氮摻雜三維石墨烯的中的應用制備及其在多巴胺傳感

氮摻雜三維石墨烯的中的應用制備及其在多巴胺傳感摘 要近年來，三維石墨烯及其復合材料被廣泛應用于電化學傳感器中。由于三維石墨烯具有較高的比表面積、良好的導電性及電化學窗口，使得基于三維石墨烯的電化學傳感器對多種重要的生物分子（如H2O2，葡萄糖，多巴胺等）的檢測具有較好的性能。與本征的三維石墨烯相比，氮摻雜三維石墨烯具有更高的電子轉移效率以及更好的生物相容性，因而在生物分子的檢測方面有著更好的應用前景。本論文用化學氣相沉積法制得了氮摻雜三維石墨烯，通過控制生長參數(shù)，得到了摻雜量最大（5.98 %）的氮摻雜三維石墨烯。將制得的氮摻雜三維石墨烯應用于多巴胺的檢測，表現(xiàn)出了良好的性能。通過與環(huán)糊精的復合，這種基于氮摻雜三維石墨烯的電極對多巴胺的靈敏度高達5468.6 A mM1cm2，線性范圍為10140 M。這種氮摻雜三維石墨烯在其他生物分子的電化學傳感中可能也具有較好的應用前景。關鍵詞：氮摻雜三維石墨烯；化學氣相沉積；環(huán)糊精；多巴胺；高靈敏度傳感ABSTRACTIn recent years, three dimensional graphene （3DG） and its composites have been extensively explored as electrochemical sensors. These 3DG-based sensors have shown high performance for detection of important biological moieties including: H2O2, glucose and dopamine owing to the high specific area, electrical conductivity, and electrochemical potential window of 3DG. Three dimensional N-doped graphene has a better electrontransfer efficiency and biocompatibility than pristine three dimensional graphene, rendering its more potential use for sensing of biological moieties.In this paper, we prepared three dimensional N-doped graphene by chemical vapor deposition, and the largest nitrogen content (5.98 at. %) is obtained by optimizing the growth parameters. Applied in sensing of dopamine, three dimensional graphene showed excellent performance. Composited with -cyclodextrin, the electrode based on three dimensional N-doped graphene has shown remarkable sensitivity (5468.6 A mM1 cm2) with wide response range (10140 M) for dopamine sensing. We envision that three dimensional N-doped graphene provides a promising platform for the development of electrochemical sensors of other important biological moieties.Key words: three dimensional N-doped graphene; chemical vapor deposition; cyclodextrin; dopamine; high sensitivity sensors目 錄第一章 緒論11.1 氮摻雜三維石墨烯簡介11.1.1 三維石墨烯簡介11.1.2 氮摻雜三維石墨烯簡介21.2 氮摻雜三維石墨烯的制備方法31.2.1 還原氧化石墨烯法31.2.2 化學氣相沉積法31.3 氮摻雜三維石墨烯的表征方法41.3.1 掃描電子顯微鏡41.3.2 拉曼光譜41.3.3 X射線光電子能譜61.4 氮摻雜三維石墨烯的應用簡介71.5 論文選題與研究思路8第二章 氮摻雜三維石墨烯的制備102.1 基本儀器與原理102.1.1 實驗儀器與材料102.1.2 CVD法制備氮摻雜三維石墨烯的原理102.2 氮摻雜三維石墨烯的CVD法制備112.2.1 生長112.2.2 刻蝕和清洗112.3 氮摻雜三維石墨烯的表征112.3.1 掃描電子顯微鏡112.3.2 拉曼光譜122.3.3 X射線光電子能譜132.4 氮摻雜三維石墨烯生長條件的優(yōu)化142.4.1 氫氣在氮摻雜三維石墨烯生長過程中的作用142.4.2 氨氣流量對摻雜量的影響162.4.3 溫度對氮摻雜的影響172.4.4 降溫過程對氮摻雜的影響18第三章 氮摻雜三維石墨烯在多巴胺傳感中的應用193.1 緒論193.1.1 多巴胺193.1.1.1 多巴胺簡介193.1.1.2 電化學測定多巴胺的研究進展203.1.2 環(huán)糊精203.1.2.1 環(huán)糊精簡介203.1.2.2 環(huán)糊精的應用203.2 環(huán)糊精/氮摻雜三維石墨烯復合材料電極的制備及其傳感機理213.2.1 復合材料電極的制備213.2.2 復合材料的表征213.2.3 復合材料的傳感機理223.3 環(huán)糊精/氮摻雜三維石墨烯復合材料的多巴胺傳感性能233.3.1 氮摻雜三維石墨烯復合材料的優(yōu)勢233.3.2 復合材料對不同濃度的多巴胺的響應233.3.3 電極反應的控制過程研究233.3.4 pH對傳感性能的影響25第四章 總結與展望26結論27參考文獻28致謝33第一章 緒論1.1 氮摻雜三維石墨烯簡介1.1.1 三維石墨烯簡介石墨烯作為一種新型的碳材料，具有優(yōu)異的電學、熱學、光學特性以及良好的結構柔性，這得益于其獨特而完美的二維蜂窩狀晶體結構1, 2。例如，石墨烯具有超高的載流子遷移率（200000 cm2 V1 s1）、 1 TPa的機械強度、很好的柔韌性和近20 %的伸展率、超高熱導率（5000 W/mK）、很好的透光性（ 97.7 %）、高達2630 m2/g的比表面積37。這些優(yōu)異的物理性質使石墨烯在超級電容器、高性能晶體管、超強和高導復合材料、柔性透明電極、鋰離子電池以及傳感器等方面展現(xiàn)出巨大的應用潛力712。自2004年以來，科學家們已發(fā)展出多種制備石墨烯的方法，包括機械剝離法、SiC或金屬單晶表面外延生長法、化學氧化剝離法以及化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）法等3, 1316。2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈杰姆和克斯特亞諾沃肖洛夫用機械剝離法首次從石墨中得到了石墨烯3。在此之前，物理學家曾一度認為，石墨烯僅僅是一種存在于理論中的物質，在現(xiàn)實中不可能穩(wěn)定存在。作為首個在實驗室中制得石墨烯的方法，機械剝離法此后被廣泛用于石墨烯的研究中，同時它也極大的促進了石墨烯領域的發(fā)展。然而，受自身的限制，機械剝離法無法用于大量制備石墨烯。因此，科學家們發(fā)展了多種大量制備石墨烯的方法。然而，這些方法制得的石墨烯往往都為片狀，使得體積比表面積較小，不利于石墨烯在電化學儲能、催化、傳感等領域的應用。為了彌補二維石墨烯的不足，科學家們提出了多種構筑具有三維網(wǎng)狀結構的石墨烯的方法。2011年，中科院金屬所的成會明研究組首次以金屬泡沫作為生長基體采用CVD方法成功制備出了高質量的三維石墨烯17。這種三維石墨烯材料兼具三維網(wǎng)絡結構和石墨烯獨特的物理性質，不僅具有較低的密度、一定的孔隙率和比表面積，而且還具有優(yōu)異的電學、熱學和力學性能，它拓展了石墨烯的物性和應用領域。因此，這種CVD法制得的三維石墨烯受到了廣泛的關注。它被廣泛地應用于柔性器件、導熱、電磁屏蔽、超級電容器、催化、生物傳感器等領域1723。2013年，浙江大學高超研究組采用氧化石墨烯制備出石墨烯氣凝膠24。這種新型的石墨烯氣凝膠是世界上最輕的固體材料。這種用氧化石墨烯制得的三維石墨烯具有更大的孔隙率和比表面積，因而在吸附以及能量存儲領域中有著更好的應用。隨著三維石墨烯的制備方法的不斷拓展，它的應用范圍也越來越廣，已經(jīng)涉及到復合材料、傳感、藥物檢測、吸附、燃料電池、染料敏化太陽能電池、鋰離子電池、鋰空氣電池以及超級電容器等眾多領域。1.1.2 氮摻雜三維石墨烯簡介由于氮原子具有與碳原子近似的原子半徑，因而它可以作為電子給體取代石墨烯晶格中的碳原子，從而得到氮摻雜石墨烯。相比本征的石墨烯，氮摻雜石墨烯具有完全不同的性質。隨著氮原子的引入，石墨烯中碳原子的自旋密度以及電荷分布情況會受到相鄰氮原子的影響，從而在石墨烯表面產生活性位點，這些活性位點可以催化各種反應的進行。此外，單層石墨烯經(jīng)過氮摻雜以后，石墨烯的費米能級會高于狄拉克點，費米能級附近的態(tài)密度會受到抑制；與此同時，石墨烯導帶與價帶之間的帶隙也會打開，這使得氮摻雜石墨烯有望用于半導體器件中。氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出諸多優(yōu)良的性能，在場效應晶體管、傳感器、超級電容器、鋰離子電池、燃料電池等領域的應用前景十分廣闊25。隨著三維石墨烯研究的不斷深入，科學家們發(fā)現(xiàn)，本征的三維石墨烯活性位點較少，這不利于它在電池、傳感器以及超級電容器中的應用。因此，科學家們提出將氮原子引入三維石墨烯的晶格中，制成氮摻雜三維石墨烯，從而提高三維石墨烯表面的活性位點。氮摻雜三維石墨烯兼具氮摻雜石墨烯以及三維石墨烯的優(yōu)勢，因此在某些領域比本征的三維石墨烯具有更好的應用前景。2012年，清華大學的石高全課題組用吡咯作為氮源與氧化石墨烯混合制得了氮摻雜三維石墨烯，并將其應用于吸附、超級電容器以及催化氧化還原反應中，這種氮摻雜三維石墨烯在這些應用中表現(xiàn)出了良好的性能26。2013年，溫州醫(yī)科大學的瞿佳研究組通過在CVD法生長三維石墨烯的過程中引入氨氣，制備出了氮摻雜三維石墨烯，這種氮摻雜三維石墨烯對氧化還原反應具有更好的電催化活性27。與之前的方法相比，這種方法更加簡便，這極大的推進了氮摻雜三維石墨烯的研究。相比本征的三維石墨烯而言，氮摻雜三維石墨烯具有更多的活性位點以及更高的電子傳導效率，它在吸附、超級電容器、催化以及染料敏化太陽能電池中表現(xiàn)出了較好的性能26, 28。氮摻雜三維石墨烯的制備極大的拓寬了三維石墨烯的應用，因而受到了科學家們的廣泛關注。制備氮摻雜三維石墨烯的方法通常有還原氧化石墨烯法和CVD法。1.2 氮摻雜三維石墨烯的制備方法1.2.1 還原氧化石墨烯法氧化石墨烯薄片是石墨粉末經(jīng)化學氧化及剝離后的產物?？蓪⒀趸┮暈橐环N非傳統(tǒng)型態(tài)的軟性材料，它具有聚合物、膠體、薄膜，以及兩性分子的特性。通常的制備氧化石墨烯的方法是將石墨氧化從而得到含有多種含氧基團的氧化石墨烯，因而這種氧化石墨烯具有良好的親水性。將這種氧化石墨烯分散在水中形成凝膠，冷凍干燥后還原，或者還原后冷凍干燥，便可得到三維石墨烯。如果在還原的過程中使用含氮的還原劑，或者在含氮的氣氛中高溫還原，便可制得氮摻雜三維石墨烯。在含氮的溶液或氣相中還原后，氧化石墨烯表面的官能團往往都會轉化為含氮的官能團，由于開始時氧化石墨烯的表面通常具有較多的官能團，所以還原氧化石墨烯法制得的氮摻雜三維石墨烯的含氮量相對較高。1.2.2 化學氣相沉積法在石墨烯的多種制備方法中，化學氣相沉積（CVD）法被廣泛用于高質量石墨烯的制備。通過在CVD生長石墨烯的過程中引入氮源，便可制得氮摻雜石墨烯。在CVD法制備氮摻雜石墨烯的過程中，通過控制氮源與碳源的比例，可以對生成的氮摻雜石墨烯中的氮原子的含量進行控制。然而，并不是所有含氮的物質都可作為氮源，研究表明，當把丙烯腈用作氮源時，無法得到氮摻雜石墨烯；而氨氣、吡啶、乙腈作為氮源時便可獲得氮摻雜石墨烯25。因此，通過在CVD法生長三維石墨烯的過程中引入合適的氮源，便可制得氮摻雜三維石墨烯27。通過控制生長時氮源與碳源的比例，還可以對生成的氮摻雜三維石墨烯中的氮原子含量進行控制，而還原氧化石墨烯法往往難以實現(xiàn)這一點。此外，相比還原氧化石墨烯法，CVD法制得的氮摻雜三維石墨烯表面含有的含氧基團（羧基、羥基等）更少，因而它具有更好的電子傳導能力以及更高的穩(wěn)定性。1.3 氮摻雜三維石墨烯的表征方法1.3.1 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）是材料表征中最常用的方法之一，它具有高放大倍率、大焦深、高分辨率和易于使用等優(yōu)點。在掃描電子顯微鏡中，電子束被聚焦形成一個很小的電子探針，然后掃描樣品的整個表面。初始的電子與樣品相互作用后會產生二次電子，收集這些二次電子進而成像，便可獲得樣品表面形貌的三維信息。SEM的分辨率是由電子探針的直徑以及探針與樣品之間的相互作用體積決定的。在石墨烯的研究中，SEM通常被用于表征用CVD法在導電基底上生長的石墨烯。SEM通常還配有額外的檢測器，例如能量色散X射線分析（energy-dispersive X-ray analysis, EDX），它可以對樣品進行元素分析。利用EDX，可以獲得摻雜石墨烯表面的元素信息。SEM是一種簡單通用的技術。在氮摻雜三維石墨烯的研究中，它主要用于獲得氮摻雜三維石墨烯的形貌信息。利用特殊的檢測器（EDX檢測器），還可以獲得氮摻雜三維石墨烯表面的元素分布。圖1.1. （a）三維石墨烯的SEM圖17；（b）硼氮摻雜三維石墨烯的碳元素EDX mapping圖27。1.3.2 拉曼光譜拉曼光譜是一種對激光與樣品相互作用產生的非彈性散射（單色光）進行檢測的光譜技術。進行拉曼測試時，樣品（固體、液體或者氣體）被可見、近紅外以及紫外光光源照射。散射光經(jīng)過透鏡系統(tǒng)和分光光度計后被檢測器收集，從而獲得樣品的拉曼光譜。單色光光子的頻率在與樣品發(fā)生相互作用之后會發(fā)生改變。在這個過程中，樣品吸收入射光子，然后重新發(fā)射頻率相同或者不同的光子。大部分散射光都與入射光的頻率相同，因此，這種類型的散射光很強，它被稱為瑞利（彈性）散射。另一種散射是非彈性的，即散射光的頻率會發(fā)生改變，這種類型的散射被稱為拉曼散射。拉曼散射很弱（約為入射光的105 %）。拉曼散射還分為兩種類型，即散射光頻率降低的斯托克斯散射和散射光頻率升高的反斯托克斯散射。這些特征（拉曼）位移提供了樣品振動、轉動以及其它低頻變化等有用信息32。拉曼光譜在石墨材料的結構表征方面起到了很重要的作用2931。對于所有基于碳的材料（如富勒烯、石墨、石墨烯等）來說，拉曼光譜只在1000 2000 cm1光譜區(qū)域內表現(xiàn)出少數(shù)重要的振動模式。對于石墨烯來說，最突出的拉曼特性就是所謂的G峰和2D峰（如圖1.2），圖1.2展示了激發(fā)光源為442 nm時石墨烯和石墨的典型拉曼光譜32。圖1.2 （a）442 nm的激光下，石墨烯和石墨的拉曼光譜，圖中顯示了典型的拉曼特征峰：D峰，G峰，G*峰以及2D峰；（b）放大后的石墨烯和石墨的2D峰32。通常情況下，石墨烯的樣品都很小，大部分的拉曼測試都需要在光學顯微鏡的輔助下完成，因此激光共聚焦拉曼就顯得至關重要。相比普通的拉曼光譜儀，激光共聚焦拉曼可以更好地定位基底表面的石墨烯樣品。由于氮摻雜三維石墨烯的表面起伏很大，并且其中氮摻雜石墨烯構成的骨架結構所占的體積很小，因而常規(guī)的拉曼光譜難以對其進行表征。而激光共聚焦拉曼可以簡單快速的找到三維結構中的氮摻雜石墨烯并對其進行表征。因此，激光共聚焦拉曼對于氮摻雜三維石墨烯的表征至關重要?？偠灾?，在氮摻雜三維石墨烯的表征中，激光共聚焦拉曼是一種強有力的手段，它可以快速無損的獲得氮摻雜三維石墨烯的結構信息。此外，通過D峰的強弱還可以初步判斷氮摻雜三維石墨烯中摻雜的氮原子量的多少。1.3.3 X射線光電子能譜XPS（X-ray photoelectron spectroscopy）是研究石墨烯氮摻雜效果的標準方法。在氮摻雜石墨烯的XPS能譜中，400 eV和284 eV的峰分別對應于N 1S和C 1s。N 1s和C 1s峰強度的比值決定了氮摻雜石墨烯中氮原子的含量。此外，N 1s峰還可以用來確定氮的組態(tài)。在氮摻雜石墨烯的研究中，N 1s峰可以被分成幾個獨立的子峰：吡啶氮（398.1399.3 eV）、吡咯氮（399.8401.2 eV）以及季氨氮（401.1402.7 eV）。在不同的研究中，這些類型的氮的峰位都有所不同。Reddy等報道，吡咯氮的位置在401.2 eV33，然而Li等則指出季氨氮的位置在401.1 eV34。氮的峰位改變是由于氮所處的環(huán)境不同35。氮所帶的電荷以及它相鄰的原子還有它離子化以后電子的再分配都會影響不同氮的峰的精確位置。有些研究表明，除了這三種類型的氮以外，吡啶氮的氧化物相應的峰位在402.8 eV左右36, 37。圖1.3 （a）石墨烯與氮摻雜石墨烯XPS的N 1s峰（N1代表吡啶氮，N2代表吡咯氮，N3代表季氨氮，N4代表吡啶氮的氧化物）36；（b）氮摻雜石墨烯的結構示意圖37。圖1.4 石墨烯氧化物、石墨烯以及氮摻雜石墨烯的C 1s峰：（a）GO；（b）GO在氬氣中800 C退火得到的石墨烯；（c）GO/三聚氰胺（1 : 5）在800 C下退火30 min得到的石墨烯38。當?shù)訐诫s到石墨烯中之后，C 1s的峰也會發(fā)生相應的改變34, 3841。在GO的C 1s譜中，284.5 eV左右的尖峰對應于C=C中sp2雜化的碳。更高能量處的更強的峰則對應于多種不同CO中的碳，CO鍵、羰基（C=O）以及羧基（O=CO）中的碳的峰分別位于286.2 eV，287.8 eV和289.2 eV。GO在Ar氣中退火以后，對應于CO中的碳的峰便減小很多（如圖1.4b）38。這表明退火可以移除GO中的大部分含氧官能團。如果GO中摻雜有氮原子，則CO中的碳的峰則會消失，取而代之的是一個新的更小的峰（如圖1.4c）3841。Sheng等的工作表明，新的峰出現(xiàn)在285.8 eV以及287.5 eV，分別對應于sp2和sp3雜化的碳原子38。甚至還有人發(fā)現(xiàn)了更小的位于289 eV左右的峰39, 41，它對應于石墨烯表明吸附的氧氣。經(jīng)過氮摻雜以后，石墨烯的C 1s峰更高能量處的峰會發(fā)生改變?？偠灾?，通過XPS表征，可以獲得氮摻雜三維石墨烯中氮原子的摻入量（氮原子與碳原子的比例）。除此之外，通過對N 1s峰和C 1s峰的分析，還可以獲得更加詳細的摻雜信息。1.4 氮摻雜三維石墨烯的應用簡介氮摻雜三維石墨烯兼具氮摻雜石墨烯與三維石墨烯的優(yōu)勢：相比氮摻雜石墨烯，氮摻雜三維石墨烯具有比表面積較大以及易于操作等優(yōu)勢；相比本征的三維石墨烯，氮摻雜三維石墨烯具有更多的活性位點、更好的生物相容性以及更高的穩(wěn)定性。由于氮摻雜三維石墨烯的種種優(yōu)勢，它在有機吸附、超級電容器、催化以及染料敏化太陽能電池中，都有著廣泛的應用。氮摻雜三維石墨烯具有較高的電子轉移效率以及生物相容性，因而有望在電化學生物傳感器中有所應用。然而，關于氮摻雜三維石墨烯在電化學生物傳感方面的應用還鮮有報道。因此，研究氮摻雜三維石墨烯在電化學生物傳感器中的應用對拓寬氮摻雜三維石墨烯的應用范圍具有重要的意義。1.5 論文選題與研究思路生物傳感器是一種將特定生物分析物的濃度轉換為可測量的信號的分析器件，它一般由生物識別分子（例如酶、抗體等等）和信號轉換器（如電極、光轉換器、壓電轉換器等）組成42。其中，將生物分析物的濃度轉換為電信號的器件便被稱為電化學生物傳感器。相比其他生物傳感器，電化學生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低等優(yōu)點。自2002年以來，碳材料在電分析以及電催化領域有著廣泛的應用。例如，碳納米管在生物傳感器、生物燃料電池以及聚合物電解質膜燃料電池中具有較好的性能。與碳納米管相比，石墨烯具有更好的電催化活性以及更高的導電性。相比其他碳材料，石墨烯還具有更高的比表面積，可以提供更多的電化學反應位點。因此，在電化學領域，石墨烯比其他碳材料具有更好的應用前景。近年來，石墨烯已被廣泛地應用電化學生物傳感器中。研究表明，石墨烯對一些酶（如葡萄糖氧化酶等）具有良好的電子傳遞，對一些生物小分子（如H2O2、NADH、乙醇等）也具有很高的催化活性。由于石墨烯優(yōu)異的性質，基于石墨烯的電化學生物傳感器往往具有更高的靈敏度和信噪比。2012年，新加坡南洋理工大學的張華課題組首次將三維石墨烯直接制成電極用于檢測多巴胺，這種新穎的三維電極在多巴胺的電化學傳感中表現(xiàn)出了很高的靈敏度（619.6 A mM1 cm1）和極低的檢出限（25 nM）23。這是由于三維石墨烯比傳統(tǒng)的二維石墨烯具有更高的比表面積以及更好的導電路徑。由此可知，在電化學生物傳感器中，三維石墨烯具有非常廣闊的應用前景。2009年，中國科學院化學研究所的劉云圻課題組首次用CVD法制得了氮摻雜石墨烯，氮摻雜有效的改變了本征石墨烯的電子性質37。研究表明，氮摻雜石墨烯比本征的石墨烯具有更高的電子傳導效率以及更好的生物相容性25。因此，在電化學生物傳感器中，氮摻雜石墨烯比本征石墨烯具有更好的應用潛力。CVD法制備氮摻雜三維石墨烯已有報道，這種氮摻雜三維石墨烯表現(xiàn)了良好的電化學性能27。氮摻雜三維石墨烯有機的結合了氮摻雜以及三維結構的雙重優(yōu)勢，在電化學生物傳感器中有望表現(xiàn)出更加優(yōu)越的性能。因此，探索氮摻雜三維石墨烯在電化學生物傳感器中的應用具有重要的意義。然而，目前還很少有人探索氮摻雜三維石墨烯在電化學生物傳感器中的應用。本文介紹了CVD法制備氮摻雜三維石墨烯的基本流程，并簡述了氮摻雜三維石墨烯在多巴胺的電化學傳感中的應用。第二章 氮摻雜三維石墨烯的制備2.1 基本儀器與原理2.1.1 實驗儀器與材料化學氣相沉積系統(tǒng)（CVD）：Thermo Scientific, Lindberg Blue M掃描電子顯微鏡（SEM）：Zeiss Sigma激光共聚焦拉曼光譜儀（Raman）：Reinshaw, Reinshaw inVia（532 nm）X射線光電子能譜分析儀（XPS）：Thermo Scientific, ESCALAB 250XiNi泡沫（愛藍天高新技術材料（大連）有限公司，面密度：320 g/m2；孔隙率：95 %；PPI：110）氣體：Ar，H2，CH4，NH3無水三氯化鐵（化學純）、濃鹽酸（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司2.1.2 CVD法制備氮摻雜三維石墨烯的原理圖2.1 CVD法在Ni基底上生長石墨烯的原理示意圖43。CVD法制備氮摻雜三維石墨烯以Ni泡沫作為生長基底，Ni基底上生長石墨烯遵循滲碳/析碳機制：甲烷在高溫下分解產生碳原子，生成的碳原子與Ni形成固熔體，冷卻時過飽和的碳在Ni表面析出，從而形成石墨烯43（如圖2.1）。傳統(tǒng)CVD法通常以Ni箔作為生長基底，因而制得的石墨烯具有二維平面結構，而這種平面結構極大的限制了石墨烯的應用范圍。而中科院金屬所的成會明課題組創(chuàng)新性地以具有三維孔道結構的Ni泡沫作為生長基底，采用CVD法制得了具有三維孔道結構的石墨烯網(wǎng)絡（簡稱三維石墨烯），拓寬了石墨烯的物性17。在三維石墨烯的生長過程中，如果在甲烷分解的過程中引入氨氣，則氨氣會在Ni泡沫的催化下分解生成氮原子，生成的氮原子會吸附在Ni泡沫表面的活性位點上，在冷卻的過程中，這些氮原子便會與析出的碳原子結合從而形成氮摻雜石墨烯。由于生長基底是具有三維網(wǎng)狀結構的Ni泡沫，因而得到的便是具有三維孔道結構的氮摻雜石墨烯網(wǎng)絡（簡稱氮摻雜三維石墨烯）。2.2 氮摻雜三維石墨烯的CVD法制備2.2.1 生長將Ni泡沫裁剪成11 cm2的方片，取68片放入到石英舟中，將石英舟放入石英管中，擰緊石英管兩端的法蘭，通入氣體，設定CVD爐的升溫程序，開始加熱。CVD生長時的氣體流量與溫度設定如圖2.2：圖2.2 CVD法生長氮摻雜三維石墨烯的氣體流量與溫度參數(shù)。待溫度降到200 C左右時，關閉氣體，松開法蘭，取出石英舟。2.2.2 刻蝕和清洗待樣品冷卻到室溫以后，將樣品浸入到1 M的FeCl3溶液中，刻蝕8 h左右。待Ni基底被完全刻蝕以后，用1 M的HCl將三維石墨烯清洗45次，再用超純水清洗45次，用PET（polyethylene terephthalate，聚對苯二甲酸乙二醇酯）將三維石墨烯載起，在室溫下晾干。2.3 氮摻雜三維石墨烯的表征2.3.1 掃描電子顯微鏡圖2.3為的氮摻雜三維石墨烯（刻蝕后）的SEM圖，從圖2.3a中以看出，CVD法生長的氮摻雜三維石墨烯具有三維網(wǎng)絡狀結構（孔徑為300500 m）。從高分辨SEM圖（圖2.3b）中可以看出，氮摻雜三維石墨烯具有光滑的表面，但同時也具有石墨烯所特有的褶皺。圖2.3 氮摻雜三維石墨烯的SEM圖（a）氮摻雜三維石墨烯的骨架結構；（b）氮摻雜三維石墨烯表面的高分辨SEM圖。2.3.2 拉曼光譜圖2.4 （a）三維石墨烯；（b）氮摻雜三維石墨烯的拉曼光譜。圖2.4為CVD法制得的本征三維石墨烯（圖2.4a）和氮摻雜三維石墨烯（圖2.4b）的Raman光譜圖。從圖2.4a中可以看出，本征的三維石墨烯基本沒有缺陷（沒有D峰），且層數(shù)較厚。隨著氮原子的引入，氮摻雜三維石墨烯的拉曼光譜（圖2.4b）中出現(xiàn)了缺陷，這使得位于1350 cm1的D峰出現(xiàn)了。同時，缺陷峰的強度與摻雜的量有關，氮含量越大時，D峰越高。因此，通過比較拉曼光譜中的D峰強度，可以粗步判斷氮摻雜三維石墨烯中氮摻入量的多少。2.3.3 X射線光電子能譜圖2.5 三維石墨烯的XPS圖譜（a）XPS全譜；（b）C 1s峰；（c）O 1s峰；（d）N 1s峰。圖2.5和圖2.6分別為三維石墨烯和氮摻雜三維石墨烯的XPS能譜。對比兩者可以發(fā)現(xiàn)，相比三維石墨烯的XPS能譜，氮摻雜三維石墨烯的能譜中N 1s峰變得更加明顯。通過計算C 1s峰、N 1s峰以及N 1s峰的面積，可以精確的得出氮原子在氮摻雜三維石墨烯中所占的比例。圖2.6 氮摻雜三維石墨烯的XPS圖譜（a）XPS全譜；（b）C 1s峰；（c）O 1s峰；（d）N 1s峰。2.4 氮摻雜三維石墨烯生長條件的優(yōu)化2.4.1 氫氣在氮摻雜三維石墨烯生長過程中的作用在CVD法制備石墨烯的過程中，通常會有一個在高溫下氫氣流中退火的過程。這有助于除去基底表面的氧化層，此外，退火還有助于清潔表面并使表面結晶32。還有人認為，通氫氣退火有助于消除一些雜質44，如硫、磷，這些雜質會引起基底中溶碳量的變化，從而不利于石墨烯的生長。因此，氫氣通常被用來預處理生長基底（清洗和優(yōu)化結晶）。通常是將基底在少量氫氣與氬氣的混合氣退火一定的時間。此外，以Ni作為生長基底時，在甲烷分解的過程中，氫氣的表面析出和表面結合還有助于保持Ni表面上烴的自由脫氫位點，從而有助于生長出缺陷很小的石墨烯32。圖2.7 三維石墨烯的生長參數(shù)（生長過程不通氫氣）。圖2.8 氮摻雜三維石墨烯的生長參數(shù)（生長過程不同氫氣）。綜上，在Ni基底上生長石墨烯時，在退火和生長過程都需要引入氫氣。因此，初步生長氮摻雜三維石墨烯的參數(shù)如圖2.2。然而，按照這個參數(shù)生長氮摻雜三維石墨烯時，氮摻雜石墨烯并不能在Ni泡沫表面均勻的生長。這是由于在氮摻雜三維石墨烯的生長過程中引入了氨氣，氨氣在高溫下分解會產生氫氣，與此同時，甲烷分解也會產生氫氣。以上兩個分解反應都是可逆的，因此，如果反應體系中氫氣過多，這不利于這兩個反應的進行，從而使得Ni中溶解的C以及表面吸附的N都會降低，因而無法生長出均勻的氮摻雜三維石墨烯。在圖2.2的生長參數(shù)的基礎上，不斷減少生長過程中氫氣的流量。實驗結果表明，隨著氫氣流量的不斷減少（200 s.c.c.m.150 s.c.c.m.100 s.c.c.m.50 s.c.c.m.0 s.c.c.m.），氮摻雜石墨烯在Ni泡沫表面生長得越來越均勻。對比實驗表明，即使在生長時不通氫氣（參數(shù)如圖2.7），也可以生長出基本沒有缺陷的三維石墨烯（圖2.4a為此條件下生長的三維石墨烯的拉曼圖譜，從中可以看出，即使在生長時不同氫氣，得到的三維石墨烯也沒有缺陷）。因此，最終生長氮摻雜三維石墨烯的參數(shù)如圖2.8。2.4.2 氨氣流量對摻雜量的影響圖2.9 氮摻入量與氨氣流量的關系。有研究表明，在CVD法制備氮摻雜石墨烯的過程中，通過改變氨氣的流量，可以控制氮原子的摻入量37。為了研究氨氣流量對氮摻雜三維石墨烯中氮摻入量的影響，在生長氮摻雜三維石墨烯的過程中對氨氣流量進行了改變（氨氣流量分別為5 s.c.c.m.、10 s.c.c.m.、15 s.c.c.m.、20 s.c.c.m.以及25 s.c.c.m.）。對XPS能譜計算可得氮摻入量與NH3流量的關系（圖2.9）。拉曼光譜和XPS能譜都表明，當氨氣流量為15 s.c.c.m.時，氮的摻入量最大：拉曼光譜中，ID/G = 0.19 : 1（如圖2.4b）；對XPS結果（圖2.6）進行定量分析，可得此時氮原子的比例為5.98 %。分析原因如下：在高溫下氨氣會在Ni泡沫的催化作用下發(fā)生分解生成氮原子，這些氮原子會在降溫時與析出的碳原子結合形成氮摻雜石墨烯。因此，隨著氨氣流量的增大，氮的摻入量也會有所提高。然而，氨氣分解生成的氮原子是吸附在Ni泡沫表面的活性位點上的，當氨氣流量增大到一定程度時，過量的氨氣會與氮原子發(fā)生競爭吸附，從而使得Ni泡沫表面吸附的氮原子反而有所降低，生成的氮摻雜石墨烯中氮的摻入量也會有所降低。因此，隨著氨氣流量的逐漸增大，氮的入量會先升高后降低，最大摻入量（5.98 %）的生長參數(shù)如圖2.10。實驗結果表明，當氨氣流量大于15 s.c.c.m.時，得到的氮摻雜三維石墨烯也會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。分析原因如下，當氨氣流量過多時，過多的氨氣會占據(jù)Ni泡沫表面的活性位點，而甲烷的分解需要在這些活性位點的催化作用下才能發(fā)生，因此當氨氣流量過大時則會不利于甲烷的分解，使得分解得到的碳原子的量減少，溶解在Ni中的碳原子也會減少，使得析出時無法均勻的覆蓋在Ni泡沫的表面，從而使得得到的氮摻雜三維石墨烯不均勻。圖2.10 氮的摻入量最大（5.98 %）時的生長參數(shù)。2.4.3 溫度對氮摻雜的影響在CVD法生長的過程中，生長溫度對石墨烯的形成至關重要，這是由于不同溫度下，甲烷的分解情況不同。在氮摻雜三維石墨烯的生長過程中，溫度不但會對甲烷的分解造成影響，而且還會對氨氣的分解產生影響，從而改變氮的摻入量。為了研究生長溫度對氮摻雜量的影響，做了不同生長溫度（950 C、1050 C）的對比實驗。對不同溫度下生長得到的樣品進行XPS表征，并對XPS結果進行定量分析，可得氮摻入量與生長溫度之間的關系（如圖2.11）。結果表明，在1000 C下生長時，氮的摻入量最大。分析原因如下：氨氣的分解是在Ni的催化作用下在一定溫度的條件才能進行，如果溫度較低，會使得氨氣分解得到的氮原子變少，從而使得氮的摻入量降低。而分解生成的氮會吸附在Ni的表面，與Ni中析出結合，從而形成氮摻雜石墨烯。因此如果溫度過高，則會克服氮原子在Ni表面的吸附能，雖然說氨氣分解得到的氮原子增多，但是吸附在Ni表面形成氮摻雜石墨烯的氮原子的量反而有所降低，從而使得氮的摻入量還是有所降低。因此，當溫度合適時，既使得氨氣分解得到的氮原子較多，又不影響氮原子在Ni表面的吸附，才能得到摻入量最大的氮摻雜石墨烯。圖2.11 氮摻雜入量與生長溫度的關系。2.4.4 降溫過程對氮摻雜的影響圖2.12 降溫時通氨氣的生長參數(shù)。為了研究降溫過程對氮摻雜三維石墨烯生長的影響，進行了對比實驗，即在降溫過程中也通入了氨氣。對樣品進行XPS表征，并對結果進行定量分析，結果表明，得到的氮摻雜三維石墨烯的氮摻入量反而有所降低（為5.31 %）。分析原因如下：在降溫的過程中，1000 C下分解得到的氮原子會吸附在Ni表面的活性位點上，進而與表面析出的碳原子結合形成氮摻雜石墨烯。因此，吸附的氮原子越多，得到的氮摻雜石墨烯中氮的摻入量便越大。而如果在降溫時也通入氨氣，則過多的氨氣會占據(jù)Ni表面的活性位點，從而使得Ni表面吸附的氮原子減少，進而使得得到的氮摻雜三維石墨烯的氮摻入量有所降低。第三章 氮摻雜三維石墨烯在多巴胺傳感中的應用3.1 緒論3.1.1 多巴胺3.1.1.1 多巴胺簡介多巴胺是人體的一種重要的神經(jīng)傳導物質，它參與了多種生命過程。在許多研究和應用領域多巴胺都受到了廣泛的關注，人們開始著眼于研究多巴胺的化學結構、作用機理等并將其應用于疾病的治療以及對生物行為的影響等方面45。多巴胺（dopamine, DA），分子式為C6H3(OH)2CH2CH2NH2，化學式為 C8H11NO2，化學名稱為4（2乙胺基）苯1，2二酚，摩爾質量為153.178 g/mol，在水中的溶解度為60.0 g/100 mL （25 C）。多巴胺是一種在腦垂體腺和下丘腦中的一種重要的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質，在去甲腎上腺素、中樞多巴胺能神經(jīng)末梢以及被外周植物神經(jīng)系統(tǒng)所支配的許多組織中，多巴胺都廣泛存在，它是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質之一。它對加大心臟輸出、提高動脈血壓和腦血管的擴張等諸多方面都有重要的作用45。圖3.1 多巴胺的結構式。在哺乳動物和人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，DA是一種十分重要的神經(jīng)遞質，在人腦中某些特定區(qū)域多巴胺的含量分布直接或間接對神經(jīng)活動和垂體內分泌性能產生影響，甚至導致一些疾病的產生，在健康和疾病的控制、預防中起著重要的作用。一些腦功能如學習和記憶的形成正是由于它的含量的改變而導致的。研究表明，形覺剝奪性近視眼與視網(wǎng)膜中的多巴胺神經(jīng)元及其受體有關。此外，多巴胺具有興奮心臟、增加腎血流量的功能，可用于治療失血性、心源性及感染性休克45。3.1.1.2 電化學測定多巴胺的研究進展DA作為一種十分重要的神經(jīng)遞質，不僅參與哺乳動物體內信息的傳遞，而且還與很多病癥的產生有著息息相關的聯(lián)系，如多動癥、亨丁頓舞蹈癥和帕金森病等。因此，建立一種快速、便捷而又精確的分析方法在日常檢測分析中是十分必要的。在生物和醫(yī)學領域，DA的測定一直是研究熱點，也是腦神經(jīng)化學的重要研究內容之一45。目前，對于DA的測定，方法有很多，如化學發(fā)光法、滴定法、電化學法、分光光度法、液相色譜法、氣相色譜法、熒光光度法等。其中，電化學方法具有選擇性好、制作簡便、靈敏度高等優(yōu)點，因此被廣泛的應用于DA的測定中45。3.1.2 環(huán)糊精環(huán)糊精屬于第二代超分子主體化合物，具有許多特有的性質，自從發(fā)現(xiàn)以來一直受到研究者的青睞，尤其環(huán)糊精的研究最多，應用最廣泛46。3.1.2.1 環(huán)糊精簡介環(huán)糊精（cyclodextrin, CD）是由多個D吡喃葡萄糖單元通過1,4糖苷鍵連接起來的環(huán)狀分子，其外形呈錐形的圓筒環(huán)狀結構，環(huán)糊精結構由環(huán)狀低聚糖組成，應用最廣的是含有6、7、8個葡萄糖的環(huán)糊精，分別稱為、環(huán)糊精，每個葡萄糖單元的2，3，6位羥基位置不同，2，3位仲羥基位于葡萄糖環(huán)的一側，6位伯羥基位于環(huán)的另一側，所以體現(xiàn)出不同的功能和作用。由于環(huán)糊精具有內疏水外親水的內腔結構，適合主客體包合，所以可以與許多客體分子形成包合物，一般形成環(huán)糊精包合物需要將客體包嵌在環(huán)糊精內腔中，被包嵌的分子尺寸適合環(huán)糊精的空腔結構，并且要求有很高的密度。環(huán)糊精空腔結構較小，適合包合的客體分子較少，環(huán)糊精適合包合較大尺寸的客體分子，而環(huán)糊精包合選擇性較廣，所以最為常用，環(huán)糊精可以和許多物質產生包合，包括中藥提取成分、有機化合物等46。3.1.2.2 環(huán)糊精的應用環(huán)糊精應用較廣泛，涉及到食品、藥物、化工、日用品、環(huán)境保護、農業(yè)等領域，可用作穩(wěn)定劑、乳化劑、抗氧化劑、增溶劑等，尤其在藥物釋放、色譜手性分離、化合物的固載、增溶、化合物的轉運、香水的釋放方面等應用較多46。在生物傳感器中，環(huán)糊精也有著廣泛的應用。由于環(huán)糊精獨特的環(huán)狀結構，使得它的內腔可以選擇性的識別某些生物小分子，并催化這些小分子進行氧化還原反應，它在生物傳感器可以起到生物識別的作用46。3.2 環(huán)糊精/氮摻雜三維石墨烯復合材料電極的制備及其傳感機理3.2.1 復合材料電極的制備將洗干凈的氮摻雜三維石墨烯泡沫轉移到10 mL的環(huán)糊精飽和溶液中，超聲30 min。用PET將其載起，在室溫下晾干。用導電銀膠將銅線與復合材料粘結起來，再用中間打有圓孔（直徑4.5 mm）的絕緣膠帶覆蓋復合材料的表面（控制電極的面積），最后用環(huán)氧樹脂AB膠將表面的導電銀膠完全覆蓋（防止測試時出現(xiàn)銀氧化還原峰的干擾），待環(huán)氧樹脂完全干了以后，環(huán)糊精/氮摻雜三維石墨烯復合材料電極（簡稱為CD3DNG）便制作完成。三維石墨烯、環(huán)糊精/三維石墨烯復合材料以及氮摻雜三維石墨烯也用相似的方法制成電極，為了敘述的方便，分別稱之為3DG、CD3DG以及3DNG。3.2.2 復合材料的表征為了確定環(huán)糊精在石墨烯表面的吸附情況，對四種材料進行了高分辨SEM表征，如圖3.2。從圖中可以看出，三維石墨烯（圖3.2a）以及氮摻雜三維石墨烯（圖3.2c）的表面非常光滑，而在環(huán)糊精的飽和溶液中超聲之后，可以看到它們的表面覆蓋了一層環(huán)糊精，而且環(huán)糊精在氮摻雜三維石墨烯（圖3.2d）的表面比在三維石墨烯（圖3.2b）表面覆蓋的更加均勻。這表明，氮摻雜三維石墨烯與環(huán)糊精具有良好的親和作用，可以很好的形成復合，這有利于電極性能的提高。圖3.2 高分辨SEM圖（a）三維石墨烯；（b）環(huán)糊精/三維石墨烯；（c）氮摻雜三維石墨烯；（d）環(huán)糊精/氮摻雜三維石墨烯。3.2.3 復合材料的傳感機理將CD3DNG用于多巴胺的電化學傳感中，CD的內腔可以識別多巴胺分子，并催化其進行氧化還原反應；而氮摻雜三維石墨烯在其中起到了信號轉換的作用，由于氮摻雜三維石墨烯具有極高的電子傳導效率，它可以將多巴胺氧化還原過程中的得失電子信息快速高效的傳遞給電化學工作站。此外，氮摻雜三維石墨烯與環(huán)糊精具有良好的親和作用，這使得環(huán)糊精可以均勻的覆蓋在氮摻雜三維石墨烯表面，從而進一步提高電極的傳感性能。3.3 環(huán)糊精/氮摻雜三維石墨烯復合材料的多巴胺傳感性能3.3.1 氮摻雜三維石墨烯復合材料的優(yōu)勢圖3.3 四種電極在80 M DA的PBS（phosphate buffered saline，磷酸鹽緩沖液）（pH = 7.4）中的循環(huán)伏安圖，掃速為50 mV/s。選用三電極系統(tǒng)，將制得的三維電極作為工作電極，鉑絲作為對電極，飽和甘汞電極（saturated calomel electrode, SCE）作為參比電極。分別對3DG、3DNG、CD3DG以及CD3DNG在80 M DA的PBS（pH=7.4）中進行循環(huán)伏安法掃描。掃描電位為0.1 +0.4 V，掃描速率為50 mV/s。圖3.3為各電極在80 M DA的PBS（pH = 7.4）中的循環(huán)伏安圖。從圖中可以看出，CD3DNG的峰電流是3DG的9倍，這說明CD3DNG具有較好的催化能力和促進電子傳導能力。相比CD3DG，CD3DNG的峰電流更高，這說明CD與3DNG具有更好的協(xié)同作用，使得峰電流進一步提高。總而言之，由于氮摻雜三維石墨烯優(yōu)異的電子傳導能力以及生物相容性，CD3DNG對多巴胺表現(xiàn)出來良好的傳感性能。3.3.2 復合材料對不同濃度的多巴胺的響應在循環(huán)伏安法測定下，測得的峰電流與多巴胺的濃度在10140 M范圍內呈線性關系相關。在本實驗中，對多巴胺溶液的20個濃度進行測定，并對結果進行分析，繪制出多巴胺在循環(huán)伏安法測定下其峰電流隨濃度的變化的標準曲線（如圖3.4b）。經(jīng)擬合表明，多巴胺的濃度從10 M140 M與峰電流呈良好的線性關系。其線性方程：ipa (A) = 4.8723 + 0.8695 CDA (M)，相關系數(shù)R = 0.9965。經(jīng)計算得，靈敏度為5468.6 A mM1cm2。圖3.4 （a）CD3DNG電極在不同濃度DA的PBS（pH = 6.0）中的循環(huán)伏安曲線，掃速為100 mV/s；（b）峰電流與多巴胺濃度呈線性相關。3.3.3 電極反應的控制過程研究圖3.5 （a）CD3DNG在80 M DA的PBS（pH = 7.4）中不同掃速下的的循環(huán)伏安曲線；（b）峰電流與掃速的平方根成線性相關。對CD3DNG在80 M DA的PBS（pH = 7.4）中在不同掃速（40300 mV/s）下進行循環(huán)伏安掃描，經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)，峰電流與掃描速度的平方根成線性相關（如圖3.5b）。這表明電極反應是擴散控制的，這是由于三維電極獨特的三維結構造成的，三維網(wǎng)狀結構使得擴散過程成為決速步。3.3.4 pH對傳感性能的影響研究表明，改變溶液的pH值，會影響同一濃度溶液峰電流的大小，這是由于pH值對電化學反應的影響很大。在進行電化學測試時，溶液的pH值是一個十分重要的條件。因此測試一般在緩沖液中進行，這是為了使溶液的pH值保持一定，從而使測得的結果更加可靠。對CD3DNG在不同pH的40 M DA溶液中進行循環(huán)伏安掃描，結果如圖3.6a。從圖中可以看出，當pH為6.0時，氧化峰與還原峰的峰形最相近，這表明在此pH下，CD3DNG對DA的響應最好。圖3.6 （a）CD3DNG在不同pH的40 M