氮參雜石墨烯的制備及其在電化學(xué)生物傳感中的應(yīng)用

1、本科畢業(yè)論文外文翻譯外文譯文題目（中文）：氮參雜石墨烯的制備及其在電化學(xué)生物傳感中的應(yīng)用學(xué)院:化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院專業(yè):化學(xué)工程與工藝學(xué)號(hào):201122146195學(xué)生姓名:劉清斌指導(dǎo)教師:梁峰日期:二一五年四月Nitrogen-Doped Graphene and Its Application in Electrochemical BiosensingYing Wang, YuyanShao, Dean W. Matson, JinghongLi,andYuehe LinAmerican Chemical Society，2010，VOL. 4 NO. 4 17901798氮參雜石墨烯的制備

2、及其在電化學(xué)生物傳感中的應(yīng)用Ying Wang, YuyanShao, Dean W. Matson, JinghongLi,andYuehe Lin美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)，2010，第4卷，第4期，17901798。生命有機(jī)磷化學(xué)及化學(xué)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)，北京100084，中華人民共和國(guó)和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Richland，華盛頓州99351摘要：化學(xué)摻雜外來(lái)原子是一種能本質(zhì)上改變材料屬性的有效方法。其中，氮參雜在改善碳材料的電化學(xué)性能上有著關(guān)鍵的作用。最近，石墨烯作為真正的二維碳材料，在生物電子學(xué)和生物傳感器應(yīng)用方面已經(jīng)顯示出引人入勝的前景。在本文中，我們報(bào)告了一個(gè)淺顯的策略，通過(guò)使用氮

3、等離子體處理的石墨烯經(jīng)化學(xué)方法合成制備N摻雜的石墨烯。一種可能的示意圖已被提出用來(lái)描述N摻雜的石墨烯的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制曝光時(shí)間，N在石墨烯的比例可以調(diào)節(jié)，范圍從到1.35%。最后所得到的N摻雜石墨烯對(duì)過(guò)氧化氫的還原、葡萄糖氧化酶快速直接電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，顯示出了高效的活性。氮參雜石墨烯將進(jìn)一步應(yīng)用在伴有干擾存在且濃度低于mM的葡萄糖的生物傳感方面。關(guān)鍵詞：石墨烯，氮參雜，直接電催化，電化學(xué)生物傳感石墨烯作為一種真正的二維碳材料出現(xiàn)，已經(jīng)展示出其在生物電催化和生物傳感方面驚人的應(yīng)用。應(yīng)用包括石墨烯基單細(xì)菌裝置，DNA晶體管，谷胱甘肽檢測(cè)與氧化石墨烯增強(qiáng)電化學(xué)發(fā)光，化學(xué)還原的石墨烯的生物傳感平臺(tái)，

4、在石墨烯/離子液體界面的葡萄糖生物傳感器。由于石墨烯獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、易功能化和生產(chǎn)，石墨烯成為了電子產(chǎn)品，電子設(shè)備和生物傳感器的理想基地。因此，定制和開(kāi)發(fā)石墨烯的電子特性來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的性能近來(lái)也備受關(guān)注。具體來(lái)說(shuō)，石墨烯的電子屬性通過(guò)化學(xué)官能化和電化學(xué)修飾而被改變。與此同時(shí)，眾多的納米雜化材料，如石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料，石墨烯/鉑納米粒子表和石墨烯/金屬氧化物礦床已經(jīng)被報(bào)道了。然而，大多數(shù)這些方法都是在瞄準(zhǔn)生產(chǎn)有協(xié)同或多種功能的石墨烯雜化材料。很少有人把注意力放在石墨烯內(nèi)在結(jié)構(gòu)的修改，從而來(lái)提高它的生物電催化性能。化學(xué)參雜外來(lái)原子能夠從本質(zhì)上有效地改變材料，

5、改變其電子特性，改善其表面化學(xué)性能，讓材料的元素組成發(fā)生局部改變。對(duì)于碳材料，化學(xué)參雜也是一個(gè)具有重大意義的潛在策略，它可以提高載流子的密度并且提高其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。最近有研究展示了其在石墨烯化學(xué)參雜方面的能力。例如，通過(guò)使用氧蝕刻處理，石墨烯被同時(shí)蝕刻和表面經(jīng)氧化摻雜。金屬參雜石墨烯理論的研究已經(jīng)預(yù)測(cè)了費(fèi)米能級(jí)位移和P型到N型交叉的可能性。其中，許多潛在的參雜物，氮被認(rèn)為是一種很好的元素用于碳材料的參雜，因?yàn)槠湎鄬?duì)適中的原子尺寸，并且包含有5個(gè)可用價(jià)電子可以與碳形成強(qiáng)化學(xué)鍵。在以前的工作，N-摻雜已被成功地用于修改碳納米管的電性質(zhì)或結(jié)構(gòu)性質(zhì)。列如向碳納米管中參雜氮能提高其金屬性能，影響其晶格

6、取向，以及調(diào)節(jié)生長(zhǎng)機(jī)理。此外，已有研究表明氮參雜能夠提高碳納米管在生物傳感中的應(yīng)用，能夠改善其生物相容性和靈敏度。圖1：石墨烯（a）和氮參雜石墨烯（b）中N1s的XPS光譜圖，其中包括N1(吡啶型氮)，N2（吡咯型氮），和N3（季氮）。石墨烯（c）和氮參雜石墨烯（d）中C1s的XPS光譜圖，其中包括C1(C-C)，C2(C-O)，C3(C=O或者C-N)，和C4(C-C=O)。因此，氮參雜在用于石墨烯的修改方面具有很大的潛力。然而到目前為止只有少數(shù)的研究瞄準(zhǔn)于氮參雜石墨烯的生產(chǎn)，其中運(yùn)用的是與氨的電熱反應(yīng)或者是氣相沉積法。在本論文中，我們報(bào)告了一種通過(guò)N等離子體處理石墨烯合成氮參雜石墨烯的方法

7、，并且對(duì)氮參雜石墨烯在電催化和生物傳感器方面的應(yīng)用作了進(jìn)一步的研究。等離子體處理法是一種簡(jiǎn)單的可以用于材料表面改性的方法，并且可以運(yùn)用于向大宗復(fù)合材料中引入外來(lái)原子，組分或者骨架。本實(shí)驗(yàn)中所用的石墨烯我們通過(guò)Hummers 合成法和 Offeman氧化法來(lái)制備（請(qǐng)參看我們之前有關(guān)于石墨烯的合成與表征的文獻(xiàn)）。在通過(guò)等離子體參雜后，人們進(jìn)一步提出了氮參雜石墨烯的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了石墨烯碳層中N的狀態(tài)，基于對(duì)改性材料X射線光電子能譜圖（XPS）的研究，從而詳細(xì)的描述了可能的活性位點(diǎn)和缺陷。通過(guò)控制等離子體的曝光時(shí)間，氮參雜的比列能夠進(jìn)行輕松的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。并且，氮參雜石墨烯被成功的運(yùn)用于電催化和生物傳感。

8、過(guò)氧化氫在N摻雜石墨烯電極中的還原電位正偏移為400mV，相當(dāng)于把玻璃碳電極中雙氧水的還原性提高了20倍的結(jié)果。并且氮參雜石墨烯顯出了極好的生物相容性，并且對(duì)于濃度低于mM的葡萄糖生物傳感有很快的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力特性。2結(jié)果與討論氮參雜石墨烯的合成與顯微氮參雜石墨烯通過(guò)氮等離子體處理石墨烯來(lái)制備，是根據(jù)Hummers 和Offeman化學(xué)合成法，并且根據(jù)我們之前的工作我們進(jìn)行了改進(jìn)。石墨烯分散在脫乙酰殼多糖中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯與2乙酸），用超聲處理，以形成1 mg/mL石墨烯殼聚糖分散體。把五微升石墨烯殼聚糖溶液涂布在玻碳電極（GCE）的表面上，在干燥后，石墨烯被牢牢的吸附在玻碳電極（GCE）的表

9、面上，這是由于石墨烯與殼聚糖玻璃碳之間形成疏水界面的原因。把石墨烯殼聚糖/ GCE的混合物放置在等離子體室中，然后在750毫托的壓力下反充氮?dú)鈿夥?在等離子體功率為100W下，處理時(shí)間為20至100分鐘，控制以獲得各種N摻雜百分比的產(chǎn)物。表一：化學(xué)合成石墨烯和氮參雜石墨烯中C,N元素的濃度sampleareaC1s (%)N1s (%)N1s (%)石墨烯氮參雜石墨烯1212（我們通過(guò)在750豪托壓力和100W功率下氮等離子體室處理實(shí)現(xiàn)氮參雜。兩種不同功率區(qū)的樣品都進(jìn)行了測(cè)試，并且分析的得出了每種元素的百分比。）XPS是一種強(qiáng)大的工具，它可以確定各元素在大宗復(fù)合材料中的位置狀態(tài)，通過(guò)結(jié)合能（B

10、E）的值的分析，可以確認(rèn)碳和氮之間成鍵的性質(zhì)。在氮參雜石墨烯和石墨烯中我們獲得了N1s的結(jié)合能分布核心級(jí)高分辨率XPS光譜。正如數(shù)據(jù)圖1中所示，在石墨烯中我們沒(méi)有觀察到明顯的N峰。然而氮參雜石墨烯的光譜中N峰表明，吡啶型氮的BEev，吡咯型N的BE值達(dá)到4ev，季N的BE值達(dá)到。表格1表明了石墨烯和氮參雜石墨烯中氮，碳以及氧原子的含量百分比。用肼化學(xué)還原氧化石墨烯，向其中引入N元素。在經(jīng)過(guò)等離子體處理后，氮百分比含量增加到了1.35%，表明成功參入了氮元素。在數(shù)據(jù)圖1c、d中C1s的XPS光譜圖變化范圍由282EV變化到290EV。總體上來(lái)講，有幾種不同類型的碳結(jié)構(gòu)存在于化學(xué)合成的石墨烯中，可

11、以由光譜圖中幾種不同的峰值來(lái)表征：C-C為284.8ev,C-OH為285.9ev，C=O為287.1ev,并且C-C=O為289.0ev。C=O的峰值與C=N的鍵合能值重疊都為±0.5 ev。正如數(shù)據(jù)圖1d所顯示在進(jìn)行了氮參雜之后，C=O以及C-N的287.1EV峰都明顯增加了。這也表明成功地向石墨烯碳層中參入氮元素。C-O鍵的特征峰的強(qiáng)度顯然增加了，但是C-C鍵的特征峰強(qiáng)度減弱了，這表明了參雜不僅向石墨烯中引入了氮原子也增加了氧的含量。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)等離子處理可能會(huì)改變石墨烯中含氧官能團(tuán)的原來(lái)結(jié)構(gòu)。參雜前和參雜后O1s的XPS光譜正如數(shù)據(jù)圖2中一樣。（COH 為 533.9 eV

12、, C=O 為 532.5 eV, 并且C(O)OH 為 531.8 eV）。在參雜后，我們發(fā)現(xiàn)氧含量增加了27.5%。數(shù)據(jù)圖3顯示出了透射型電子顯微鏡（TEM）形成的化學(xué)合成石墨烯的圖像（圖3a）和N摻雜的石墨烯的圖像（圖3b）。從數(shù)據(jù)圖3中我們可以看到，在石墨烯中可以觀察到石墨烯單片層，這也表明了石墨烯的高比表面積和二維結(jié)構(gòu)仍然保持良好。氮參雜對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的影響示意圖如圖1所示，顯示出在氮參雜石墨烯中氮可能的位點(diǎn)。根據(jù)XPS光譜圖結(jié)果，有三種類型的參雜氮，包括：吡啶型氮，吡咯型N，和季N。每一種都可以根據(jù)XPS光譜中特殊的鍵和能來(lái)表征，其中吡啶型氮的ev，季N的BE值達(dá)到401.5EV。這

13、些被參入的氮會(huì)修飾石墨烯片層結(jié)構(gòu)，并且改變其費(fèi)米能級(jí)，這將形成參雜效應(yīng)，并且跨過(guò)石墨烯鍵的能壘。因此，氮參雜能夠起到非常重要的作用，它能夠改善石墨烯的電子特性，同時(shí)提高其電催化活性。3氮參雜石墨烯的電催化作用為了研究氮參雜石墨烯在電催化中的應(yīng)用，我們研究了雙氧水在氮參雜石墨烯電極中的循環(huán)伏安特性。過(guò)氧化氫是真核信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的重要調(diào)節(jié)器，能夠?qū)Π?xì)胞因子和生長(zhǎng)因子在內(nèi)的各種mM氫氧化鈉中，GEC表現(xiàn)出了對(duì)5mM雙氧水微弱的響應(yīng)。還原電流目前低至10微安。然而，如圖4圖2：石墨烯（a）和氮參雜石墨烯(b)中O1s的XPS光譜圖，其中包括O1(HO-C=O)，O2(C=O)，和O3（C-OH）。所示

14、，在氮參雜石墨烯電極中，過(guò)氧化氫的還原峰正移了400 mV的電流200 A。我們做了石墨烯和氮等離子體處理的脫乙酰殼多糖的平行實(shí)驗(yàn)，來(lái)確認(rèn)在氮參雜石墨烯電極中，氮參雜對(duì)雙氧水電催化活性的貢獻(xiàn)。對(duì)于改性石墨烯電極，我們能夠看到了一個(gè)0.21V的微弱還原峰，但是并沒(méi)有看到經(jīng)氮等離子體處理的脫乙酰殼多糖中的響應(yīng)。故結(jié)果表明石墨烯對(duì)雙氧水的高電催化活性，主要?dú)w功于氮參雜石墨烯。等離子體處理的優(yōu)化等離子體的曝光時(shí)間是調(diào)節(jié)我們目前實(shí)驗(yàn)中石墨烯特性的重要參數(shù)，因?yàn)橛米鞲男噪姌O的石墨烯殼聚糖溶液的體積，氮等離子體的功率，反應(yīng)室的壓力，溫度等條件已經(jīng)被固定了。經(jīng)0, 20, 30, 40, 60,和 100分鐘

15、等不同等離子體曝光時(shí)間處理的氮參雜石墨烯經(jīng)我們檢測(cè)有不同的電催化活性。數(shù)據(jù)圖5是用經(jīng)等離子體處理的氮參雜石墨烯作電極，得出的循環(huán)伏安法測(cè)得的5mM雙氧水的還原電流曲線圖。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)入x子體曝光時(shí)間由0增加到40分鐘時(shí)，還原電流劇烈增加，然而當(dāng)曝光時(shí)間繼續(xù)增加，還原電流卻開(kāi)始減小。根據(jù)數(shù)據(jù)圖S2（提供的信息），對(duì)應(yīng)于60和100分鐘的曝光時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)其相對(duì)于40分鐘的曝光時(shí)間曲線的背景電流低得多，這表明較長(zhǎng)的曝光可能會(huì)破壞修飾膜，并導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中在電極表面上的N摻雜石墨烯膜的破裂。最終，我們選定了40分鐘的等離子體曝光時(shí)間作為制備氮參雜石墨烯的優(yōu)選條件，并且如數(shù)據(jù)圖5b所顯示的，我們用所制得的氮參

16、雜石墨烯作為1到5mM等不同濃度的雙氧水的電化學(xué)催化劑。我們推斷，電子密度狀態(tài)和自由電子在N摻雜石墨烯中的高水平有效量促進(jìn)了過(guò)氧化氫的電化學(xué)還原，這是雙氧水電催化還原的關(guān)鍵一步，在氮參雜石墨烯表面雙氧水中O-O鍵的斷裂變得更加容易，因?yàn)榈獏㈦s引起了石墨烯中電荷的離域。N摻雜石墨烯的更好的性能，也可以歸因于圖3石墨烯（A）和N摻雜的石墨烯（B）的TEM圖像。圍繞石墨烯的費(fèi)米能級(jí)的摻雜效果和電子密度狀態(tài)（是否）的變化。氮原子摻雜進(jìn)石墨烯層中的石墨結(jié)構(gòu)可形成季N原子。因?yàn)榈颖磺度氲绞矫嬷校⑶遗c三個(gè)碳原子鍵合，季N能也被描述為“石墨氮”（GN）。碳素氮中三個(gè)價(jià)電子成鍵，第四個(gè)電子填充了P狀態(tài)

17、，并且第五個(gè)電子形成-狀態(tài)，導(dǎo)致了氮參雜石墨烯的P-參雜效應(yīng)。摻雜石墨烯中的氮原子將形成吡啶型N和吡咯型N，正如表1所示，這些類型的摻雜劑會(huì)增加費(fèi)米能級(jí)中石墨烯的劑量并且打開(kāi)石墨烯中的帶隙。 方案1.N摻雜石墨烯的示意圖?；疑珵樘荚?，藍(lán)色為氮原子，且白為氫原子。一種可能的缺陷結(jié)構(gòu)展示于球棒模型的中間。數(shù)據(jù)圖4。（a）不存在（虛線）和存在0.1M PBS 氮?dú)鈿夥諚l件下5mM雙氧水的循環(huán)伏安GCE。（b）5mM H2O2在殼聚糖電極（虛線），石墨烯電極（黑線）和N摻雜的石墨烯電極（紅線）氮?dú)怙柡偷?.1M PBS（）中的循環(huán)伏安圖。數(shù)據(jù)圖5。（a）循環(huán)伏安信號(hào)（峰值電流）與涂覆有GCE的石墨烯

18、且經(jīng)氮等離子體暴露時(shí)間的曲線圖（無(wú)等離子體處理，用等離子體處理20，40，60，和100分鐘）。（b）以氮參雜石墨烯作為電極，0.1M PBS氮?dú)怙柡偷?、不同濃度的過(guò)氧化氫（每克：1，2，3，4，5毫摩爾）溶液的循環(huán)伏安圖。掃描率是m V /S。氮參雜石墨烯在葡萄糖氧化酶的直接電化學(xué)反應(yīng)和葡萄糖生物傳感中的應(yīng)用我們用葡萄糖氧化酶（GOx）作為模型酶，來(lái)考察N摻雜石墨烯在生物傳感中的應(yīng)用，這是因?yàn)槠咸烟茄趸傅拿鸽姌O在血糖監(jiān)測(cè)中有主導(dǎo)作用。葡萄糖氧化酶是含有兩個(gè)緊密結(jié)合的黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）輔因子的同型二聚體。葡萄糖氧化酶的氧化還原峰，在共用電極材料如玻璃碳或石墨中總是難以觀察，因?yàn)镕A

19、D深深地安置在空腔，并且用于在電極表面直接電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)不容易接觸。這里，N摻雜石墨烯在用于從酶腔到電極表面的電子轉(zhuǎn)移中表明出其強(qiáng)大的能力。圖6a 給出了葡萄糖氧化酶固定在N摻雜石墨電極，石墨電極和GCE的循環(huán)伏安圖。在氮摻雜石墨烯電極上得到一種對(duì)相應(yīng)于葡萄糖氧化酶的直接電化學(xué)良好和準(zhǔn)可逆的氧化還原峰。方程1顯示了在葡萄糖氧化酶中的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。氮參雜石墨烯上的氧化還原電流峰值比石墨烯上的高，這是由于化學(xué)表面和DOEs附近費(fèi)米能級(jí)處的電子轉(zhuǎn)移更為敏感。通過(guò)使用N-摻雜，費(fèi)米電勢(shì)被改變并且N摻雜石墨烯的電子轉(zhuǎn)移效率得到加強(qiáng)。陽(yáng)極或陰極峰電流隨著掃描速度由從30變化到130mV/S，線性增加。因此，

20、我們得到陽(yáng)極或陰極的峰值電流與掃描速率之間的線性關(guān)系（圖6b），從而證明了?？怂沟腘摻雜石墨烯電極的電化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)表面控制過(guò)程。正如我們所知道的，葡萄糖氧化酶可催化葡萄糖與氧氣的氧化，伴隨生產(chǎn)葡糖酸和過(guò)氧化氫。因此，葡萄糖的生物傳感可以通過(guò)酶催化過(guò)程中檢測(cè)過(guò)氧化氫來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，圖6.（A）葡萄糖氧化酶的循環(huán)伏安圖，在氮?dú)怙柡偷牡腜BS溶液（）中，固定在N摻雜石墨烯電極（實(shí)線）和石墨烯電極（虛線）上，虛線為背景，掃描率是V/S。（B）葡萄糖氧化酶在氮?dú)怙柡偷牡腜BS溶液（）對(duì)不同的掃描速率（，mV/ S）的循環(huán)伏安法，固定在N摻雜石墨烯電極陰極（紅色線）和陽(yáng)極（黑線）的峰值電流的曲線。圖7：（

21、a）分別將葡萄糖氧化酶（GOx）固定在GCE（a），石墨烯（b），和氮參雜石墨烯（c）電極中，在，0.1M PBS（）條件下連續(xù)加入葡萄糖得到的電流時(shí)間曲線。（b）在固定有葡萄糖氧化酶的氮參雜石墨烯電極上，濃度由變化到M的葡萄糖校準(zhǔn)線性關(guān)系曲線。我們所制備的氮參雜石墨烯能夠成為一種很有前途的用于葡糖糖生物傳感的材料，正如我們之前所描述的，它已經(jīng)在雙氧水的電催化方面展現(xiàn)出來(lái)驚人的能力。如圖中7a所示，在固定有生理緩沖溶液的葡糖糖氧化酶的氮參雜石墨烯電極中，在0.15V電壓下，通過(guò)測(cè)量生物電流實(shí)現(xiàn)了葡糖糖mM（R=）。酶促N摻雜石墨烯電極在4的信號(hào)喪失后的3天后可重復(fù)使用。實(shí)驗(yàn)中的干擾排除，包括用

22、抗壞血酸（AA）的和尿酸（UA）進(jìn)行測(cè)試氮參雜石墨烯傳感平臺(tái)的選擇性。在有5mM的AA和5mM的UA存在的條件，以FOX/ N摻雜石墨烯/ AS作為電極，如圖8所示良好的葡萄糖反應(yīng)范圍是 到mM。氮參雜石墨烯用于葡萄糖傳感的很好的選擇性和靈敏度，展現(xiàn)出了其作為生物傳感材料具有很大的應(yīng)用前景。4結(jié)論總之，我們已經(jīng)提出了一個(gè)簡(jiǎn)便的方法合成N摻雜石墨烯，等離子體處理提供了一個(gè)有效的，簡(jiǎn)單，可調(diào)諧，快速制備N摻雜石墨烯的方法。所制備的N摻雜石墨烯mM的葡萄糖。此外，由于石墨烯的原子結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的許多碳材料，用等離子體處理的摻雜可能是一個(gè)從本質(zhì)上改性材料的替代方法，能用于其它碳材料如碳納米管，石墨，碳纖維和

23、多孔碳等。這項(xiàng)工作預(yù)計(jì)將打開(kāi)N摻雜石墨烯的研究一種新的可能性，推動(dòng)解決各種電化學(xué)問(wèn)題的應(yīng)用。圖8：.在的PBS（）、0.15 V條件下，固定有葡萄糖氧化酶的N摻雜石墨電極上，連續(xù)加入5mM的尿酸，5mM的抗壞血酸，的葡萄糖，的葡萄糖，葡萄糖，葡萄糖，葡萄糖，所得計(jì)時(shí)回應(yīng)。5制備方法試劑石墨粉末（，325目）購(gòu)于阿法埃莎，脫乙酰殼多糖（中分子量），過(guò)氧化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)50的水溶液），葡萄糖氧化酶（購(gòu)于Aspergillusniger，18200單元每克），葡萄糖（D-（+）-99.5）以及磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）購(gòu)自Sigma公司，KNO3, NaBH4,H2SO4, K2S2O8, P2O5,

24、KMnO4, 和HCl，均購(gòu)于北京化工公司。所有儲(chǔ)備液使用去離子水，無(wú)需進(jìn)一步純化制備。石墨烯的合成K2S2O8，和3.0g P2O5的混合物中，使用油浴將該溶液加熱至80并攪拌5小時(shí)。接著，將混合物冷卻至室溫過(guò)夜，并用離子交換水稀釋至500ml豪米的尼龍薄膜將產(chǎn)物通過(guò)過(guò)濾得到，并自然干燥。再由Hummers 和Offeman法氧化制得氧化石墨烯。將預(yù)處理石墨粉末投入0的濃硫酸（150毫升），并且25克高錳酸鉀在攪拌下逐漸加入，同時(shí)將混合物的溫度用冰浴保持在5下。接著，將混合物在35下攪拌4小時(shí)，然后用250毫升去離子水稀釋，并保持溫度在50。然后向反應(yīng)混合物中加入一升水，并且一滴一滴的加入3

25、0毫升30過(guò)氧化氫。將混合物過(guò)濾并用1:10的鹽酸水溶液（1L）洗以除去金屬離子，接著1升的去離子水洗以去除乙酸。將得到的固體在空氣中干燥，并稀釋至使氧化石墨分散液達(dá)到0.5W / W。最后，進(jìn)行滲析純化1周以除去剩余的金屬雜質(zhì)。將0.1 mg/mL的氧化石墨烯分散液在超聲清洗儀中超聲40分鐘進(jìn)行剝離。將所得均勻的黃棕色分散用于還原。向50mL 0.1 mg/mL的氧化石墨烯分散液中加入5毫升的水合肼，然后在80 C條件下攪拌24小時(shí)，可以將氧化石墨烯還原。最后，通過(guò)過(guò)濾該反應(yīng)產(chǎn)物并在真空中干燥，得到的黑色粉末的疏水性石墨烯。氮摻雜石墨烯的制備為了制備摻氮石墨，石墨烯被固定在玻碳電極表面，隨后

26、被放置在等離子體室（Harrick等離子清洗單元模型pdc-32g），這是在750毫乇的壓力下用氮?dú)馓畛?。等離子體處理功率為100 W，處理時(shí)間分別為20，40，60，和100分鐘。在氮等離子體處理后，從而獲得了氮摻雜石墨烯電極并在室溫下保存，直接用于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。表征在加速電壓為100千伏條件，用日立模型H-800透射電鏡得到透射電鏡顯微圖像。氧化石墨烯的XPS通過(guò)物理電子學(xué)量子2000掃描測(cè)試探針獲得。我們使用原子力顯微鏡（奈米級(jí)，數(shù)字儀表）得到了AFM圖像。我們用660A的電化學(xué)工作站（CH儀器，Inc，USA）進(jìn)行了循環(huán)伏安法測(cè)試，用440A的CHI（CH儀器，Inc，USA）進(jìn)行了電流

27、測(cè)量。采用了三電極系統(tǒng)，而修飾玻碳電極（GCE，直徑3mm）為工作電極，Ag/AgCl飽和KCl溶液作為參比電極，鉑絲為反電極。本文中所有電位相對(duì)于銀/氯化銀參比電極，并且電化學(xué)測(cè)量是在室溫下進(jìn)行的（25±2°C）。用Origin 7軟件進(jìn)行安培測(cè)量圖的背景差分。石墨烯修飾電極與固定化酶的制備制備分別用脫乙酰殼多糖和石墨烯/殼聚糖進(jìn)行改性的電極，進(jìn)行平行對(duì)照試驗(yàn)。將脫乙酰殼多糖溶液五微升（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5與2乙酸）或者石墨烯殼聚糖分散液（1毫克/毫升）滴到GCE的表面上。GCE通過(guò)用氧化鋁粉拋光被預(yù)清洗，然后用乙醇漂洗，并最后去離子水洗滌。脫乙酰殼多糖/ GCE電極用氮等離子

28、體以100 W的功率處理40分鐘。用于酶固定化時(shí)，將所制備的N摻雜石墨烯電極浸入10毫克/毫升的GOx、PBS在4下處理24小時(shí)，然后用PBS沖洗以除去松散吸附的GOx，并儲(chǔ)存在4用于進(jìn)一步的測(cè)量。致謝由西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）、實(shí)驗(yàn)室定向研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目支持本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作。本文研究的一部分在環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)主辦的國(guó)家科學(xué)用戶設(shè)施）進(jìn)行。生物與環(huán)境研究所的能源部辦公室位于美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL），根據(jù)海灣巴特爾合同DE-AC05-76RL01830，PNNL是為美國(guó)能源部工作。中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)20975060號(hào)），國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（編號(hào)2007CB31

29、0500）也都資助了這項(xiàng)工作。筆者很感謝M. Y.安格的XPS測(cè)量，Y.W.也很感謝來(lái)自PNNL的獎(jiǎng)學(xué)金?？捎玫闹С中畔⑼ㄟ^(guò)化學(xué)方法合成的石墨烯的AFM圖像，具有不同的氮等離子體處理時(shí)間的N摻雜石墨烯電極的循環(huán)伏安圖，和固定了葡萄糖氧化酶、在不同的掃描速率下N摻雜石墨烯電極的循環(huán)伏安圖。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在上，這些它的資料料是免費(fèi)的。參考文獻(xiàn)1. Patil, A. J.; Vickery, J. L.; Scott, T. B.; Mann, S. AqueousStabilization and Self-Assembly of Graphene Sheets intoLayered Bio-Na

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