1、毕业论文 开题报告 化学工程与工艺 壳聚糖 /石墨烯固化酶的过氧化氢传感器的研究 一、选题的背景、意义 过氧化氢是许多酶催化的底物，而过氧化氢在电极上氧化时需较高的电位，使得生物样品分析时受到大量的易氧化物质的干扰，所以提高过氧化氢测定的灵敏度，对于酶传感器的灵敏度有重要影响。 本次论文的主要目标是本次论文的主要目标是采用壳聚糖 /石墨烯固化过氧化氢酶的修饰电极来研究过氧化氢的电化学行为，并研究影响修饰电极伏安行为的因素，建立一种新型的分析方法，同时研究影响测定的干扰因素，并将此法用于酶传感器的测定。 石墨烯是 2004 年发现的一种新型的碳单质结构，因其具有诸多奇特的物理化学性质而广泛用于材
2、料、物理、化学等领域。研究表明，由于石墨烯具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积，用作电极材料时，可以加速物质的电子交换，尤其对过电位的大大降低及对部分氧化还原蛋白质的直接电子转移现象，这预示着在石墨烯制备化学修饰电极方面具有很大的应用前景。随着石墨烯制备纯化技术的发展和研究的深入，人们对石墨烯的性质将会有更深刻的认识，从而拓宽石墨烯复合材料在电化学和分析化学领域的应用。蛋白质和酶等生物大分子的直接电化学将一直是石墨烯复合材料电 极的研究热点与难点，这对于了解蛋白质的结构功能等具有重要意义。 石墨烯纳米薄片是一种只有一层或几层原子厚度的纯碳原子结构，其 C-C 键以 sp2 结合，形成一个
3、密集的蜂窝状晶格结构。由于它具有独特的二维碳纳米结构以及优异的物理属性，使得其在物理学、材料科学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。同时由于它们具有无毒、化学和热学性能优异、导电率大、机械强度大的特性，使得以石墨烯为基础的材料有着广泛的工业应用范围。 1 壳聚糖结构上活泼的 -NH2 和 -OH，对某些具有电化学活性的金属离子、阴离子及有机物等有很强的螯合 、吸附作用，因此，壳聚糖可以直接作为修饰材料，制成壳聚糖修饰电极应用于电分析化学测定。壳聚糖是一种具有良好生物相容性的线型聚合物，分子中的 -NH2对各种蛋白质的亲合力非常高，而且，壳聚糖具有多孔结构，能适用于大生物分子酶的固定化，有
4、良好的导电性。采用壳聚糖制成的多孔膜和多孔微颗粒可作为酶、抗原、抗体等生物活性物质的固定化载体。壳聚糖膜因其具有比表面积大、负载酶量多等特点，已被用作葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、脲酶、脂肪酶等的固定化载体，制成反应器或酶电极。壳聚糖与其它固定酶载体比较，其原料易得，价格低廉，机械性 能好，韧性强，能在温和的条件下固定酶，固定酶的效率高，反应活性高，这种固定酶可以长期保存，反复使用。固定化酶较游离酶的突出优点是：可以重复使用且易从被作用物中分离出来，大多数聚合物中的残存单体易使酶失活，而壳聚糖不存在残存单体，故它作为酶载体时比许多聚合物具有更大的优越性。 2 二、相关研究的最新成果及动态 高风仙
5、3等人用循环伏安法将电子媒介体硫堇电聚合在铂电极上，使其表面形成均匀的带负电的聚合膜层，通过静电吸附作用固定表面带正电荷的辣根过氧化物酶，接着吸附纳米金，然后再利用纳米金吸附固定一层辣根过 氧化物酶，制成了新型过氧化氢生物传感器。实验发现，该传感器增加了酶的吸附量，响应快、灵敏度高、稳定性好，对 H2O2表现出良好的响应特性。检测范围为 5.210-7 2.010-3mol L，检出限为 1.7 10-7moI L，并具有抗尿酸、抗坏血酸等干扰的特点。 许惠凤 4等人 实验发现，石墨烯壳聚糖复合膜内 Hb电催化还原过氧化氢的行为。当溶液中加入 H202后，还原峰急剧变大，氧化峰逐渐变小，是典型
6、的电催化 H202还原的现象。进一步用安培法研究了 Hb修饰石墨烯壳聚糖复合膜电极对 H202的响应。在 -0.3V下，在 6.5 10-6 2.3 10-3mol L浓度范围内，响应电流和过氧化氢浓度间存在着一定线性关系，检测限为 8.4 10-7mol L。结果表明石墨烯壳聚糖复合膜利于 Hb实现直接电子传递，这说明了该复合膜具有良好的生物兼容性和快速的电子传递速率和优良的电子传递路径。该实验预示着石墨烯在生物传感平台的构建方面有着良好的应用前景。 张晓蕾 5等人利用壳聚糖（ Chitosan）的成膜性能以及碳纳米管在其中良好的分散性，在玻碳电极表面首先形成碳纳米管 /壳聚糖膜，通过膜表面
7、丰富的氨基与纳米金的强静电 吸附，在玻碳电极表面获得稳定的纳米 Au修饰层，吸附固定辣根过氧化物酶 (HRP)，制得无需电子媒介的 H2O2生物传感器。循环伏安曲线显示，当加入 H2O2溶液后，阴极峰电流增大，而阳极电流相应减少，表明通过碳纳米管 /壳聚糖 /纳米金活性界面固定在玻碳电极表面的HRP与电极之间有良好的直接电子传导能力，对 H2O2的还原具有良好的电催化活性， H2O2的测定线性范围为 5.210-5 2.010-3mol L。检测下限为 5.010-5mol L，工作三周后，传感器仍能保持 76.0%的初始响应电流值。 罗晓虹 6等 人用壳聚糖对多壁碳纳米管进行修饰 ， 构建了
8、一种用于固定血红蛋白的新型复合材料 ， 并研究了血红蛋白在该碳纳米管上的电化学性质及其对过氧化氢的电催化活性。扫描电镜结果表明 ， 壳聚糖修饰的多壁碳纳米管呈单一的纳米管状 ， 并能均匀分散在玻碳电极表面。紫外光谱分析表明血红蛋白在该复合膜内能很好地保持其原有的二级结构。将该材料固定在玻碳电极上后 ， 血红蛋白能成功地实现其直接电化学。根据峰电位差随着扫描的变化 ， 计算得到血红蛋白在壳聚糖修饰的碳纳米管膜上的电荷转移系数为 0157， 表观电子转移速率常数为 7.02 s-1。同时 ， 该电极对 过氧化氢显示出良好的催化性能 ， 电流响应信号与 H2O2浓度在 1.0 10-6 1.5 10
9、-3 mol/L间呈线性关系 ， 检出限为 5.0 10-7 mol/L，修饰电极显示了良好的稳定性。 欧朝凤 7等人 制备了以硫堇（ TH）、纳米金（ Nano-Au）及多壁碳纳米管（ MWNT）修饰的 H2O2生物传感器。探讨了工作电位、温度、 pH对电极响应的影响，考察了电极的重现性、抗干扰能力及使用寿命。该传感器具有线性范围宽、检出限低、灵敏度高、稳定性好和抗干扰能力强等特点。其线性范围为 7.010-7 4.010-3mol L;检出限为 2 310-7mol L；灵敏度为 0.13A/(mol L-1cm2)；达到稳定电流所用时间 9s.米氏常数为 0.62mmol L，表明所固定
10、的酶具有较高的生物活性。 S.R.C.Vivekchand8等人用 3种方法制备了 EC电极材料石墨烯。方法：热剥离碳氧化物，石墨 ( 15 m)与浓 HNO3、浓 H2SO4及 KCl在室温下反应 5d ，再在长石英试管中、 1050下热剥离石墨氧化物制得；方法：在氦气气氛中将纳米钻加热到 1650制得；方法：利用樟脑在镍纳米颗粒上分解，樟脑在第 1个 炉子中缓慢升华至温度为 770、有微米级镍颗粒的第2个炉子中制得。 D.S.Meryl9等将石墨烯氧化物片悬浮在水中，再用水合肼还原，合成了化学调整石墨烯(CMG)。 CMG由一个原子厚的碳片组成 ,根据需要进行官能化。以 CMG为电极材料制
11、备的 EC，在 5.5mol/ L KOH和有机电解液中的比电容分别为 135 F/ g和 99 F/ g，由于电极材料的高导电性 ,EC在很宽的伏安扫描速率内具有很好的性能。 CMG具有很好的导电性和很大的表面积，用于 EC的潜力很大 ,且与一般电解液系统匹配。 杨常玲 10等人以石 墨为原料，采用改进的 Hummers方法 11制备氧化石墨，在水中经超声分散得到氧化石墨烯水溶胶，经硼氢化钠还原得到石墨烯聚集物。采用描电镜、原子力显微镜、激光粒度分析仪、 BET氮气吸附仪对样品的形态、粒度分布和比表面积进行了表征。采用恒流充放电和循环伏安法研究了样品的充放电性能。结果表明，氧化石墨在水溶液中
12、可以剥离成单片层结构，石墨烯聚集物比表面积为 358m2/g，在 10mA恒流下充放电，比电容为 138.6 F/g，充放电容量效率为 98。以 550mV/s扫描速率进行循环伏安测试，石墨烯电极表现出良好的 双电层电容器性能。 沈丽 12等人采用石墨烯修饰电极测定沙丁胺醇和特布他林两种 2-受体激动剂。结果表明电极表面修饰的石墨烯对沙丁胺醇及特布他林与电极表面的电子转移起了很大的促进作用。可能原因是石墨烯表面存在大量类似于断层的缺陷位点，提供了较多的反应活性位点，加快了沙丁胺醇及特布他林与电极表面的电子传递速率。另外，石墨烯修饰电极具有很强的抗污染能力，也有利于沙丁胺醇及特布他林的氧化。研究
13、发现沙丁胺醇的浓度与其在石墨烯修饰电极上的氧化峰电流在 5.0 10-6 9.0 10-5mol/L之间存在良好的线性关系 ， 而特布他林的浓度与电流在 8.0 l0-6 1.0 10-4mol/L范围内呈线性关系。二者的检出限均为 l 10-7 mol/L(信噪比为 3)。由于石墨烯修饰电极制备方法简单，对沙丁胺醇和特步他林表现出良好的电化学响应，因此可望用于沙丁胺醇及特布他林片剂或含有以上 2-受体激动剂的生物样品、饲料等其他样品的检测。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 1、课题的研究内容 研 究 壳聚糖 /石墨烯固化过氧化氢酶的修饰电极 的制备方法
14、， 通过选择 对比及 优化各项参数， 来考察对 过氧化氢 催 化性能， 并研究其灵敏度、抗干扰能力、稳定性和重现性。 建立了 一种新型过氧化氢传感器。 2、拟采取的研究方法、技术路线及研究难点： 2.1 壳聚糖 /石墨烯 修饰电极 的制备； 2.2 研究 过氧化物酶在电极表面的固定方法； 2.3 研究 过氧化物在电极表面的响应性能； 2.4 建立一种 新型过氧化氢生物传感器 。 研究难点： 修饰电极的制备与性能研究。 四、论文详细工作进度和安排 1、 2011 年 3 月 1 日 2011 年 3 月 15 日：完成资料的检索和整理及汇总。 2、 2011 年 3 月 19 日 2011 年
15、3 月 23 日：完成 开题报告及答辩工作。 3、 2011 年 3 月 26 日 2011 年 5 月 20 日：基本完成论文所需的实验工作。 4、 2011 年 5 月 21 日 2011 年 5 月 30 日：完成论文的写作以及答辩工作。 五、主要参考文献 1王耀玲，罗雨，陈立宝，李秋红，王太宏 .石墨烯材料的研究进展 .J材料导报 .2010,24(15):85-88. 2谢慧英，壳聚糖复合材料的制备及其在生物传感器中的应用，南昌大学， 2007， 9-11. 3高风仙 ,袁若等 .基于聚硫堇和纳米金共修饰的过氧化氢生物传感器的研究 ,J分析测试学报 2007,26（ 1）： 81-8
16、4 4许惠凤 ,戴宏陈 ,艳玲林 .血红蛋白在壳聚糖 /石墨烯修饰膜上的直接电化学研究 .分析化学 .2009,增刊 E.124 5张晓蕾 ,吴朝阳等 .基于碳纳米管 /壳聚糖 /纳米金活性界面的辣根过氧化物传感器研制 .J化学传感器 .2006， 26（ 3） :12-17 6罗晓虹 ,妮娜等 .血红蛋白在壳聚糖修饰碳纳米管上的电化学特性及对过氧化氢的电催化分析 .J分析测试学报 .2009， 28（ 7） :809-813 7欧朝凤 ,袁若等 .基于硫堇 /碳纳米管修饰金电极的过氧化氢生物传感器 .J分析 化学 .2007,35 (7):1011-1014. 8Vivekchand S R
17、 C , Chandra S R , Subrahmanyam K S , et al. Graphene-based electrochemical supercapacitorsJ. J Chem Sci ,2008 ,120 (1) :9 13. 9Meryl D S ,Park S J ,Zhu Y W, et al. Graphene-based ultracapacitorsJ. Nano Lett, 2008 ,8 (10) :3498 3502. 10杨常玲 ,刘云芸 ,孙彦平 . 石墨烯的制备及其电化学性能 .J.电源技术研究与设计 .2010.134（ 2 ） :177-180. 11Stankovich S, Piner R D, Nguyen S T, et al. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets J. Carbon, 2006, 44(15): 3342-3347. 12沈丽 ,刘艳 .石墨烯修饰电极测定 2-受体激动剂 . J分析化学 .2009,37 增刊 E029
