先进无机材料

上海大学2015〜2016学年春季学期本科生课程论文课程名称： 先进无机材料 课程编号：0106EY01论文题目： 石墨烯纳米复合材料在电化学生物传感器中的应用学生姓名： 武小侠 学号： 13723029论文评语:成绩： 任课教师： 评阅日期： 注：后接小论文，格式参照公开发表论文的样式。石墨烯纳米复合材料

在电化学生物传感器中的应用

武小侠（上海大学理学院化学系13723019）摘要：生物传感技术结合了信息技术与生物技术，涉及化学、生物学、物理学以及电子学等交叉学科，在医药工业、食品检测和环境保护等诸多领域有着广阔的应用前景。其中电化学生物传感器以其高选择性、高灵敏度、高检测速度和易于微型化以及便于在线监测等特点得到广泛研究和应用。石墨烯作为新型的二维碳基纳米材料，具有良好的导电性，较大的比表面积和较好的生物相容性。将石墨烯与其他纳米材料复合，是一种拓展或增强其应用的有效方法。借助不同组分间的协同作用，可以改善石墨烯的电学、化学和电化学性质，拓展和增强石墨烯的电化学效应，为固定氧化还原酶，实现直接电化学提供新型、高效的平台。本文综述了基于石墨烯构筑的纳米复合材料在电化学生物传感器中的应用研究，包括石墨烯与贵金属、金属氧化物/半导体纳米粒子、高分子、染料分子、离子液体、生物分子等的纳米复合材料，并对石墨烯材料在电化学领域的发展方向和应用前景进行了展望。关键词：石墨烯；纳米材料复合；电化学；生物传感器引言生物传感器起源于20世纪中期，1962年美国Clark教授首次提出酶传感器的概念，1967年Upkike和Hicks首次利用葡萄糖氧化酶与氧电极组合，制成第一支酶电极。70年代中期以后，随着生物技术、生物电子学等地不断渗透、融合，使得生物传感器不再局限于生物反应的电化学过程，而是在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术以及生物一电信息的转换等方面的研究获得了较快进展。90年代以后，以表面等离子体和生物芯片为代表的生物亲和技术成为生物传感器发展的又一高潮。现如今随着科技的不断发展，生物传感器技术已广泛应用在医学临床诊断［1,2］、食品和药物分析［3,4］、发酵［5］、环境监测以及生物技术［6,7］等方面。生物传感器是分析生物技术的一个重要领域，是由多种学科交叉而产生的一种新学科。生物传感器是指利用固定化的生物物质(包括酶、细胞器、抗原、抗体、激素、细胞、组织等生物活性物质)作为识别元件，将生化反应信号转化为可测量的电信号，从而测量出被测物质及其浓度。本文综述了基于石墨烯构筑的纳米复合材料在电化学生物传感器中的应用，包括石墨烯与无机物、有机物以及其他材料的纳米复合材料，并对石墨烯材料在电化学领域的发展方向和应用前景进行了总结和展望。石墨烯-无机纳米复合材料修饰电极石墨烯与金属氧化物/半导体NPs复合后得到的材料具有卓越的电催化、电化学传感和电化学能量转换性质，因而得到了广泛的关注。石墨烯本身的大表面积、高导电性等使得石墨烯成为装载金属氧化物/半导体NPs的理想二维催化剂载体，并提供了选择催化或传感等性能。例如，TiO2作为酶的载体基质，能够增强酶的催化活性并促进酶与电极之间的直接电子转移oFan等厲］用简单的水热合成法制备石墨烯-TiO2纳米复合材料并用于修饰GCE(如图4所示)，该复合电极对多巴胺(DA)的氧化显示出显著的电子转移动力学和电催化活性，且其他常见的干扰物质如抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)等的氧化被明显抑制，表明对DA电化学检测的优异选择性和灵敏度。石墨烯-有机纳米复合材料修饰电极石墨烯不仅可通过与无机材料的纳米复合以实现协同优化，还可与有机材料复合实现改性或功能化，为固定氧化还原酶、实现直接电化学提供新型、高效的平台，并应用于第三代电化学生物传感器的设计和制备。其他基于石墨烯的纳米复合材料修饰电极离子液体(ionicliquid,IL)具有溶解有机、无机和高分子材料的能力，良好的导电性、热学和电化学稳定性、生物相容性、较宽的电化学窗口，易与其他物质分离，可以循环利用，还可用作新材料生产过程中的酶催化剂［39,40］。石墨烯与IL的复合是近年来复合材料领域的研究热点。结论作为一种新型的二维纳米材料，石墨烯以其独特的物理性质引起了极大的关注。和其它结构相比，石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度；并且作为单原子平面二维晶体，石墨烯在高灵敏度检测领域具有独特的优势。基于石墨烯的特性，将石墨烯与纳米材料复合是一种增强功能性的有效方法，这些基于石墨烯复合材料的生物传感器对葡萄糖、胆固醇、Hb、DNA、H2O2、02、小生物分子等的检测显示出了优异的灵敏度和选择性。基于石墨烯的材料和器件的发展目前仍处于萌芽时期，未来还需继续拓展这些材料和器件在电分析和电催化领域的科学研究。参考文献李鹏，现代分子生物学技术在医学检验中的应用[J]。临床和实验医学杂志，2007,3:161.何宝山，周爱玉，李华清等。现场检测用谷丙转氨酶光学生物传感器研究。微纳电子技术，2007,7:345-347.张耀东，杨伯伦。胆碱酯酶生物传感器检测农药残留物研究进展。卫生研究，2006,2:250-253.郑琦，卢卫红，辛平等。生物传感器在环境监测和发酵工业中的应用[J].仪器仪表学报，2006,12:1746-1748.闰慧慧，府伟灵，张波。蛋白质、DNA相互作用压电阵列传感器的构建及应用J].山东医学，2007,27:60-62.陈俭霖。生物传感器在环境监测中的应用及发展前景明。污染防治技术，2006,3:59-62.[15]卢基林，庞代文。电化学生物简介[J]。大学化学，1998,13(2):30-35.石墨烯何以结缘诺贝尔奖[J]计算机世界2010:41WangY,LiYM,TangLH,LuJ,LiJH.E1ectrochem.Commun.2009,11(4):889-892.TangLH,FengHB,ChengJS,LiJH.Chem.Commun.2010,46(32):5882-5884.YangWR,RatinacKR,RingerSP,ThordarsonP,GoodingJJ.BraetF.Angew.Chem.Int.Ed.2010,49(12):2114-2138.ChenD,Tang