基于石墨烯-贵金属纳米材料的葡萄糖无酶传感器的研究

As a two-dimensional carbon nanomaterial, graphene is the basic constitutive unit of other carbon materials (fullerenes, carbon nanotubes, graphite), which has the properties of large surface area, high electrical conductivity and thermal conductivity and excellent mechanical. It has a broad application prospects in chemistry, materials sciencelife sciences, new energy field. This project intends to use the covalent bonding and electrostatic assembly methods to functionalize graphene, improving the surface charge distribution and water-soluble of graphene. Then, a series of graphene/precious metal nanoparticle composites will be prepared for a high catalytic activity to glucose,based on the noble metal salts in situ be reduced on the functionalized graphene surface. Using spectroscopy and electron microscopy techniques to show the structure and properties of nanocomposites. The dispensing, electrostatic adsorption or self-assembly methods will be used to modify electrode surfaces with the precious metal/graphene nanocomposites. The catalytic glucose oxidation behaviors on the modified electrodes would be systematacially investigated by using the electrochemical methods for revealing the catalytic oxidation mechanism of glucose based on the functionalized graphene/precious metal nanocomposites. On the above results, the non-enzymatic glucose electrochemical sensors with efficient and sensitive will be built, which will expand the scope of graphene application in the fields of electrochemical sensing and biological detection.

作为一种构成其他碳材料（富勒烯，碳纳米管，石墨）基本单元的二维碳纳米材料，石墨烯具有大比表面积、高导电和导热性及优良的力学性能，在化学、材料学、生命科学、新能源领域有着广阔的应用前景。本项目拟运用共价键合和静电组装等方法，对石墨烯进行功能化，改善其表面电荷分布和水溶性，进而在功能化石墨烯表面原位生成贵金属纳米颗粒，制备一系列对葡萄糖具有高催化活性的功能石墨烯/贵金属复合纳米材料，结合各种光谱和电镜技术表征纳米复合材料的结构和性能；运用滴涂、静电吸附或者自组装方法，将贵金属/石墨烯复合纳米材料修饰在电极表面，采用电化学方法系统研究各种功能化石墨烯/贵金属纳米复合材料以及修饰电极方法修饰电极对葡萄糖的催化氧化行为，揭示功能化石墨烯/贵金属纳米复合材料催化氧化葡萄糖的作用机制，在此基础上构建高效灵敏的非酶葡萄糖电化学传感器，拓展石墨烯在电化学传感、生物检测等领域的应用范围。

葡萄糖是生命过程主要的特征物质，葡萄糖的分析检测对疾病诊断、治疗和控制有着重要作用。本项目制备了多种具有优异催化性能的功能纳米材料，构建了高效灵敏的葡萄糖传感器，成功实现了人体血清中葡萄糖的检测。主要工作包括：（i）制备了铂负载聚苯胺功能化石墨烯(Pt/PANI/GNs)纳米复合材料，利用负载在PANI/GNs复合材料上Pt NPs的催化性能，构建了双氧水(H2O2)和葡萄糖生物传感器，其检测灵敏度及稳定性较好。（ii）利用掺杂在石墨烯中的氮和氧原子与钴（II）离子的配位作用，合成了催化效率高的氧气析出反应催化剂。原位电化学荧光光谱研究发现羟基自由基是氧气析出反应的一个重要过渡态。将所制备的催化剂作为模型平台，在离子尺度研究了不同的因素对活性位点催化性能的影响：1）将钴（II）离子用它的邻近过渡金属离子替代；2）改变钴（II）离子的对离子。所得一系列催化剂的活性变化趋势，揭示了过渡金属离子的d电子数目和电子密度是影响催化剂活性的两个普遍因素。（iii）利用三磷酸腺苷(ATP)分子为有机配体与稀土离子铈（Ce3+）、铽（Tb3+）进行自组装，合成了双金属稀土配位聚合物ATP-Ce/Tb-Tris CNPs。该材料Ce3+、Tb3+之间有效的能量传递，使Tb3+产生绿色特征光。在H2O2的作用下，ATP-Ce/Tb-Tris CNPs中的Ce3+被氧化成Ce4+，导致Ce3+→Tb3+之间的能量传递中断，促使材料的荧光猝灭，基于Tb3+荧光猝灭程度与H2O2浓度之间的线性关系，构建了高灵敏检测H2O2和葡萄糖的传感新方法，实现了人体血清中葡萄糖的检测。（iv）采用原位合成法，制备了Pt/MWNTs复合材料，其修饰电极催化氧化甲醇的循环伏安曲线，起增电位比文献所报道Pt/MWNT负移了0.3 V，所得If:Ib值为1.85，明显高于Pt−CNT的1.4，而且该复合材料Pt为21 wt%的峰电流密度为2.55 mA cm-2，远高于报道的Pt负载量为50 wt%时Pt/MWNT的0.65 mA cm-2，因此，Pt/MWNTs更容易催化氧化甲醇。（v）通过高温裂解还原Pd(acac)2制备了Pd/MWNTs纳米粒子。Pd/MWNTs复合材料有很高的电催化活性， 同时MWNTs与Pd的协同效应，很好地改善催化剂抗CO毒化能力。应用Pd/MWNTs修饰电极构建了H2O2生物传感