基于石墨烯量子点-导电聚合物复合材料高性能生物传感器的构建及其应用研究

This project adopts the high-performance graphene/quantum dots and new type of graphene quantum dots as modified electrode material. We construct the graphene oxide and a variety of functional quantum dots that synthesized by water phase as composite nanomaterials. This project also focuses on researching a new high performance graphene quantum dots as electrode modified. It is planed to combine electrochemical oxidation and electrochemiluminescence to detect sample. Screen out new type qraphene quantum dots as modified electrode material by using electron microscope and other instruments of the composites to charactering its composites, morphology, size and function. This topic research of new type biosensor is able to provide accurate and fast inspection results of clinical and biochemical examination, early diagnosis of diseases, improve the patients’ quality of life, which is of great significance to human health career. It is very important to detect purine and uric acid early to prevent and treat metabolic disease by the biosensor.

本项目采用高性能石墨烯和量子点以及新型的石墨烯量子点作为电极修饰材料，通过将石墨烯进行氧化成为多种功能化的前体，以及水相合成多种功能化的量子点，优化二者组合成为高性能复合纳米材料；同时将近年来新研发的高性能准零维纳米材料-石墨烯量子点作为电极修饰材料进行系统性研究，结合灵敏度、选择性较好的电化学氧化与电化学发光两种方法共同检测，利用扫描电镜等仪器对上述复合材料以及石墨烯量子点的形貌、粒径和功能特点等参数进行表征，筛选出能够对生物小分子进行微量检测的新型生物传感器。本课题研制的新型生物传感器能够为临床生化检验提供准确、快速的检验结果，可早期诊断疾病，改善患者生活质量，对人类健康卫生事业具有重要意义。采用本项目研究的新型生物传感器检测血清样本中的嘌呤和尿酸等，实现早期快速检验，对预防和治疗代谢性疾病有着重要意义。

近年来，与饮食结构密切相关的代谢性疾病发病率逐年上升，嘌呤的合成代谢紊乱、能量代谢异常以及肾脏对尿酸的排泄障碍均可引起相应疾病的发生。因此，对尿酸等小分子代物质准确快速的检测对预防、诊断、治疗以及提高患者生存质量有着重要的研究应用价值。由于传感器不受颜色影响，可对痕量样品测定，仪器设备易于集成化和自动化且价格低廉，在分析和检测核酸、微生物、酶等方面有潜在的应用价值。本项目将石墨烯氧化成为多种功能化的前体，配合水相合成的多种功能化量子点，优化二者掺杂比例合成高性能复合纳米材料；同时合成准零维纳米材料-石墨烯量子点，该材料能够使尿酸酶均匀吸附于电极表面，并对其作为电极修饰材料的电化学性能进行系统性研究。此外，课题组还探索了金属有机框架纳米材料ZIF-8掺杂金纳米粒子再结合碳纳米材料制备酶生物传感器。利用扫描电镜、透射电镜、Mapping等多种表征手段对上述三种电极材料的形貌和粒径等参数进行表征，分别筛选出能够对生物小分子进行微量检测的新型电极修饰材料的合成修饰方法，结合电化学方法构建生物传感器。本项目共研制了三种新型生物传感器，（1）石墨烯和量子点复合纳米材料构建的传感器能够对尿酸和多巴胺进行同时检测，检测尿酸检测限达到1.0μmol/L，检测范围3-600μmol/L，检测多巴胺检测限达到0.33μmol/L，检测范围1-500μmol/L；（2）石墨烯量子点构建的尿酸酶生物传感器检测限0.3μmol/L，检测范围1-800μmol/L；（3）ZIF-8负载金纳米粒子生物传感器检测嘌呤检测限为0.167μmol/L，检测范围1-280μmol/L。该项目的成果能够在一定程度上弥补目前临床生化检验的不足，为临床提供准确、快速的检验结果，对早期预防、诊断、治疗疾病以及改善患者生活质量具有重要临床意义。