1、毕业论文 文献综述 化学工程与工艺 丝裂霉素在壳聚糖 -石墨烯修饰电极中的电化学行为 1 引 言 丝裂霉素为广谱类抗癌药， 可以和 DNA 分子结合抑制核酸的合成，具有广泛高效的抗癌性，应用较为广泛。对乳腺癌、急性白血病、恶性淋巴瘤、消化道癌及其它实体瘤有效。因此，研究它的检测方法和反应机理都具有重要意义。本次论文的主要目标是采用壳聚糖 -石墨烯修饰电极测定丝裂霉素的电化学研究，考察丝裂霉素在电极表面的电化学行为。并通过这个化学行为来研究检测丝裂霉素的含量，建立一种新型的分析方法，同时研究影响测定的干扰因素，并将此 法用于实际样品的测定。 石墨烯晶体具有确定的原子和电子结构 ， 对石墨烯进行改
2、性可以有效调变其结构和性能 ， 实现更为丰富的功能和应用 。 与富勒烯和碳纳米管相似 ， 石墨烯可以进行化学修饰、化学掺杂、表面官能化、生成衍生物等改性方式 。 例如 ， 石墨烯经氧化后生成石墨烯氧化物(grapheme oxide， GO)， 与氢原子键合形成石墨烷 (graphane)， 在石墨烯晶格中引入氮原子后变成氮掺杂石墨烯或氮化碳 (carbon nitride)。 这些石墨烯的衍生物表现出与石墨烯迥异的结构和性质 ， 在微电子、复合材料、催化、储氢等领域 有着重要的应用 1。 在 2006-2008年间，石墨烯已被制成弹道输运晶体管 (Ballistic transistor)和
3、平面场效应管 (Field effect transistors)，并且吸引了大批科学家的兴趣。针对石墨烯晶体管的开关比较差的缺点， AMICA和曼切斯特大学的研究人员利用石墨烯的可逆化学修饰，使得石墨烯场效应晶体管的开关效应大于106，这种可逆的转换可能被用于非易失性存储 2；石墨烯高的导电性和透光性可使其用于透明电极、触摸屏、液晶显示、有机光伏电池以及 LED3,4；由于具有非常巨 大的比表面积，石墨烯另外的潜在用途就是超级电容器的导电板 5。 纳米金即指金的微小颗粒，其直径在 1 100nm，具有高电子密度、介电特性和催化作用，能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性。由氯金酸通过还原
4、法可以方便地制备各种不同粒径的纳米金，其颜色依直径大小而呈红色至紫色。作为现代四大标记技术之一的纳米金标记技术 (nanogold labelling techique)，实质上是蛋白质等高分子被吸附到纳米金颗粒表面的包被过程。吸附机理可能是纳米金颗粒表面负电荷，与蛋白质的正电荷基团因静电吸附而形成牢固 结合，而且吸附后不会使生物分子变性，由于金颗粒具有高电子密度的特性，在金标蛋白结合处，在显微镜下可见黑褐色颗粒，当这些标记物在相应的配体处大量聚集时，肉眼可见红色或粉红色斑点，因而用于定性或半定量的快速免疫检测方法中。由于球形的纳米金粒子对蛋白质有很强的吸附功能，可以与葡萄球菌 A蛋白、免疫球
5、蛋白、毒素、糖蛋白、酶、抗生素、激素、牛血清白蛋白等非共价结合，因而在基础研究和实验中成为非常有用的工具。 利用壳聚糖与纳米金良好的生物相容性及蛋白固定能力 ， 制备了兼具导电性和透光性的人免疫球蛋白 G(IgG)修饰膜 ， 用于 修饰玻碳电极 ， 研制了新型电化学发光免疫传感器 ， 并通过扫描电镜 (SEM)及交流阻抗技术 (EIS)考查了传感器表面性质。将该电化学发光传感器应用于人血中 IgG的检测 ， 结果令人满意 6。 2 石墨烯的应用 Zhang Qian7等人研究一种新型的电化学设计平台结合具有生物相容性的单链DNA(ss-DNA)和石墨烯优良的导电性 (GP)，这个纳米复合物 (
6、用 ss-DNAGP修饰 )是第一次被用作电极材料和用来固定和生物传感器氧化还原反应所需的酶，对静电极相互作用的基础上，辣根过氧化物酶 (HRP)自组装用 ss-DNA/GP修饰在玻碳电极 (GC)去形成一个HRP/ss-DNA/GP/GC电极，紫外 /可见光谱和红外光谱被用来检测这个自组装过程和表明固定HRP， ss-DNA/GP来保留其天然结构良好， HRP具有一对稳定而良好的氧化还原峰，有正式潜在的 0.26V(vs. Ag/AgCl)，在 PH为 7的磷酸缓冲溶液中得到在 HRP/ss-DNA/GP/GC表面，这表明直接电子转移在固定的 HRP上和电极上，此外，该修饰电极对过氧化氢具有
7、良好的电催化现象和高的敏感性，宽的线性范围，和好的稳定性，因此， ss-DNA/GP纳米复合物提 供了氧化酶新型高效的平台，直接电化学有一个很好的应用，在合成第三代电化学传感器。 Wu8等人在葡萄糖氧化酶和石墨烯的直接电化学做了一定研究，这个伏安结果显示葡萄糖氧化酶组装在石墨烯上面，保留了它的自然结构和生物活性，呈现出一个表面修饰过程，经历有效直接电子转移反应常数 (ks)2.68s-1，这个工作是开拓一个建立在氧化(GOx-graphene/GC)电极的电催化还原上的新颖的测试葡萄糖的方法。自组装的葡萄糖氧化酶能够电催化还原溶解氧，随着葡萄糖的加入，还原峰下降，可以用来检测高灵敏度(ca.1
8、103AmM1cm2)， 宽的线范围 (0.110mM)， 低的检测限 (102M)。这个方法可以有效排除由于低检测限带来的普通共存电行为的干扰 (-470mV,SCE)。所以这个研究不仅成功完成葡萄糖氧化膜自组装在石墨烯上的 DET反应，而且评价了一个新颖的检测葡萄糖的方法，还提供了一个合成石墨烯为基础的 自组装酶 /蛋白质在石墨烯表面的生物传感器的平台。 Hu9等人 则在纳米金 (AuNPs)-石墨烯纳米复合物 (Augrapheme复合物 )的制备是用电化学的方法将纳米金放置在石墨烯片的表面，然后用电子显微镜 (SEM)， 能量分散光谱仪(EDS)， X射线能量衍射电镜 (XRD)和电化
9、学方法来表征。纳米金的形态和大小可以通过调节电极沉积时间和前体浓度 (AuCl4)来控制。纳米复合物对葡萄糖氧化物的氧化还原的电催化行为通过循环伏安来观察。结果表明纳米复合物有高的电催化活性比单纯的纳米金或石墨烯，这个研究提供了一种合成石墨烯为基础的金属纳米复合物的方法，这个或许可以进一步用于以后的燃料电池和生物电化学。 Tessy Theres Baby10等人将 葡萄糖生物传感器合成出来后 ， 是通过铂 -金 (PtAu)和纳米金 (Au)修饰在石墨烯纳米片上。功能性石墨烯片 (f-G)也被成功制备，通过氧化石墨的剥落，它已经修饰 (PtAu)/Au纳米金属用一个简单的化学方法，葡萄糖氧化
10、物 (GOD)的固定通过Nafion溶解纳米金属分散在石墨烯 f-G-(PtAu)和 f-G-(Au)电机上已经完成通过物理吸收， 这个合成的生物电极保留它的生物催化活性，还能提供快的和敏感的葡萄糖定量。这个生物传感器的性能已经用电化学方法：在最适宜的磷酸盐缓冲溶液下电压为 +0.8VpH为 7.0下得到，合成 f-G-(Au)葡萄糖生物传感器展示出最好的传感效果，线响 应最高到 30mM，最优秀的检测限为 1M，消除 f-G的重新排列用 (PtAu)和 (Au)纳米导致表面积和葡萄糖传感现象。 Chen11等人将 葡萄糖氧化酶 (GOD)填入到 Graphene/Nafion膜内用来修饰玻碳
11、电极(GCE)，用来测葡萄糖的 ECL的传感器。 0.2mg石墨烯加到 1mL0.5wt% Nafion溶液，然后超声几秒钟，准备 Graphene/Nafion修饰溶液，加 0.2 mg葡萄糖氧化酶到 1mL石墨烯 /Nafion修饰溶液，石墨烯 /Nafion/葡萄糖氧化酶这个修饰溶液制备好。葡萄糖氧化酶 当它被固定在复合膜内，但是还是保留它原来的生物活性，这个传感器给予一个葡萄糖线响应范围为 2.0 10-6到 1.0 10-4mol/L,检测限为 1.0 10-6 mol/L。这个传感器显示出好的稳定性， RSD连续扫描浓度为 5.0 10-5 mol/L为 4.21%(n=5)。当被
12、保存在浓度为 0.05mol/LpH为 7.4的 48度 PBS溶液中持续 二 星期，这个葡萄糖传感器有条件成为诊断疾病的应用。 Behzad Haghighia12等人所作的工作为了表明 水溶性普鲁士蓝纳米颗粒可以用浸的方法很容易地吸附在石墨电 极表面，他们建议这个过程的重要原因是它作为传感器制备，简单容易操作，快速，重复性好，花费少，这个是必要的要求在设计商业用的传感器的时候。 产生的传感器的电化学行为用循环伏安法和记时电流法来表征的，该传感器对与过氧化氢具有良好的的电催化活性，它已经成功用于对过氧化氢的安培检测，过氧化氢的测定标准曲线 是从2.110-6到 1.410-4Mmol.L-1
13、， 检测限是 (S/N = 3) of 1.010-6mol.L-1这个修饰电极显示出良好的电化学可逆性和高电子传输数率常数，该传感器具有良好的电催化活性和良好的灵 敏度和稳定性。在生物传感器有很大的应用。 E. Jin13等人则在这项工作中，利用石墨烯 /普鲁士蓝 (PB)复合纳米片在水溶液中有很好的分散性，而且已经被三价铁和氯的混合物和有铁氰化钾在石墨烯表面存在的情况下合成，透射电子显微镜 (TEM)显示被合成的在石墨烯表面的 PB纳米复合物的平均大小为 20nm,傅里叶变换红外光谱 (FTIR)和 X射线衍射仪 (XRD)用于表征我们得到的 (PB)的化学成分。 PB复合纳米片在检测时显
14、示出很好的电催化行为，和可能在应用范围在 -0.05 V， 传感器显示出线性关系当 H2O2浓度在 0.02-0.2Mm,有敏感性 196.6AmM-1cm-2。 检测限时 1.9微米在单噪音比为3， 此外， 石墨烯 /普鲁士蓝修饰电极可以抑制其他电活性物质的干扰。 Zhou14将石墨烯成功制备出来通过引入亚硫酸根离子，透射电子显微镜， EDS和拉曼光谱可以用来表征氧化石墨和石墨烯的结构和成分，为了构建过氧化氢生物传感器，石墨烯和辣根过氧化物酶 (HRP)被固定在有生物相容性的聚壳聚糖上，然后这些生物复合物被修饰在玻碳电极 (GCE)上，在把纳米金修饰在表面，形成一个 Au/graphene/
15、HRP/CS/GCE，循环伏安 法来指导 HRP的电子转移， 生物传感器在对过氧化氢的电催化还原上有一个很优秀的表现，这个生物传感器显示出很高的敏感性和对加入的过氧化氢有个很好的响应值， 在 pH为7.5的时候，潜在电压是 0.3V，到达稳定的时间少 于 3秒，过氧化氢的线性范围在到 510-6M到 5.1310-3M，检测限是 1.710-6M (S/N=3)，这个生物传感器有好的长期的稳定性。 这个自组装 15的十二烷基苯磺酸钠 (SDBS)功能性石墨烯片 (GSs)和辣根过氧化物酶(HRP)被经典吸引到一种水溶液中的新颖的纳米结构已经被报道过了， 数据来自扫描电子显微镜，高分辨透视显微镜
16、， X-射线衍射仪，他们表明 HRPGSs生物纳米复合物可以命令各种纳米结构很好的插在 HRP和 GSs之间，紫外和红外光谱表明 HRP在自组装后它的自然结构是稳定的，暗示了 SDBS功能 GSs有好的生物相容性，然而，这个 HRPGSs复合物可以用来合成酶电极 (HRPGSs电极 )，电化学方法揭示了 HRPGSs电极显示出对 H2O2高的电催化活性和高的敏感性，宽的线的范围，低的检测限，快的安培响应，这些有用的电化学现象对于优秀的生物协调性和 GSs的卓越的电子转移与 HRP的进入 和协调 HRPGSs对过氧化氢的生物相容性是有促进作用的。因为石墨烯容易的以非共价键功能化的设计芳香化合物用
17、不同的静电功能，建议自组装方法可以提供一个便利有效的平台用来自组装各种生物分子到不同的纳米复合物中，来成为生物传感器和生物催化应。 Gong16他们给我们展示一个新的高敏感性和选择性的 Hg(II)传感器用一个以石墨烯为基础的纳米复合物作为传感平台。这个平台是用单分散均匀的纳米金 (AuNPs)到二维 (2D)石墨烯纳米上来构建起来的。它的表面结构和电化学性能进行了系统的研究，这个纳米结构复合物的膜可以 结合纳米金和石墨烯片的有点，极大的促进了电子转移过程和 Hg(II)检测的传感行为，导致一个明显提高敏感性和选择性，被发现检测限低到 6ppt(S/N=3)， 比世界健康组织 (WHO)的指导
18、线值还要低，像别的干扰的重金属离子 Cu2+,Cr3+,Co2+,Fe3+,Zn2+和 I可以有效的抑制，新的传感器用直接检测水里的 Hg(II)来评估，暗示着可以有希望用于环境监测应用。 Wang17他们在 这个文章描述了还原石墨烯片 (RGSs)对电催化碱性溶液中的肼的氧化的电化学性能， RGSs已经产生一个高收率通过石墨氧化物 的软化学合成，超声剥离，化学还原，RGSs已经被观察认为电催化材料在肼的氧化反应，相比只有 GC电极， RGSs/GC电极显示出对肼的氧化的高的电催化活性，显示出一个重要的低过电位和一个高的峰电流，确定动力学参数可以用各种各样的电化学方法，一个对于的在 RGSs/
19、GC电极对于肼的电催化氧化的机理已经提出，本研究提出在直接肼燃料电池让 RGSs作为阳极材料成为可能，成为一个潜在的测试肼的电化学传感器。 Guo18利用一个新的离子液体 (IL)-石墨烯复合物被用 IL合一个三维的石墨烯材料，它有巨大的表面积被用于三硝基 甲苯的检测，显示出低背景电流，高敏感性 1.65Acm2每 ppb，低检测限 0.5ppb， 具有 好的可重复性，这个是好于 ILCNT（碳纳米管） 和 ILgraphite（石墨）复合物，制备 ILgraphene复合物可以扩展以离子液体为基础电化学传感器的视野。 Wu19等人将壳聚糖分散在石墨烯纳米片是用一个化学的方法：还原氧化石墨，在
20、分散在满是水的体系内，然后形成一个稳定的黑的水溶液来制备的。这个原先制备好的石墨纳米片被成功的固定在玻碳电极上来构建一个石墨修饰电极，细胞色素 C被紧紧的吸附在修饰电极的表面， 细胞色素 C的直接电子转移被完成，在电极表面的细胞色素 C保留它的生物活性，显示出类似酶的活性 还原硝酸氧化物，显示出一个潜在的应用 合成一种新颖的生物传感器去辨别硝酸氧化物，这个研究将石墨烯材料在生物传感器中的应用。 3 展望 纳米技术和生命科学是 21 世纪最前沿的两大学科，纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了无穷的想象空间。由于石墨烯和金属纳米颗粒有着优异的电化学和物理性能，有着极高的比表面，而甲壳素又具有促进
21、电子传递、高离子导电性和良好的生物相容性等特点，因此三者形成的复合物有利于提高生物分子的吸附能力， 并能提高电化学反应的速度，因此被广泛用于生物传感器表面吸附层的制作。 参考文献 1 傅强 ,包信和 .石墨烯的化学研究进展 J.科学通报 ,2009,18 : 2657-2666 2EchtermeyerT.J,LemM.C,BausM.S,et al.Nonvolatile switching in graphene field-effect devices -J.IEEE Electron Dev Lett,2008,29 : 952-954 3 X Wang,L Zhi， Mtillen
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