石墨烯多体系复合电化学生物传感器及其敏感特性研究

Graphene has great specific surface area, high conductivity, and contains a large number of boundary points, structural defects and functional groups, which provides places for the detection of the adsorption and electrochemical reaction. Graphene electrochemical biosensor becomes one of the research hot spots. Now, single modified graphene sensors has been reported widely, but the research of multiple modified graphene sensors and its synergy was lack, specially on the mechanism of synergetic effect. This project is proposed to prepare a large size, stable, single-layer graphene by the research of the chemical oxidation reduction process and graphene structure regulation mechanism on the basis of preliminary studies; realize the function modification of graphene by copolymerization of dopamine and gold nanoparticles, and identify synergies and mutual influence; prepare multi-system graphene composite biosensor by exploring the assembly and fixed mechanism of bimolecular loaded on graphene and improving the fixed efficiency and biological activity. The sensitivity characteristics will be studied, and the theory of graphene preparation and the multi-system graphene composite biosensor preparation will be improved. The innovations lie in the graphene structure regulation and the research of multiple modified graphene biosensors and its synergies.

石墨烯比表面积巨大、电导率高，且结构中含有大量的边界点、结构缺陷和功能性基团，为检测物质在其上的吸附和电化学反应提供了丰富的场所，是电化学生物传感器研究的热点之一。目前此方向在石墨烯单一修饰传感器研究较多，但复合修饰及其协同作用研究尤其是对于其作用机理的研究尚很欠缺。本项目拟在前期研究基础上，通过研究化学氧化还原法制备石墨烯的过程及结构调控机理，制备出大尺寸、稳定化、单层石墨烯。采用共聚合方式利用聚多巴胺、纳米金对石墨烯进行功能改性，找出相互之间的协同作用及相互影响规律，探索生物分子在石墨烯中负载时的组装、固定机理，找出提高固定化效率和生物活性的方法，制备出负载生物活性分子的石墨烯作为敏感元件的生物传感器，研究其敏感特性，从而进一步丰富石墨烯制备及其负载生物活性分子制备生物传感器的相关理论。本项目在石墨烯结构调控及多重修饰石墨烯生物传感器上具有明显的创新性。

石墨烯比表面积巨大、电导率高，且结构中含有大量的边界点、结构缺陷和功能性基团，为检测物质在其上的吸附和电化学反应提供了丰富的场所，是电化学生物传感器研究的热点之一。.本项目首先采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯，然后还原得到石墨烯。采用石墨烯（RGO）、多巴胺（DA）与氧化石墨烯（GO）共混制备石墨烯-聚多巴胺复合物（RGO-PDA）、原位电还原GO制备石墨烯（ERGO）等多种方式修饰玻碳电极（GCE），制备了基础电极GCE/RGO、GCE/RGO-PDA、GCE/ERGO。然后在其上原位沉积金、铂纳米粒子（AuNPs、PtNPs），并研究了葫芦脲自组装修饰。然后将生物活性分子葡萄糖氧化酶（GOD）、乙酰胆碱酯酶（AChE）、细胞色素c（Cyt c）等负载其上并采用壳聚糖（CS）或Nafion进行封装。探讨了金属纳米粒子、石墨烯、生物活性分子协同作用机理，对其传感性能进行了表征和分析。.结果表明，RGO、RGO-PDA、ERGO可为AuNPs、PtNPs、生物敏感物质分子负载提供超大的比表面积，并且相互之间有催化协同效应，能够明显降低电极的表面阻抗值，改善检测物质与电极间的电子迁移能力。其电子转移过程是一个扩散控制的电化学过程，具有良好的稳定性和重现性。GCE/RGO-PDA/AuNPs修饰电极对H2O2的检测的线性范围是0.3~1.0 mM，灵敏度为372.6 μA/(mM•cm2)。GCE/RGO-PDA/AuNPs/AChE/CS传感器对乙酰胆碱（ACh）线性检测范围在0.1~0.5 mM，灵敏度为19.8 μA/(mM•cm2)。GCE/RGO-CS/PtNPs/GOD-CS传感器对葡萄糖响应速度快（<6s），检测范围为0.01~1.27 mM，灵敏度为30.6μA/(mM•cm2)。GCE/ERGO-Nafion/AuNPs对H2O2检测范围在0.02~23.0 mM，灵敏度为574.8 μA/(mM•cm2)，检测下限为2μM（S/N=3）。GCE/ERGO-Nafion/AuNPs/Cyt c/Nafion传感器能使电极表面与酶之间发生直接电子转移，对H2O2有良好的响应效果。GCE/ERGO-Nafion/AuNPs/CB[n]/Fc-COOH /GOD对葡萄糖的线性检测范围在0.2~1.0 mM，检测灵敏度为3.8μA/mM。