功能化石墨烯-生物大分子LB膜的分子组装与电化学性质研究

Taking polyelectrolyte or metal nanoparticles as functional molecules, polyelectrolyte-functionalized graphene or polyelectrolyte-metal nanoparticles-functionalized graphene was prepared by the non-covalent functionalization method. Based on the special, the functionalized graphene was carried out to further improve biological stabilization effect and LB films character. And then functionalized graphene is used to immobilize biomacromolecules orderly and directly by a simple and convenient method. Through changing the functionalized reagents, filming way and filming conditions, we can get the modified interface of different microstructure's functionalized graphene immobilize biomacromolecules; then discuss under different micro-environment of functionalization graphene LB film, biomacromolecules electron transfer characteristics and change rule of activity. Finally, the electrochemical biosensor was used to build electrochemical analysis method on specific molecular, to clear its application prospects in the food safety, clinical testing, environment monitoring and other sides.

本项目拟以聚电解质、贵金属纳米粒子作为功能化试剂，采用非共价功能化方法制备聚电解质功能化石墨烯、贵金属纳米粒子-聚电解质功能化石墨烯；这样在提高石墨烯生物相容性的同时，使其LB膜成膜特性得到改善。再设计并建立一种简单、方便的方法将生物大分子有序地、直接嵌入功能化石墨烯复合LB膜中；这样就能将石墨烯独特的电化学性质和丰富的表面化学性能与LB膜技术的有序性、可控性完美的结合在一起，能充分发挥两者的协同作用，为其在电化学生物传感器方面的发展提供新的途径和思路。在此基础上，通过功能化试剂、成膜方式、成膜条件的改变，得到不同微观形态的功能化石墨烯固定生物大分子的修饰界面；探讨在功能化石墨烯LB膜的不同微观形态下，生物大分子电子转移特性及活性变化规律。同时，利用该电化学生物传感器建立对特定分子的电化学分析方法，明确其在食品安全、临床检测、环境监测等方面的应用前景。

石墨烯LB膜的制备能将石墨烯独特的电化学性质和丰富的表面化学性能与LB膜技术的有序性、可控性完美的结合在一起，能充分发挥两者的协同作用，为其在电化学生物传感器方面的发展提供新的途径和思路。本项目以高品质石墨烯为前驱，Nafion和壳聚糖(Cs)为功能化试剂，采用非共价功能化法制备功能化石墨烯；再设计并建立了一种简单、方便的方法将生物大分子(包括：葡萄糖氧化酶(GOD)、辣根过氧化酶(HRP)和牛血红蛋白(Hb))直接嵌入石墨烯复合LB膜中，构建了GOD/Nafion-石墨烯、HRP/Cs-石墨烯和Hb/Cs-石墨烯修饰电极。研究发现：生物大分子在复合材料LB膜中能够保持其原始构象与生物活性，循环伏安结果表现出一对良好的氧化还原峰，表明其直接电化学已经实现；然后，利用不同电化学方法对其电化学行为进行了研究，求解了相关电化学参数；并比较了生物大分子在石墨烯和碳纳米管两种不同复合LB膜中的电子传递特性以及对目标分子的电催化行为的差异。同时，基于DNA-石墨烯复合LB膜构建了3种电化学传感器，明确了电化学传感器对麦醇溶蛋白、纳他霉素和秋水仙碱等的分析检测特性。此外，根据研究工作中的实际情况，拓展研究了基于恒电位脉冲法构建石墨烯伏安传感及其应用，以及基于苯丙氨酸二肽-石墨烯复合膜的电化学生物传感等研究内容。整个研究内容按照项目计划书执行，效果令人满意。该项目的研究成果，将为石墨烯及其复合材料在电化学分析中的应用研究提供新的思路和依据。