石墨烯/CeO2纳米阵列复合体系的构筑及其在电化学生物传感中的应用

Well-aligned CeO2 nanoarray will be synthesized by AAO templates in combination with direct electrodeposition, and then graphene will be electrodeposited into interspace of CeO2 nanoarray to fabricate graphene/CeO2 nanoarray composites. Subsequently, cholesterol oxidase (ChOx) monoenzyme, ChOx and cholesterol easterase (CE) bienzymes will be immobilized onto the surface of graphene/CeO2 nanoarray composites to prepare biosensors for the detection of free cholesterol and whole cholesterol in blood, respectively. The parameters of functional modification will be optimized to improve the performance of as-prepared biosensor and the surface and interfacial features of graphene/CeO2 nanoarray composites and law of charge transfer will be explored. Influence of morphology, microstructure and composition of graphene/CeO2 nanoarray composites on the performance of cholesterol biosensor will be investigated to establish the universal law between morphology, microstructure and composition of graphene/CeO2 nanoarray composites and its electrochemical biosensing performance. And the graphene/CeO2 nanoarray composites will be optimized to be an excellent matrix for preparation of electrochemical biosensors. This research progress will provide theoretical basis and materials support for the matrix used in electrochemical biosensing.

本项目拟通过模板法结合电沉积法制备石墨烯/CeO2纳米阵列复合体系，通过调控CeO2纳米阵列的电沉积工艺及石墨烯制备工艺，对所制备的石墨烯/CeO2纳米阵列复合体系的形貌、微观结构以及成分进行控制；随后以石墨烯/CeO2纳米阵列复合体系为基体，分别以胆固醇氧化酶(ChOx)单酶、胆固醇氧化酶(ChOx)及胆固醇酯酶(CE)双酶体系对其进行功能化修饰使其具有对游离态胆固醇和总胆固醇检测能力，优化功能化修饰参数，研究功能化修饰前后石墨烯/CeO2纳米阵列复合体系表面、界面特征以及电荷输运规律；进一步利用计时电流法和流动注射分析技术，研究复合体系构筑参数对电化学生物传感性能的影响，建立石墨烯/CeO2纳米阵列复合体系的形貌、微观结构和成分对电化学生物传感性能影响的普适作用规律，发展一种适用于电化学生物传感器构筑的良好基体材料，为电化学生物传感基体材料的发展提供理论依据和材料支撑。

针对人体体液中各类物质(如胆固醇、葡萄糖、尿酸)浓度的检测，电化学生物传感器提供了一种高效、灵敏的检测手段。一方面电化学生物传感器要具有低成本的要求，另一方面，电化学生物传感器需具备优异的抗干扰能力，因此电化学生物传感器构筑的基体材料对生物传感器的性能起到至关重要的作用。本项目执行过程中，分别发展了NiO/CeO2杂化纳米片阵列、NiO/Mn2O3杂化纳米片阵列、CeO2-x/CNT核壳纳米阵列、CeO2-x/C/rGO纳米复合材料的普适制备方法，并分别将其应用于葡萄糖、胆固醇和尿酸电化学生物传感器的构筑；研究发现， 纳米材料中晶体缺陷的增加有利于提高电化学生物传感器的催化性能；同时二氧化铈中引入氧空位可以有效提高其还原性能，从而使电化学生物传感器的工作电位大幅降低，改善了电化学生物传感器的抗干扰性能。基于CeO2-x/CNT核壳纳米阵列的胆固醇生物传感器在-0.4 V工作电位下，胆固醇生物传感器的灵敏度高达336.6 μA•cm-2•mM-1；基于CeO2-x/C/rGO纳米复合材料的尿酸生物传感器在-0.4 V工作电位下，尿酸生物传感器的灵敏度高达284.5 μA•cm-2•mM-1。.项目执行过程中共发表SCI收录论文9篇，与此同时，我们注意到相关知识产权的保护，项目的相关研究成果申请中国发明专利2项。研究结果对电化学生物传感器基体材料的制备及其应用提供了科学依据，奠定了实验与技术基础。