor ionic complexes, and the analyte detection with high sensitivity and selectivity can be realized through electron transfer (ET) or fluorescence resonance energy transfer (FRET) between CPE and acceptors. Therefore, exploration of efficient CPE-acceptor ionic complex is a key step towards the construction of biosensors with high sensitivity. Graphene, a single-atom-thick two-dimensional carbon based nanosheet, can induce efficient fluorescence quenching of nearby fluorophores via fluorescence resonance energy transfer (FRET) or nonradiative dipole-dipole coupling. Thus, graphene is an ideal component for preparing high-quality hybrid probe with CPE. In the present project, we'll design and synthesis water-soluble graphene and develop strategies for preparing CPE/graphene composite probes for sensing bioanalytes with high sensitivity and selectivity. The influences of electrostatic, hydrophobic, pi-pi stacking and ion strength on the interaction between CPE and graphene will be explored, and the sensing mechanisms will also be proposed. We believe that the support and accomplishment of the project should provide valuable information for further preparing CPE/graphene composites and developing its application in biosensors.

共轭聚电解质良好的水溶性、独特的倍增光学响应性使其在生物传感领域具有重要的应用前景。实现倍增光学响应的主要策略之一是构建共轭聚电解质-电子/能量受体离子复合物，通过给受体间的电子或能量转移实现对特定底物的高灵敏度检测。因此，探寻高效的共轭聚电解质-电子/能量转移体系是提高传感性能的一个重要方法。石墨烯是一种新兴的二维碳基纳米材料，具有高效荧光淬灭能力，因此是共轭聚电解质的一个理想复合组分制备高性能复合探针。本项目将设计合成结构可控的水溶性石墨烯，系统地研究其结构与性能关系。发展共轭聚电解质与石墨烯的复合方法，探讨静电、疏水、pi-pi等相互作用及其离子强度对共轭聚电解质与石墨烯相互作用的影响，制备结构可控的共轭聚电解质/石墨烯复合探针。实现对特定生物分子的快速、高选择性、高灵敏度检测与区分。该项目的确立与完成将对共轭聚电解质/石墨烯复合材料的合成及其传感性能研究提供理论基础与技术支撑。

化学修饰石墨烯是一种新型二维共轭聚电解质，在传感、催化、结构材料等领域具有重要应用前景。本项目发展了系列氧化石墨烯及石墨烯量子点合成方法，系统地研究了其结构与性能关系；探索了石墨烯与导电高分子、聚电解质在水溶液中组装行为，制备了多种石墨烯/高分子复合材料，并研究了其传感及催化性能。改进的无硝酸钠氧化石墨烯合成方法具有无有毒气体产生、方法简单的优点；在提高反应效率的同时降低了制备成本、减轻环境负担。以小尺寸石墨粉为原料制备氧化石墨烯，在化学结构、片层厚度和大小基本不变的前提下将反应转化率由110%提高到170%，同时不需离心分离，极大地降低了制备成本。通过单一氧化剂高锰酸钾在浓硫酸中低温氧化石墨粉方法制备了结构缺陷少、大石墨化共轭结构的氧化石墨烯。构建聚电解质波长传感阵列，结合氨基酸原位衍生化反应和线性判别分析方法实现了对结构相似氨基酸分子的有效区分。通过简单、便捷的溶液组装方法制备还原氧化石墨烯/聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）（PEDOT）复合材料。复合体系中石墨烯可诱导PEDOT主链构象向醌式构象转变，并且两组分间发生电荷转移，该复合材料对氧气催化还原反应具有协同增强效应，并对甲醇渗透效应和一氧化碳毒化具有较好的耐受性；相较于铂/碳催化剂有更好的稳定性。此外，发展了凝胶涂布结合自然干燥及后还原方法制备高拉伸强度、高韧性、高导电及热导性石墨烯薄膜。上述研究结果对理解石墨烯及共轭聚电解质的组装过程及功能化具有重要指导意义。