环糊精/碳纳米管@石墨烯纳米带复合物电化学传感体系的构建及其在芳香胺类化合物检测中的应用研究

The abundant use of aromatic amines has posed a serious threat to the environment and human health, thus it is of great significance to assess proper means for the rapid and accurate detection of aromatic amines. Motivated by the severe situation above, in this project, a novel core-shell heterostructure of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) as the core and graphene nanoribbons (GNRs) as the shell (MWCNTs@GNRs) is produced from longitudinal partially unzipping of MWCNTs, and functionalized with cyclodextrin (CD) molecules to obtain a novel CD/MWCNTs@GNRs nanohybrids which contain the synergistic effects from GNRs, MWCNTs and CD. Finally, the obtained nanohybrids are applied in electrochemical sensor. Systemically study the effect of the nanohybrids structure, morphology on their electrical properties, and the synergistic effects mechanism from GNRs, MWCNTs and CD, and further investigate their practical applications in aromatic amines determination and sensing. Base on the CD/MWCNTs@GNRs nanohybrids, rapid and accurate aromatic amines analysis systems are developed. The implementation of this project is not only of significant value for developing the application of carbon nanotubes-graphene functional materials in aromatic amines determination, but also of scientific meaning in practical application.

芳香胺类化合物的大量使用已对生态环境和人类健康构成了巨大威胁，因此发展快速、准确地测定芳香胺类化合物的方法具有重大意义。本项目以材料制备为切入点，采用部分剥离多壁碳纳米管（MWCNTs）的方法，制备石墨烯纳米带（GNRs）包覆MWCNTs核壳结构复合物（MWCNTs@GNRs）；再将环糊精（CD）修饰到MWCNTs@GNRs表面，制备具有GNRs、MWCNTs和CD三者协同作用的新型三元纳米复合物（CD/MWCNTs@GNRs）；最后以所制备的三元纳米复合物为电化学敏感元件构建电化学传感体系，系统研究复合物组成、结构等因素对其电化学性能的影响，探讨GNRs、MWCNTs和CD三者之间的协同作用机制，筛选合适构-效关系的CD/MWCNTs@GNRs复合物，建立快速、准确和高灵敏的芳香胺类化合物电化学检测方法。本项目的实施对拓展碳基多元功能纳米复合材料的基础与应用研究具有重要的科学意义。

鉴于对芳香胺类污染物实现高灵敏检测的重要性和环糊精及碳基材料的优越性能，本项目通过部分/完全氧化剥离碳纳米管，再以环糊精及其衍生物进行功能化，获得了系列具有环糊精、氧化/还原石墨烯纳米带或碳纳米管多组分协同性能的新型纳米材料：氧化石墨烯纳米带@碳碳纳米管、还原石墨烯纳米带@碳纳米管、石墨烯纳米带、环糊精/还原石墨烯纳米带@碳纳米管和环糊精/石墨烯纳米带等，通过设计合理路线及优化制备工艺，使得获得的纳米材料具有优异的电化学传感能力，并具有各组分的协同性能。以获得的纳米材料为电化学敏感元件，构建了系列电化学传感器，实现了对1-萘胺、2-萘胺、氨基芘、氨基联苯等芳香胺类化合物的高灵敏检测，所获得的检测限和线性范围优于目前已有的许多相关检查方法，可为环境中相关污染物的实际低痕量分析提供新的技术手段。此外，通过将本项目进行拓展研究，发展了系列基于其它环糊精及碳基纳米材料的电化学传感新方法：制备了环糊精功能化金/空心碳球复合物，以该复合物为电极修饰材料实现了邻苯二酚和对苯二酚的高灵敏同时检测；将石墨烯与空心碳球结合，制备具有二者协同性能的纳米材料，实验证实该纳米材料可实现对四氯苯酚的高灵敏测定。经过三年研究，本项目发表相关SCI论文14篇，有4篇影响因子大于7.0，同时由于在该领域较为系统研究和取得的成果，受邀在TrAC Trends in Analytical Chemistry期刊发表综述论文1篇。通过本项目的研究，所发展的系列传感器及方法有望在环境等各领域的芳香胺类化合物及其它污染物高灵敏检测中得到广泛应用，具有较重要的潜在应用价值。