基于石墨烯-铁钴磁体CoFe2O4@SiO2-Au-HRP的电化学催化开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1前言

电化学生物传感器是将生物活性材料（敏感元件）与电化学换能器（即电化学电极）结合起来组成的生物传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时，电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势的变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。电化学生物传感器主要分为生物分子识别元件和信号转换元件两部分。生物分子识别元件由具有分子识别功能的生物敏感膜(如酶、微生物、组织、抗体抗原、核酸和细胞等)组成[1]，用于检测样品中是否含有待测物质。识别元件检测到的信号进一步由信号转换元件转换为可测量的电化学信号。

石墨烯具有高的机械强度、较大的比表面积、较高的导电性以及低廉的制备成本，使得石墨烯成为纳米粒子的潜在载体。而石墨烯及其复合材料在电化学传感器中的应用，也引起了人们研究的热潮。基于石墨烯及其复合材料的电化学传感器中应用具有以下优势：电化学电位窗口宽、比表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递速率快、生物相容性好以及能减少表面污染影响。

利用酶催化反应的高度专一性与电化学信号检测的高灵敏度相结合的生物传感技术在近些年得到了迅速发展。在酶促反应生物传感器的研制中，研究新型酶固定技术，以维持酶的高生物活性并延长传感器的使用寿命一直是热门研究课题。传统的酶固定方法主要包括共价键合和非共价法(包埋和吸附)，然而，这些固定技术在酶的稳定性、活性保持及传感器使用寿命等方面仍面临许多问题。纳米材料具有优异的化学和物理性能，有利于提高敏感分子的吸附能力，并能提高生化反应的速度，因此被广泛用于生物传感器表面吸附层的制作。纳米金(nano-Au)由于其独特的光学、电学及物理化学性质，能与某些生物组分强烈相互作用，并有效地维持其生物活性，在生物分析领域获得了广泛应用。

纳米铁氧体材料具有独特的性能[2~4],可用作磁记录材料、吸波材料、磁流体、磁致冷材料和生物医学材料等。但磁性纳米颗粒极易团聚,这使其独特性质的利用受到限制。将磁性纳米颗粒分散在某种基体中制成纳米铁氧体复合材料可有效地减少团聚,有助于颗粒的分散和稳定[5～7]。从而很好地用于传感器的研究。非晶硅的多孔结构为纳米颗粒提供了晶核位置,可使团聚最小化。近年来,磁性纳米颗粒分散在SiO2基体中构成的纳米复合材料由于呈现出许多重要的性质而备受关注[8,9]。

2石墨烯

2.1石墨烯的性质

石墨烯是由单层sp2杂化碳原子紧密堆积成的六方晶格结构[10,11],具有优异的导电性[12]、高的室温电荷迁移率[13]和机械强度[14],以及大的比表面积[15]。此外,石墨烯还具有优异的电化学性能,如:电化学窗口宽、电荷传递电阻小、电催化活性高和电子转移速率快等。因此,石墨烯是一种理想的新型电极修饰材料。

2.2石墨烯/纳米金复合物修饰玻碳电极

2.2.1氧化石墨烯的制备

首先由普通的氧化石墨粉末通过Hummers方法[16]合成。首先将1g氧化石墨粉末加入23mL98%H2SO4中，在室温下搅拌24h。然后，在之前的混合物中加入100mgNaNO3，搅拌30min。接着，利用冰浴法将混合物温度控制在5℃以下，将3gKMnO4缓慢加入到混合物中。之后，将混合物温度加热至3540℃，保持并搅拌30min。接着，在25min内缓慢加入总计26mL水。最后，140mL水和10mL30%H2O2加入至混合物中以停止反应。这样合成好的氧化石墨烯在0.067MpH9.18磷酸缓冲液(PBS)中超声3h以获得氧化石墨纳米薄膜备后续使用。

2.2.2修饰电极的制备

在进行电沉积修饰之前，玻碳电极需要依次在粒径为0.3μm和0.05μm的氧化铝粉末中剖光以除去电极表面的固体残留物，然后依次在水和无水乙醇中超声洗涤5分钟以除去残留的氧化铝粉末。完成玻碳电极的清理后，在CHI660C电化学工作站上采用三电极体系进行还原氧化石墨烯电沉积修饰。电沉积在磁力搅拌和氮气保护下的1.0mg/mL氧化石墨烯溶液中进行，电化学工作站工作模式为循环伏安模式，点位从-1.4V至0.5V循环。为了将金纳米粒子沉积到还原氧化石墨烯表面，我们使用在磁力搅拌下的0.25mM氯金酸溶液用恒电位模式在-0.3V处沉积250秒。这样就获得完成了在玻碳电极表面进行还原石墨烯/纳米金混合物的修饰。作为对比，还原氧化石墨烯和金纳米粒子在同样条件下被单独沉积到玻碳电极表面。

2.2.3修饰电极的表征

图1(a)金纳米粒子，(b)还原氧化石墨烯薄膜，(c)还原氧化石墨烯/金纳米复合薄膜的扫描电镜图；(d)以上三种电极在含有0.1MKCl的5.0mMK3Fe(CN)6溶液中的循环伏安曲线。扫描速率：50mVs-1.

从图(a)、(b)、(c)中比较可以发现有还原氧化石墨烯支持的金纳米粒子相比在没有还原氧化石墨烯时拥有更小的尺寸，分布更均匀且很少发生团聚。Fe(CN)63/4氧化还原探针可以灵敏表征基于碳材料的电极，因此被用来表针裸的和被修饰的玻碳电极[17]，表征曲线展示于图1(d)。金纳米修饰的玻碳电极对Fe(CN)63/4的电流响应与裸玻碳电极相差无几，然而还原氧化石墨烯修饰的玻碳电极与金纳米/还原氧化石墨烯复合物修饰的玻碳电极，这些含有还原氧化石墨烯的电极，响应电流比裸玻碳电极要大很多。这种结果说明由于还原氧化石墨烯膜有良好的导电性、超大表面积致使经过修饰的玻碳电极的电化学活性位点增多[18,19]。

2.3基于石墨烯-辣根过氧化物酶修饰电极的过氧化氢传感器

2.3.1石墨烯的制备

采用氧化还原法[20]制备石墨烯:称取100mg制备的氧化石墨，加入50mL蒸馏水，配制成0.2%的氧化石墨溶液。超声分散处理1h，得到稳定的棕黄色分散液(氧化石墨超声剥离成氧化石墨烯片层)。加热分散液至80℃并滴加水合肼2mL，在水浴锅中反应4h，得到均匀稳定且不易发生团聚的石墨烯分散液。将得到的石墨烯分散液真空抽滤，用去离子水和甲醇分别清洗2~3次，然后在60℃真空干燥箱中充分干燥，保存备用。

2.3.2GR-Th-CS-HRP/GC电极的制备

称取10mgGR于试管中，量取5mL0.2%的CS溶液和5mL5mmol/L的Th溶液加入试管，超声处理2h得到GR-Th-CS混合液，将等体积的5mg/mL的HRP溶液与GR-Th-CS混合液均匀混合，吸取5μL滴于玻碳电极表面，GR-Th-CS-HRP/GC电极。

2.3.3实验结果

该传感器以石墨烯（GR）作为酶的载体，壳聚糖（CS）为粘结剂，硫堇（Th）作为电子传递材料，玻碳电极（GC）为基体，结果显示，石墨烯和硫堇在修饰电极中有协同作用的效果，基于GR-Th-HRP-CS/GC修饰电极的过氧化氢传感器，具有良好的检测性能，催化电流与H2O2浓度的线性范围为5.010-5~1.110-3mol/L，检测限为9.5310-7mol/L，表观米氏常数为6.5510-5mol/L，该传感器具有优越的过氧化氢检测性能，可用于过氧化氢含量检测。

3纳米复合材料CoFe2O4@SiO2

3.1CoFe2O4@SiO2的制备：

采用溶胶-凝胶法制备：以分析纯钴、铁硝酸盐和正硅酸乙酯为原料,按m(CoFe2O4)∶n(SiO2)=x∶(1-x)(x=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)的组分配料。先将硝酸盐溶于超纯水中，混合均匀后滴入正硅酸乙酯的乙醇溶液，充分搅拌后滴入少量硝酸,继续搅拌得到溶胶。将溶胶置于水浴中，待溶胶成为凝胶后,经干燥得到干凝胶。将干凝胶在一定温度下进行热处理,即可获得CoFe2O4@SiO2复合材料。

3.2聚硫堇和磁性核壳纳米粒子CoFe2O4@SiO2修饰电极

精密称取0.2gCoFe204/SiO2溶于25mL乙醇，定容，超声12h,静置，取上清液10μL滴于聚硫荃修饰的铂金电极表面，铂金电极外围固定磁铁，静比5h后，电极用蒸馏水冲洗，晾干备用。

4基于纳米金自组装膜固定辣根过氧化物酶的生物传感研究

4.1纳米金的制备

在文献[21]基础上，用柠檬酸钠还原氯金酸法制备纳米金。首先将所用的玻璃器皿用王水严格清洗，然后用大量纯水冲洗取100ml溶液于250ml烧杯中，加热煮沸，迅速加入2.5ml1%(w)柠檬酸钠溶液，溶液由兰色变为紫红色，继续加热搅拌10min。制备好的纳米金胶用棕色试剂瓶盛装存放于4℃的冰箱中，透射电镜表明其颗粒直径约为162nm(图2)。

图2纳米金颗粒的透射电镜图

4.2自组装纳米金固定HRP修饰电极的制备

工作电极依次用0.3μm和0.05μm三氧化二铝抛光，大量水淋洗后分别在二次水和无水乙醇中超声5min。高纯氮气吹干，然后将电极插入10mM的SPY乙醇溶液中12h，进行自组装。取出SPY修饰电极，分别用乙醇和水淋洗后，将电极插入纳米金胶溶液中，避光置于4℃环境下12h，取出该电极，大量水淋洗后，将修饰电极置于含5mg/mlHRP的PBS(0.1M,pH=7.0)溶液中，4℃下，避光保存12h，用缓冲液彻底清洗后即制得酶修饰电极，将该修饰电极避光保存于4℃PBS(0.1M,pH=7.0)溶液中备用。

4.3对电极的修饰过程的表征

图3修饰电极的交流阻抗曲线。测定溶液为1mMFe(CN)63-/4-0.1MKCL作支持电解质

使用交流阻抗法对电极的修饰过程进行了表征。由图3的EIS曲线可以看到，金纳米粒子和HRP依次作用于SPY/SAM后，修饰电极对电子传递的阻滞能力降低，表现为HRP-nano-Au-SPY/SAM修饰电极阻抗半圆的半径减小，原因可能是由于纳米粒子的介入，增加了电子传递的比表面，金纳米粒子在修饰电极中可能也起到电子传递中介的作用。但由于金纳米粒子与电极表面被一层较致密的单分子膜所阻隔，电子在修饰电极上的传递仍较裸金电极困难的多，表现为修饰电极阻抗半圆的半径较裸金电极要大。

5展望

过氧化氢(H2O2)在食品工业，临床应用，坏境分析等领域有着广泛的应用。因此，发展可靠，灵敏，快键，低成本的H2O2检测方法具有重要意义。目前，H2O2检测方法包括滴定法，光谱法，荧光法，化学发光法，色谱法及电化学法[22]。其中，电化学法尤其是基于各种过氧化物酶和血红蛋白的电流型生物传感器研究最为广泛，因为它们具有操作简便、高效、高灵敏度和高选择性等优点。利用石墨烯-CoFe2O4@SiO2复合材料对辣根过氧化物酶的直接电催化及共同对H2O2的电催化,放大了电信号，提高了电极的灵敏度、稳定性和重现性，从而研制了性能比较良好的过氧化氢传感器。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题的主要研究内容

1．铁钴磁体cofe2o4@sio2复合材料的合成

2．石墨烯-铁钴磁体cofe2o4@sio2-au复合膜的制备