磁/石墨烯复合纳米材料在葡萄糖生物传感器方面的应用

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目的:  近年来,石墨烯由于其独特的电子结构特征和物理化学性质,在电化学检测和电分析等方面具有独特的优势,然而单一组分的石墨烯由于石墨烯本身的团聚、层间堆叠和在溶剂中的分散性差等缺点无法满足电化学检测的所有要求,而磁性纳米粒子由于其较大的比表面积、低毒性、良好的生物相容性和独特的超顺磁性等特点,若能将石墨烯和磁纳米粒子结合起来,通过协同作用克服石墨烯易团聚的缺点,发挥出各自的优势,就可以为生物传感器领域开辟了广阔的前景。  本课题首先采用了本实验室最新改进的球磨技术制备了功能化石墨烯材料,然后通过共沉淀方式,制备了分散稳定、水溶性极好的磁/石墨烯复合纳米材料,最后通过共价键方式修饰了葡萄糖氧化酶,制备了葡萄糖生物传感器。  方法:  1、功能化石墨烯纳米片的制备  将石墨粉与壳聚糖以一定比例混合,放入到盛有玛瑙珠的密封玛瑙罐中,然后将玛瑙罐固定在球磨机上以一定速率研磨。球墨完成后将固体混合物用去离子水转移,采用超声、离心、透析等步骤去除杂质,最终得到纯净的石墨烯水溶液。  2、磁/石墨烯复合纳米材料的合成  一定量的球磨法制备的功能化石墨烯水溶液,与一定量的六水氯化铁(FeCl3·6H2O),四水氯化亚铁(FeCl2·4H2O)在超声作用下充分分散混合,通氮除氧,加热搅拌一定时间,然后往密闭容器中注入氢氧化钠(NaOH)溶液继续反应一定时间,最后通过磁铁分离提纯产物,最终得到磁/石墨烯复合纳米材料。  3、石墨烯及磁/石墨烯复合纳米材料的表征  采用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、探测材料的表面形貌,主要用拉曼光谱仪(Raman)、红外(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、磁滞曲线等对其结构和性能进行表征。  4、电极的制作及葡萄糖生物传感器的研制  裁剪出一定尺寸的ITO导电玻璃,在其表面镀铂,将复合纳米材料覆盖在ITO导电玻璃上,通过等离子体处理,活化浸泡后以共价键的方式修饰上葡萄糖氧化酶(GOx),制备成葡萄糖生物传感器。最后用循环伏安法(CV)测试其电化学性能,时间电流曲线(i-t)检测传感器对葡萄糖的响应能力。  结果:  1、利用固相球磨法工艺,将石墨粉与生物材料壳聚糖以一定比例混磨,成功制备了1-2纳米厚度的生物相容性良好的功能化新型石墨烯纳米片,所得材料具有很好的电化学催化活性。  2、以共沉淀的方式成功地在石墨烯纳米片上结合上了磁纳米粒子,制备的磁/石墨烯复合纳米材料具有稳定的分散性、极好的水溶性和优异的电化学性能。  3、采用共价键的方式在磁/石墨烯复合纳米材料上固定葡萄糖氧化酶,制备了高性能的新型葡萄糖纳米生物传感器,并且在葡萄糖一定浓度范围内表现出较高的稳定性和灵敏度,检测线性范围广,满足人眼视网膜病变中葡萄糖浓度的测定的要求。  结论:  本课题采用了一种新型的低成本、常温环保、简单易操作、危险性低并且可以用于大批量生产的制备功能化石墨烯的方法-球磨法,制备了水溶性、稳定性优异的功能化石墨烯片。并通过共沉淀方式引入磁纳米颗粒,得到了磁/石墨烯复合纳米材料。该复合纳米材料具有更多酶吸附的活性点,更大的比表面积,为提高酶的负载量提供了可能性。将该复合材料以共价键方式修饰上葡萄糖氧化酶,成功构建高性能的新型葡萄糖纳米生物传感器,所得传感器具有较好的响应能力和较高的灵敏度,可用于人体葡萄糖浓度的监测。
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