新型石墨烯复合材料的制备及其在直接电化学生物传感器中的应用研究

直接电化学生物传感器灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、易于微型化和自动化，在临床诊断、工业控制、食品药物分析、环保及生物技术等领域有着广泛的应用前景。但大多数蛋白的活性位深埋在肽链内部，使氧化还原蛋白与电极间的直接电子传递很难实现，迄今为止只有少数蛋白能在裸电极上表现出电化学活性。本课题拟从制备满足有效固定蛋白需要的大比表面积、优异的生物相容性，实现直接电子转移的小尺寸和高的导电性材料出发，合成石墨烯/聚吡咯、石墨烯/TiO2复合物。利用聚吡咯、TiO2优异的生物相容性和石墨烯高的导电性来固定蛋白，实现其直接电化学反应。通过实验，探讨原料选择、制备方法、复合比例等参数对产物的微结构、形貌特征、表面状态与电化学性能的影响，总结规律，优选出可控合成理想的电极修饰材料的方法，高效固定蛋白的技术。深入认识直接电子转移的机理，为制备高选择性、高灵敏度和长工作寿命的直接电化学生物传感器提供技术支持。

直接电化学生物传感器是目前研究热点之一。由于它具有灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强等特点，在众多领域有着广泛的应用前景。但大多数蛋白的氧化还原中心深埋在肽链的内部，很难在裸电极上实现直接电子传递。.本项目合成了几种比表面积大、导电性高、生物相容性和亲水性好的介孔金属氧化物；实现了高品质石墨烯的有效合成、改性和功能化；探索了石墨烯/导电聚合物、石墨烯/二氧化钛复合；石墨烯/钠钒氟代磷酸盐三明治结构的复合物；将合成的各种材料用于生物电化学传感器，研究了修饰电极材料的组成、粒径大小，微观结构，形貌特征等与电化学性能之间的关系。研究结果表明，优异的修饰电极材料不但要具有良好的生物相容性，大的比表面积，合适的孔分布范围，较小的微观尺寸，还要具有优异的导电性和较小的接触电阻。在我们合成的诸多材料中，石墨烯/壳聚糖/二氧化钛复合材料最适宜作为直接电化学型生物传感器的电极修饰材料, 所制得的传感器对葡萄糖表现出了很好的生物催化性能，其线性范围为0.1-1.5 mM，灵敏度和检测限分别为20.40 μA mM-1 cm-2和53.87 μM。修饰电极的米氏常数为3.63，表明了传感器的酶蛋白和底物亲和力很好，RGO/CS/TiO2复合材料有助于保持酶蛋白的生物活性，减小传质阻力，促进了催化反应的顺利进行。部分合成的材料如石墨烯/钠钒氟代磷酸盐虽然不适合做直接电化学生物传感修饰电极材料，但在电化学储能领域具有很好的应用价值。不足之处在于我们原拟合成石墨烯与聚吡咯复合材料用于修饰生物电化学传感器测试电极，但是实际研究过程中，我们发现聚吡咯虽然具有较好的亲水性和生物相容性，但是固定在导电聚合物材料表面的蛋白酶依然很难实现直接电子转移，虽然我们进行了大量的实验，但是仍然没有得到很好的结果。这可能是由于我们在合成导电聚合物/石墨烯复合物过程中，仍然没有能够很好地控制微粒尺寸，较大的导电聚合物很难接触到蛋白酶的催化活性中心，我们将在今后的科研中继续努力。.在本项目执行过程中，我们已经发表了17篇论文，其中SCI收录14篇，仍有文章在修改和投递中。此外撰写了一部专著中的一个章节，申请发明专利3项，2011年度获新疆维吾尔自治区优秀自然科学论文二等奖1次，参加学术会议3次，指导了6名本科生的毕业论文，帮助2名少数名族教师提高了科研能力，其中一人已经获得了国家自然基金青年项目。