层状半导体纳米材料,指在三维空间中有一维处于纳米尺度,即纳米级厚度的层状半导体材料,如石墨烯(Graphene)、石墨相氮化碳(g-C3N4)、硫化钼(MoS2)、硫化钨(WS2)等。这些材料具有比表面积大,荧光活性好,稳定性高,生物兼容性好,环境友好等优点,被认为是化学与生物传感领域最有应用前景的材料之一。本论文开展了石墨烯量子点(Graphene quantum dots,GQDs)、石墨相氮化碳纳米片(g-C3N4NSs)、硫化钼纳米片(MoS2NSs)等新型层状半导体纳米材料的制备、性质研究及传感应用研究,分别构建用于检测H202、葡萄糖、叶酸、Cr2072-离子等多种化学与生物传感器。该研究发现了层状半导体纳米材料一些新的光电性质、为其应用于分析检测,发展高灵敏度、高选择性、低成本、环境友好的化学与生物传感器提供了新思路,并且拓展了层状半导体纳米材料的应用范围。论文内容可以大致分为以下六个章节:第一章:首先对本论文主要采用的分析传感技术——电致化学发光(ECL)的基本原理和研究进展分别进行介绍与评述;其次介绍层状半导体纳米材料的一些基本概念、基本性质,及其在传感领域的研究现状和发展前景;最后介绍本论文的研究目的,内容和意义。第二章:研究发现了腐殖质含有大量天然的石墨烯量子点,是一种绿色、低成本的大量获取石墨烯量子点的途径。考察了 4种腐殖质(HS),包括3种不同来源的腐殖酸(HA)和一种富里酸(FA)。结果显示,四种HS都含有大量的碳基纳米材料(CDs),主要为0.4 nm～2.0 nm厚的氧化石墨烯量子点。这些碳基纳米材料表现出许多独特的光电性质,包括紫外-可见吸收、荧光、电致化学发光等。该发现让我们对HS有了新的理解。同时这些天然GQDs所具有的独特的发光性质使HS在生物成像,生物医学和传感等领域有了潜在的应用。第三章:系统研究了石墨烯量子点与亚硫酸根组成的电致化学发光体系(GQDs/SO32-)的发光行为与特性和该电致化学发光体系与H2O2的相互作用及反应机理,并构了基于GQDs/SO32-的化学与生物传电致化学发光感器。研究表明GQDs比碳量子点具有更多的表面态而表现出更强的电致化学发光活性。研究还表明H202能通过与SO32-之间发生氧化还原反应而产生对GQDs/SO32-电致化学发光的淬灭作用。在此基础上,我们先后构建了 H202和葡萄糖的化学与生物传感器。第四章:用还原型氧化石墨烯(rGO)掺杂石墨相氮化碳纳米片(g-C3N4NSs)以解决g-C3N4 NSs单组分传感膜在阴极发光过程中被过度还原而产生电极钝化和信号不稳的问题,构建一种发光性能十分稳定的g-C3N4 NSs-rGO固态电致化学发光传感界面,并利用这个稳定的传感界面研究了 g-C3N4 NSs与叶酸(FA)分子之间的电致化学发光作用及反应机理。我们研究发现,FA能对g-C3N4 NSs/S2O82-共反应物电致化学发光产生选择性强烈淬灭作用,其机理为动态淬灭机理。由此构建了一种能超灵敏地检测FA含量的新型ECL传感器,线性范围为0.1 nmol/L～90 nmol/L,检测限为 62 pmol/L。第五章:研发了一种以g-C3N4纳米片为ECL内标,并以固定化鲁米诺为ECL响应信号的生物传感材料与方法。我们将负载有鲁米诺的g-C3N4纳米片用于修饰玻碳电极制作新型固态ECL传感膜。不仅可以利用g-C3N4材料的成膜能力将鲁米诺固定在电极上,还能够以g-C3N4的ECL强度为内标基准,通过内参比的方式排除电极钝化等因素造成的误差。运用该新型g-C3N4NSs-Luminol复合传感界面,我们构建了一种带有ECL内标的灵敏、可靠的新型H202传感器,其线性区间为0.05 μmol/L～50 μmol/L,检测限为23 nmol/L。我们进一步构建了一种可用于检测葡萄糖的生物传感器,传感线性区间为0.10μmol/L～200μmol/L,检测限为 20 nmol/L。第六章:开展了 MoS2纳米片(MoS2NSs)合成,光电性质及传感应用研究。采用锂离子插层法剥离MoS2粉末制备了 MoS2纳米片,并研究通过高速离心进行提纯。这种纳米片的厚度介于2nm～7nm之间,平面尺寸小于100 nm,电致化学发光活性很弱,但具有较好的荧光活性。MoS2的荧光能够被Cr2072-离子选择性抑制,基于这一荧光作用,我们构建了一种重金属离子Cr(Ⅵ)荧光检测方法,线性区间为 2 μmol/L～2000 μmol/L,检测限为 1.8 μmol/L。