氮掺杂三维石墨烯的中的应用制备及其在多巴胺传感

氮掺杂三维石墨烯的中的应用制备及其在多巴胺传感摘 要近年来，三维石墨烯及其复合材料被广泛应用于电化学传感器中。由于三维石墨烯具有较高的比表面积、良好的导电性及电化学窗口，使得基于三维石墨烯的电化学传感器对多种重要的生物分子（如H2O2，葡萄糖，多巴胺等）的检测具有较好的性能。与本征的三维石墨烯相比，氮掺杂三维石墨烯具有更高的电子转移效率以及更好的生物相容性，因而在生物分子的检测方面有着更好的应用前景。本论文用化学气相沉积法制得了氮掺杂三维石墨烯，通过控制生长参数，得到了掺杂量最大（5.98 %）的氮掺杂三维石墨烯。将制得的氮掺杂三维石墨烯应用于多巴胺的检测，表现出了良好的性能。通过与环糊精的复合，这种基于氮掺杂三维石墨烯的电极对多巴胺的灵敏度高达5468.6 A mM1cm2，线性范围为10140 M。这种氮掺杂三维石墨烯在其他生物分子的电化学传感中可能也具有较好的应用前景。关键词：氮掺杂三维石墨烯；化学气相沉积；环糊精；多巴胺；高灵敏度传感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 录第一章 绪论11.1 氮掺杂三维石墨烯简介11.1.1 三维石墨烯简介11.1.2 氮掺杂三维石墨烯简介21.2 氮掺杂三维石墨烯的制备方法31.2.1 还原氧化石墨烯法31.2.2 化学气相沉积法31.3 氮掺杂三维石墨烯的表征方法41.3.1 扫描电子显微镜41.3.2 拉曼光谱41.3.3 X射线光电子能谱61.4 氮掺杂三维石墨烯的应用简介71.5 论文选题与研究思路8第二章 氮掺杂三维石墨烯的制备102.1 基本仪器与原理102.1.1 实验仪器与材料102.1.2 CVD法制备氮掺杂三维石墨烯的原理102.2 氮掺杂三维石墨烯的CVD法制备112.2.1 生长112.2.2 刻蚀和清洗112.3 氮掺杂三维石墨烯的表征112.3.1 扫描电子显微镜112.3.2 拉曼光谱122.3.3 X射线光电子能谱132.4 氮掺杂三维石墨烯生长条件的优化142.4.1 氢气在氮掺杂三维石墨烯生长过程中的作用142.4.2 氨气流量对掺杂量的影响162.4.3 温度对氮掺杂的影响172.4.4 降温过程对氮掺杂的影响18第三章 氮掺杂三维石墨烯在多巴胺传感中的应用193.1 绪论193.1.1 多巴胺193.1.1.1 多巴胺简介193.1.1.2 电化学测定多巴胺的研究进展203.1.2 环糊精203.1.2.1 环糊精简介203.1.2.2 环糊精的应用203.2 环糊精/氮掺杂三维石墨烯复合材料电极的制备及其传感机理213.2.1 复合材料电极的制备213.2.2 复合材料的表征213.2.3 复合材料的传感机理223.3 环糊精/氮掺杂三维石墨烯复合材料的多巴胺传感性能233.3.1 氮掺杂三维石墨烯复合材料的优势233.3.2 复合材料对不同浓度的多巴胺的响应233.3.3 电极反应的控制过程研究233.3.4 pH对传感性能的影响25第四章 总结与展望26结论27参考文献28致谢33第一章 绪论1.1 氮掺杂三维石墨烯简介1.1.1 三维石墨烯简介石墨烯作为一种新型的碳材料，具有优异的电学、热学、光学特性以及良好的结构柔性，这得益于其独特而完美的二维蜂窝状晶体结构1, 2。例如，石墨烯具有超高的载流子迁移率（200000 cm2 V1 s1）、 1 TPa的机械强度、很好的柔韧性和近20 %的伸展率、超高热导率（5000 W/mK）、很好的透光性（ 97.7 %）、高达2630 m2/g的比表面积37。这些优异的物理性质使石墨烯在超级电容器、高性能晶体管、超强和高导复合材料、柔性透明电极、锂离子电池以及传感器等方面展现出巨大的应用潜力712。自2004年以来，科学家们已发展出多种制备石墨烯的方法，包括机械剥离法、SiC或金属单晶表面外延生长法、化学氧化剥离法以及化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）法等3, 1316。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈杰姆和克斯特亚诺沃肖洛夫用机械剥离法首次从石墨中得到了石墨烯3。在此之前，物理学家曾一度认为，石墨烯仅仅是一种存在于理论中的物质，在现实中不可能稳定存在。作为首个在实验室中制得石墨烯的方法，机械剥离法此后被广泛用于石墨烯的研究中，同时它也极大的促进了石墨烯领域的发展。然而，受自身的限制，机械剥离法无法用于大量制备石墨烯。因此，科学家们发展了多种大量制备石墨烯的方法。然而，这些方法制得的石墨烯往往都为片状，使得体积比表面积较小，不利于石墨烯在电化学储能、催化、传感等领域的应用。为了弥补二维石墨烯的不足，科学家们提出了多种构筑具有三维网状结构的石墨烯的方法。2011年，中科院金属所的成会明研究组首次以金属泡沫作为生长基体采用CVD方法成功制备出了高质量的三维石墨烯17。这种三维石墨烯材料兼具三维网络结构和石墨烯独特的物理性质，不仅具有较低的密度、一定的孔隙率和比表面积，而且还具有优异的电学、热学和力学性能，它拓展了石墨烯的物性和应用领域。因此，这种CVD法制得的三维石墨烯受到了广泛的关注。它被广泛地应用于柔性器件、导热、电磁屏蔽、超级电容器、催化、生物传感器等领域1723。2013年，浙江大学高超研究组采用氧化石墨烯制备出石墨烯气凝胶24。这种新型的石墨烯气凝胶是世界上最轻的固体材料。这种用氧化石墨烯制得的三维石墨烯具有更大的孔隙率和比表面积，因而在吸附以及能量存储领域中有着更好的应用。随着三维石墨烯的制备方法的不断拓展，它的应用范围也越来越广，已经涉及到复合材料、传感、药物检测、吸附、燃料电池、染料敏化太阳能电池、锂离子电池、锂空气电池以及超级电容器等众多领域。1.1.2 氮掺杂三维石墨烯简介由于氮原子具有与碳原子近似的原子半径，因而它可以作为电子给体取代石墨烯晶格中的碳原子，从而得到氮掺杂石墨烯。相比本征的石墨烯，氮掺杂石墨烯具有完全不同的性质。随着氮原子的引入，石墨烯中碳原子的自旋密度以及电荷分布情况会受到相邻氮原子的影响，从而在石墨烯表面产生活性位点，这些活性位点可以催化各种反应的进行。此外，单层石墨烯经过氮掺杂以后，石墨烯的费米能级会高于狄拉克点，费米能级附近的态密度会受到抑制；与此同时，石墨烯导带与价带之间的带隙也会打开，这使得氮掺杂石墨烯有望用于半导体器件中。氮掺杂石墨烯表现出诸多优良的性能，在场效应晶体管、传感器、超级电容器、锂离子电池、燃料电池等领域的应用前景十分广阔25。随着三维石墨烯研究的不断深入，科学家们发现，本征的三维石墨烯活性位点较少，这不利于它在电池、传感器以及超级电容器中的应用。因此，科学家们提出将氮原子引入三维石墨烯的晶格中，制成氮掺杂三维石墨烯，从而提高三维石墨烯表面的活性位点。氮掺杂三维石墨烯兼具氮掺杂石墨烯以及三维石墨烯的优势，因此在某些领域比本征的三维石墨烯具有更好的应用前景。2012年，清华大学的石高全课题组用吡咯作为氮源与氧化石墨烯混合制得了氮掺杂三维石墨烯，并将其应用于吸附、超级电容器以及催化氧化还原反应中，这种氮掺杂三维石墨烯在这些应用中表现出了良好的性能26。2013年，温州医科大学的瞿佳研究组通过在CVD法生长三维石墨烯的过程中引入氨气，制备出了氮掺杂三维石墨烯，这种氮掺杂三维石墨烯对氧化还原反应具有更好的电催化活性27。与之前的方法相比，这种方法更加简便，这极大的推进了氮掺杂三维石墨烯的研究。相比本征的三维石墨烯而言，氮掺杂三维石墨烯具有更多的活性位点以及更高的电子传导效率，它在吸附、超级电容器、催化以及染料敏化太阳能电池中表现出了较好的性能26, 28。氮掺杂三维石墨烯的制备极大的拓宽了三维石墨烯的应用，因而受到了科学家们的广泛关注。制备氮掺杂三维石墨烯的方法通常有还原氧化石墨烯法和CVD法。1.2 氮掺杂三维石墨烯的制备方法1.2.1 还原氧化石墨烯法氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物。可将氧化石墨烯视为一种非传统型态的软性材料，它具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。通常的制备氧化石墨烯的方法是将石墨氧化从而得到含有多种含氧基团的氧化石墨烯，因而这种氧化石墨烯具有良好的亲水性。将这种氧化石墨烯分散在水中形成凝胶，冷冻干燥后还原，或者还原后冷冻干燥，便可得到三维石墨烯。如果在还原的过程中使用含氮的还原剂，或者在含氮的气氛中高温还原，便可制得氮掺杂三维石墨烯。在含氮的溶液或气相中还原后，氧化石墨烯表面的官能团往往都会转化为含氮的官能团，由于开始时氧化石墨烯的表面通常具有较多的官能团，所以还原氧化石墨烯法制得的氮掺杂三维石墨烯的含氮量相对较高。1.2.2 化学气相沉积法在石墨烯的多种制备方法中，化学气相沉积（CVD）法被广泛用于高质量石墨烯的制备。通过在CVD生长石墨烯的过程中引入氮源，便可制得氮掺杂石墨烯。在CVD法制备氮掺杂石墨烯的过程中，通过控制氮源与碳源的比例，可以对生成的氮掺杂石墨烯中的氮原子的含量进行控制。然而，并不是所有含氮的物质都可作为氮源，研究表明，当把丙烯腈用作氮源时，无法得到氮掺杂石墨烯；而氨气、吡啶、乙腈作为氮源时便可获得氮掺杂石墨烯25。因此，通过在CVD法生长三维石墨烯的过程中引入合适的氮源，便可制得氮掺杂三维石墨烯27。通过控制生长时氮源与碳源的比例，还可以对生成的氮掺杂三维石墨烯中的氮原子含量进行控制，而还原氧化石墨烯法往往难以实现这一点。此外，相比还原氧化石墨烯法，CVD法制得的氮掺杂三维石墨烯表面含有的含氧基团（羧基、羟基等）更少，因而它具有更好的电子传导能力以及更高的稳定性。1.3 氮掺杂三维石墨烯的表征方法1.3.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（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优点。在扫描电子显微镜中，电子束被聚焦形成一个很小的电子探针，然后扫描样品的整个表面。初始的电子与样品相互作用后会产生二次电子，收集这些二次电子进而成像，便可获得样品表面形貌的三维信息。SEM的分辨率是由电子探针的直径以及探针与样品之间的相互作用体积决定的。在石墨烯的研究中，SEM通常被用于表征用CVD法在导电基底上生长的石墨烯。SEM通常还配有额外的检测器，例如能量色散X射线分析（energy-dispersive X-ray analysis, EDX），它可以对样品进行元素分析。利用EDX，可以获得掺杂石墨烯表面的元素信息。SEM是一种简单通用的技术。在氮掺杂三维石墨烯的研究中，它主要用于获得氮掺杂三维石墨烯的形貌信息。利用特殊的检测器（EDX检测器），还可以获得氮掺杂三维石墨烯表面的元素分布。图1.1. （a）三维石墨烯的SEM图17；（b）硼氮掺杂三维石墨烯的碳元素EDX mapping图27。1.3.2 拉曼光谱拉曼光谱是一种对激光与样品相互作用产生的非弹性散射（单色光）进行检测的光谱技术。进行拉曼测试时，样品（固体、液体或者气体）被可见、近红外以及紫外光光源照射。散射光经过透镜系统和分光光度计后被检测器收集，从而获得样品的拉曼光谱。单色光光子的频率在与样品发生相互作用之后会发生改变。在这个过程中，样品吸收入射光子，然后重新发射频率相同或者不同的光子。大部分散射光都与入射光的频率相同，因此，这种类型的散射光很强，它被称为瑞利（弹性）散射。另一种散射是非弹性的，即散射光的频率会发生改变，这种类型的散射被称为拉曼散射。拉曼散射很弱（约为入射光的105 %）。拉曼散射还分为两种类型，即散射光频率降低的斯托克斯散射和散射光频率升高的反斯托克斯散射。这些特征（拉曼）位移提供了样品振动、转动以及其它低频变化等有用信息32。拉曼光谱在石墨材料的结构表征方面起到了很重要的作用2931。对于所有基于碳的材料（如富勒烯、石墨、石墨烯等）来说，拉曼光谱只在1000 2000 cm1光谱区域内表现出少数重要的振动模式。对于石墨烯来说，最突出的拉曼特性就是所谓的G峰和2D峰（如图1.2），图1.2展示了激发光源为442 nm时石墨烯和石墨的典型拉曼光谱32。图1.2 （a）442 nm的激光下，石墨烯和石墨的拉曼光谱，图中显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。通常情况下，石墨烯的样品都很小，大部分的拉曼测试都需要在光学显微镜的辅助下完成，因此激光共聚焦拉曼就显得至关重要。相比普通的拉曼光谱仪，激光共聚焦拉曼可以更好地定位基底表面的石墨烯样品。由于氮掺杂三维石墨烯的表面起伏很大，并且其中氮掺杂石墨烯构成的骨架结构所占的体积很小，因而常规的拉曼光谱难以对其进行表征。而激光共聚焦拉曼可以简单快速的找到三维结构中的氮掺杂石墨烯并对其进行表征。因此，激光共聚焦拉曼对于氮掺杂三维石墨烯的表征至关重要。总而言之，在氮掺杂三维石墨烯的表征中，激光共聚焦拉曼是一种强有力的手段，它可以快速无损的获得氮掺杂三维石墨烯的结构信息。此外，通过D峰的强弱还可以初步判断氮掺杂三维石墨烯中掺杂的氮原子量的多少。1.3.3 X射线光电子能谱XPS（X-ray photoelectron spectroscopy）是研究石墨烯氮掺杂效果的标准方法。在氮掺杂石墨烯的XPS能谱中，400 eV和284 eV的峰分别对应于N 1S和C 1s。N 1s和C 1s峰强度的比值决定了氮掺杂石墨烯中氮原子的含量。此外，N 1s峰还可以用来确定氮的组态。在氮掺杂石墨烯的研究中，N 1s峰可以被分成几个独立的子峰：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，这些类型的氮的峰位都有所不同。Reddy等报道，吡咯氮的位置在401.2 eV33，然而Li等则指出季氨氮的位置在401.1 eV34。氮的峰位改变是由于氮所处的环境不同35。氮所带的电荷以及它相邻的原子还有它离子化以后电子的再分配都会影响不同氮的峰的精确位置。有些研究表明，除了这三种类型的氮以外，吡啶氮的氧化物相应的峰位在402.8 eV左右36, 37。图1.3 （a）石墨烯与氮掺杂石墨烯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）氮掺杂石墨烯的结构示意图37。图1.4 石墨烯氧化物、石墨烯以及氮掺杂石墨烯的C 1s峰：（a）GO；（b）GO在氩气中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。当氮原子掺杂到石墨烯中之后，C 1s的峰也会发生相应的改变34, 3841。在GO的C 1s谱中，284.5 eV左右的尖峰对应于C=C中sp2杂化的碳。更高能量处的更强的峰则对应于多种不同CO中的碳，CO键、羰基（C=O）以及羧基（O=CO）中的碳的峰分别位于286.2 eV，287.8 eV和289.2 eV。GO在Ar气中退火以后，对应于CO中的碳的峰便减小很多（如图1.4b）38。这表明退火可以移除GO中的大部分含氧官能团。如果GO中掺杂有氮原子，则CO中的碳的峰则会消失，取而代之的是一个新的更小的峰（如图1.4c）3841。Sheng等的工作表明，新的峰出现在285.8 eV以及287.5 eV，分别对应于sp2和sp3杂化的碳原子38。甚至还有人发现了更小的位于289 eV左右的峰39, 41，它对应于石墨烯表明吸附的氧气。经过氮掺杂以后，石墨烯的C 1s峰更高能量处的峰会发生改变。总而言之，通过XPS表征，可以获得氮掺杂三维石墨烯中氮原子的掺入量（氮原子与碳原子的比例）。除此之外，通过对N 1s峰和C 1s峰的分析，还可以获得更加详细的掺杂信息。1.4 氮掺杂三维石墨烯的应用简介氮掺杂三维石墨烯兼具氮掺杂石墨烯与三维石墨烯的优势：相比氮掺杂石墨烯，氮掺杂三维石墨烯具有比表面积较大以及易于操作等优势；相比本征的三维石墨烯，氮掺杂三维石墨烯具有更多的活性位点、更好的生物相容性以及更高的稳定性。由于氮掺杂三维石墨烯的种种优势，它在有机吸附、超级电容器、催化以及染料敏化太阳能电池中，都有着广泛的应用。氮掺杂三维石墨烯具有较高的电子转移效率以及生物相容性，因而有望在电化学生物传感器中有所应用。然而，关于氮掺杂三维石墨烯在电化学生物传感方面的应用还鲜有报道。因此，研究氮掺杂三维石墨烯在电化学生物传感器中的应用对拓宽氮掺杂三维石墨烯的应用范围具有重要的意义。1.5 论文选题与研究思路生物传感器是一种将特定生物分析物的浓度转换为可测量的信号的分析器件，它一般由生物识别分子（例如酶、抗体等等）和信号转换器（如电极、光转换器、压电转换器等）组成42。其中，将生物分析物的浓度转换为电信号的器件便被称为电化学生物传感器。相比其他生物传感器，电化学生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等优点。自2002年以来，碳材料在电分析以及电催化领域有着广泛的应用。例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池以及聚合物电解质膜燃料电池中具有较好的性能。与碳纳米管相比，石墨烯具有更好的电催化活性以及更高的导电性。相比其他碳材料，石墨烯还具有更高的比表面积，可以提供更多的电化学反应位点。因此，在电化学领域，石墨烯比其他碳材料具有更好的应用前景。近年来，石墨烯已被广泛地应用电化学生物传感器中。研究表明，石墨烯对一些酶（如葡萄糖氧化酶等）具有良好的电子传递，对一些生物小分子（如H2O2、NADH、乙醇等）也具有很高的催化活性。由于石墨烯优异的性质，基于石墨烯的电化学生物传感器往往具有更高的灵敏度和信噪比。2012年，新加坡南洋理工大学的张华课题组首次将三维石墨烯直接制成电极用于检测多巴胺，这种新颖的三维电极在多巴胺的电化学传感中表现出了很高的灵敏度（619.6 A mM1 cm1）和极低的检出限（25 nM）23。这是由于三维石墨烯比传统的二维石墨烯具有更高的比表面积以及更好的导电路径。由此可知，在电化学生物传感器中，三维石墨烯具有非常广阔的应用前景。2009年，中国科学院化学研究所的刘云圻课题组首次用CVD法制得了氮掺杂石墨烯，氮掺杂有效的改变了本征石墨烯的电子性质37。研究表明，氮掺杂石墨烯比本征的石墨烯具有更高的电子传导效率以及更好的生物相容性25。因此，在电化学生物传感器中，氮掺杂石墨烯比本征石墨烯具有更好的应用潜力。CVD法制备氮掺杂三维石墨烯已有报道，这种氮掺杂三维石墨烯表现了良好的电化学性能27。氮掺杂三维石墨烯有机的结合了氮掺杂以及三维结构的双重优势，在电化学生物传感器中有望表现出更加优越的性能。因此，探索氮掺杂三维石墨烯在电化学生物传感器中的应用具有重要的意义。然而，目前还很少有人探索氮掺杂三维石墨烯在电化学生物传感器中的应用。本文介绍了CVD法制备氮掺杂三维石墨烯的基本流程，并简述了氮掺杂三维石墨烯在多巴胺的电化学传感中的应用。第二章 氮掺杂三维石墨烯的制备2.1 基本仪器与原理2.1.1 实验仪器与材料化学气相沉积系统（CVD）：Thermo Scientific, Lindberg Blue M扫描电子显微镜（SEM）：Zeiss Sigma激光共聚焦拉曼光谱仪（Raman）：Reinshaw, Reinshaw inVia（532 nm）X射线光电子能谱分析仪（XPS）：Thermo Scientific, ESCALAB 250XiNi泡沫（爱蓝天高新技术材料（大连）有限公司，面密度：320 g/m2；孔隙率：95 %；PPI：110）气体：Ar，H2，CH4，NH3无水三氯化铁（化学纯）、浓盐酸（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司2.1.2 CVD法制备氮掺杂三维石墨烯的原理图2.1 CVD法在Ni基底上生长石墨烯的原理示意图43。CVD法制备氮掺杂三维石墨烯以Ni泡沫作为生长基底，Ni基底上生长石墨烯遵循渗碳/析碳机制：甲烷在高温下分解产生碳原子，生成的碳原子与Ni形成固熔体，冷却时过饱和的碳在Ni表面析出，从而形成石墨烯43（如图2.1）。传统CVD法通常以Ni箔作为生长基底，因而制得的石墨烯具有二维平面结构，而这种平面结构极大的限制了石墨烯的应用范围。而中科院金属所的成会明课题组创新性地以具有三维孔道结构的Ni泡沫作为生长基底，采用CVD法制得了具有三维孔道结构的石墨烯网络（简称三维石墨烯），拓宽了石墨烯的物性17。在三维石墨烯的生长过程中，如果在甲烷分解的过程中引入氨气，则氨气会在Ni泡沫的催化下分解生成氮原子，生成的氮原子会吸附在Ni泡沫表面的活性位点上，在冷却的过程中，这些氮原子便会与析出的碳原子结合从而形成氮掺杂石墨烯。由于生长基底是具有三维网状结构的Ni泡沫，因而得到的便是具有三维孔道结构的氮掺杂石墨烯网络（简称氮掺杂三维石墨烯）。2.2 氮掺杂三维石墨烯的CVD法制备2.2.1 生长将Ni泡沫裁剪成11 cm2的方片，取68片放入到石英舟中，将石英舟放入石英管中，拧紧石英管两端的法兰，通入气体，设定CVD炉的升温程序，开始加热。CVD生长时的气体流量与温度设定如图2.2：图2.2 CVD法生长氮掺杂三维石墨烯的气体流量与温度参数。待温度降到200 C左右时，关闭气体，松开法兰，取出石英舟。2.2.2 刻蚀和清洗待样品冷却到室温以后，将样品浸入到1 M的FeCl3溶液中，刻蚀8 h左右。待Ni基底被完全刻蚀以后，用1 M的HCl将三维石墨烯清洗45次，再用超纯水清洗45次，用PET（polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）将三维石墨烯载起，在室温下晾干。2.3 氮掺杂三维石墨烯的表征2.3.1 扫描电子显微镜图2.3为的氮掺杂三维石墨烯（刻蚀后）的SEM图，从图2.3a中以看出，CVD法生长的氮掺杂三维石墨烯具有三维网络状结构（孔径为300500 m）。从高分辨SEM图（图2.3b）中可以看出，氮掺杂三维石墨烯具有光滑的表面，但同时也具有石墨烯所特有的褶皱。图2.3 氮掺杂三维石墨烯的SEM图（a）氮掺杂三维石墨烯的骨架结构；（b）氮掺杂三维石墨烯表面的高分辨SEM图。2.3.2 拉曼光谱图2.4 （a）三维石墨烯；（b）氮掺杂三维石墨烯的拉曼光谱。图2.4为CVD法制得的本征三维石墨烯（图2.4a）和氮掺杂三维石墨烯（图2.4b）的Raman光谱图。从图2.4a中可以看出，本征的三维石墨烯基本没有缺陷（没有D峰），且层数较厚。随着氮原子的引入，氮掺杂三维石墨烯的拉曼光谱（图2.4b）中出现了缺陷，这使得位于1350 cm1的D峰出现了。同时，缺陷峰的强度与掺杂的量有关，氮含量越大时，D峰越高。因此，通过比较拉曼光谱中的D峰强度，可以粗步判断氮掺杂三维石墨烯中氮掺入量的多少。2.3.3 X射线光电子能谱图2.5 三维石墨烯的XPS图谱（a）XPS全谱；（b）C 1s峰；（c）O 1s峰；（d）N 1s峰。图2.5和图2.6分别为三维石墨烯和氮掺杂三维石墨烯的XPS能谱。对比两者可以发现，相比三维石墨烯的XPS能谱，氮掺杂三维石墨烯的能谱中N 1s峰变得更加明显。通过计算C 1s峰、N 1s峰以及N 1s峰的面积，可以精确的得出氮原子在氮掺杂三维石墨烯中所占的比例。图2.6 氮掺杂三维石墨烯的XPS图谱（a）XPS全谱；（b）C 1s峰；（c）O 1s峰；（d）N 1s峰。2.4 氮掺杂三维石墨烯生长条件的优化2.4.1 氢气在氮掺杂三维石墨烯生长过程中的作用在CVD法制备石墨烯的过程中，通常会有一个在高温下氢气流中退火的过程。这有助于除去基底表面的氧化层，此外，退火还有助于清洁表面并使表面结晶32。还有人认为，通氢气退火有助于消除一些杂质44，如硫、磷，这些杂质会引起基底中溶碳量的变化，从而不利于石墨烯的生长。因此，氢气通常被用来预处理生长基底（清洗和优化结晶）。通常是将基底在少量氢气与氩气的混合气退火一定的时间。此外，以Ni作为生长基底时，在甲烷分解的过程中，氢气的表面析出和表面结合还有助于保持Ni表面上烃的自由脱氢位点，从而有助于生长出缺陷很小的石墨烯32。图2.7 三维石墨烯的生长参数（生长过程不通氢气）。图2.8 氮掺杂三维石墨烯的生长参数（生长过程不同氢气）。综上，在Ni基底上生长石墨烯时，在退火和生长过程都需要引入氢气。因此，初步生长氮掺杂三维石墨烯的参数如图2.2。然而，按照这个参数生长氮掺杂三维石墨烯时，氮掺杂石墨烯并不能在Ni泡沫表面均匀的生长。这是由于在氮掺杂三维石墨烯的生长过程中引入了氨气，氨气在高温下分解会产生氢气，与此同时，甲烷分解也会产生氢气。以上两个分解反应都是可逆的，因此，如果反应体系中氢气过多，这不利于这两个反应的进行，从而使得Ni中溶解的C以及表面吸附的N都会降低，因而无法生长出均匀的氮掺杂三维石墨烯。在图2.2的生长参数的基础上，不断减少生长过程中氢气的流量。实验结果表明，随着氢气流量的不断减少（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.），氮掺杂石墨烯在Ni泡沫表面生长得越来越均匀。对比实验表明，即使在生长时不通氢气（参数如图2.7），也可以生长出基本没有缺陷的三维石墨烯（图2.4a为此条件下生长的三维石墨烯的拉曼图谱，从中可以看出，即使在生长时不同氢气，得到的三维石墨烯也没有缺陷）。因此，最终生长氮掺杂三维石墨烯的参数如图2.8。2.4.2 氨气流量对掺杂量的影响图2.9 氮掺入量与氨气流量的关系。有研究表明，在CVD法制备氮掺杂石墨烯的过程中，通过改变氨气的流量，可以控制氮原子的掺入量37。为了研究氨气流量对氮掺杂三维石墨烯中氮掺入量的影响，在生长氮掺杂三维石墨烯的过程中对氨气流量进行了改变（氨气流量分别为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.）。对XPS能谱计算可得氮掺入量与NH3流量的关系（图2.9）。拉曼光谱和XPS能谱都表明，当氨气流量为15 s.c.c.m.时，氮的掺入量最大：拉曼光谱中，ID/G = 0.19 : 1（如图2.4b）；对XPS结果（图2.6）进行定量分析，可得此时氮原子的比例为5.98 %。分析原因如下：在高温下氨气会在Ni泡沫的催化作用下发生分解生成氮原子，这些氮原子会在降温时与析出的碳原子结合形成氮掺杂石墨烯。因此，随着氨气流量的增大，氮的掺入量也会有所提高。然而，氨气分解生成的氮原子是吸附在Ni泡沫表面的活性位点上的，当氨气流量增大到一定程度时，过量的氨气会与氮原子发生竞争吸附，从而使得Ni泡沫表面吸附的氮原子反而有所降低，生成的氮掺杂石墨烯中氮的掺入量也会有所降低。因此，随着氨气流量的逐渐增大，氮的入量会先升高后降低，最大掺入量（5.98 %）的生长参数如图2.10。实验结果表明，当氨气流量大于15 s.c.c.m.时，得到的氮掺杂三维石墨烯也会出现不均匀的现象。分析原因如下，当氨气流量过多时，过多的氨气会占据Ni泡沫表面的活性位点，而甲烷的分解需要在这些活性位点的催化作用下才能发生，因此当氨气流量过大时则会不利于甲烷的分解，使得分解得到的碳原子的量减少，溶解在Ni中的碳原子也会减少，使得析出时无法均匀的覆盖在Ni泡沫的表面，从而使得得到的氮掺杂三维石墨烯不均匀。图2.10 氮的掺入量最大（5.98 %）时的生长参数。2.4.3 温度对氮掺杂的影响在CVD法生长的过程中，生长温度对石墨烯的形成至关重要，这是由于不同温度下，甲烷的分解情况不同。在氮掺杂三维石墨烯的生长过程中，温度不但会对甲烷的分解造成影响，而且还会对氨气的分解产生影响，从而改变氮的掺入量。为了研究生长温度对氮掺杂量的影响，做了不同生长温度（950 C、1050 C）的对比实验。对不同温度下生长得到的样品进行XPS表征，并对XPS结果进行定量分析，可得氮掺入量与生长温度之间的关系（如图2.11）。结果表明，在1000 C下生长时，氮的掺入量最大。分析原因如下：氨气的分解是在Ni的催化作用下在一定温度的条件才能进行，如果温度较低，会使得氨气分解得到的氮原子变少，从而使得氮的掺入量降低。而分解生成的氮会吸附在Ni的表面，与Ni中析出结合，从而形成氮掺杂石墨烯。因此如果温度过高，则会克服氮原子在Ni表面的吸附能，虽然说氨气分解得到的氮原子增多，但是吸附在Ni表面形成氮掺杂石墨烯的氮原子的量反而有所降低，从而使得氮的掺入量还是有所降低。因此，当温度合适时，既使得氨气分解得到的氮原子较多，又不影响氮原子在Ni表面的吸附，才能得到掺入量最大的氮掺杂石墨烯。图2.11 氮掺杂入量与生长温度的关系。2.4.4 降温过程对氮掺杂的影响图2.12 降温时通氨气的生长参数。为了研究降温过程对氮掺杂三维石墨烯生长的影响，进行了对比实验，即在降温过程中也通入了氨气。对样品进行XPS表征，并对结果进行定量分析，结果表明，得到的氮掺杂三维石墨烯的氮掺入量反而有所降低（为5.31 %）。分析原因如下：在降温的过程中，1000 C下分解得到的氮原子会吸附在Ni表面的活性位点上，进而与表面析出的碳原子结合形成氮掺杂石墨烯。因此，吸附的氮原子越多，得到的氮掺杂石墨烯中氮的掺入量便越大。而如果在降温时也通入氨气，则过多的氨气会占据Ni表面的活性位点，从而使得Ni表面吸附的氮原子减少，进而使得得到的氮掺杂三维石墨烯的氮掺入量有所降低。第三章 氮掺杂三维石墨烯在多巴胺传感中的应用3.1 绪论3.1.1 多巴胺3.1.1.1 多巴胺简介多巴胺是人体的一种重要的神经传导物质，它参与了多种生命过程。在许多研究和应用领域多巴胺都受到了广泛的关注，人们开始着眼于研究多巴胺的化学结构、作用机理等并将其应用于疾病的治疗以及对生物行为的影响等方面45。多巴胺（dopamine, DA），分子式为C6H3(OH)2CH2CH2NH2，化学式为 C8H11NO2，化学名称为4（2乙胺基）苯1，2二酚，摩尔质量为153.178 g/mol，在水中的溶解度为60.0 g/100 mL （25 C）。多巴胺是一种在脑垂体腺和下丘脑中的一种重要的儿茶酚胺类神经递质，在去甲肾上腺素、中枢多巴胺能神经末梢以及被外周植物神经系统所支配的许多组织中，多巴胺都广泛存在，它是中枢神经系统的神经递质之一。它对加大心脏输出、提高动脉血压和脑血管的扩张等诸多方面都有重要的作用45。图3.1 多巴胺的结构式。在哺乳动物和人类中枢神经系统中，DA是一种十分重要的神经递质，在人脑中某些特定区域多巴胺的含量分布直接或间接对神经活动和垂体内分泌性能产生影响，甚至导致一些疾病的产生，在健康和疾病的控制、预防中起着重要的作用。一些脑功能如学习和记忆的形成正是由于它的含量的改变而导致的。研究表明，形觉剥夺性近视眼与视网膜中的多巴胺神经元及其受体有关。此外，多巴胺具有兴奋心脏、增加肾血流量的功能，可用于治疗失血性、心源性及感染性休克45。3.1.1.2 电化学测定多巴胺的研究进展DA作为一种十分重要的神经递质，不仅参与哺乳动物体内信息的传递，而且还与很多病症的产生有着息息相关的联系，如多动症、亨丁顿舞蹈症和帕金森病等。因此，建立一种快速、便捷而又精确的分析方法在日常检测分析中是十分必要的。在生物和医学领域，DA的测定一直是研究热点，也是脑神经化学的重要研究内容之一45。目前，对于DA的测定，方法有很多，如化学发光法、滴定法、电化学法、分光光度法、液相色谱法、气相色谱法、荧光光度法等。其中，电化学方法具有选择性好、制作简便、灵敏度高等优点，因此被广泛的应用于DA的测定中45。3.1.2 环糊精环糊精属于第二代超分子主体化合物，具有许多特有的性质，自从发现以来一直受到研究者的青睐，尤其环糊精的研究最多，应用最广泛46。3.1.2.1 环糊精简介环糊精（cyclodextrin, CD）是由多个D吡喃葡萄糖单元通过1,4糖苷键连接起来的环状分子，其外形呈锥形的圆筒环状结构，环糊精结构由环状低聚糖组成，应用最广的是含有6、7、8个葡萄糖的环糊精，分别称为、环糊精，每个葡萄糖单元的2，3，6位羟基位置不同，2，3位仲羟基位于葡萄糖环的一侧，6位伯羟基位于环的另一侧，所以体现出不同的功能和作用。由于环糊精具有内疏水外亲水的内腔结构，适合主客体包合，所以可以与许多客体分子形成包合物，一般形成环糊精包合物需要将客体包嵌在环糊精内腔中，被包嵌的分子尺寸适合环糊精的空腔结构，并且要求有很高的密度。环糊精空腔结构较小，适合包合的客体分子较少，环糊精适合包合较大尺寸的客体分子，而环糊精包合选择性较广，所以最为常用，环糊精可以和许多物质产生包合，包括中药提取成分、有机化合物等46。3.1.2.2 环糊精的应用环糊精应用较广泛，涉及到食品、药物、化工、日用品、环境保护、农业等领域，可用作稳定剂、乳化剂、抗氧化剂、增溶剂等，尤其在药物释放、色谱手性分离、化合物的固载、增溶、化合物的转运、香水的释放方面等应用较多46。在生物传感器中，环糊精也有着广泛的应用。由于环糊精独特的环状结构，使得它的内腔可以选择性的识别某些生物小分子，并催化这些小分子进行氧化还原反应，它在生物传感器可以起到生物识别的作用46。3.2 环糊精/氮掺杂三维石墨烯复合材料电极的制备及其传感机理3.2.1 复合材料电极的制备将洗干净的氮掺杂三维石墨烯泡沫转移到10 mL的环糊精饱和溶液中，超声30 min。用PET将其载起，在室温下晾干。用导电银胶将铜线与复合材料粘结起来，再用中间打有圆孔（直径4.5 mm）的绝缘胶带覆盖复合材料的表面（控制电极的面积），最后用环氧树脂AB胶将表面的导电银胶完全覆盖（防止测试时出现银氧化还原峰的干扰），待环氧树脂完全干了以后，环糊精/氮掺杂三维石墨烯复合材料电极（简称为CD3DNG）便制作完成。三维石墨烯、环糊精/三维石墨烯复合材料以及氮掺杂三维石墨烯也用相似的方法制成电极，为了叙述的方便，分别称之为3DG、CD3DG以及3DNG。3.2.2 复合材料的表征为了确定环糊精在石墨烯表面的吸附情况，对四种材料进行了高分辨SEM表征，如图3.2。从图中可以看出，三维石墨烯（图3.2a）以及氮掺杂三维石墨烯（图3.2c）的表面非常光滑，而在环糊精的饱和溶液中超声之后，可以看到它们的表面覆盖了一层环糊精，而且环糊精在氮掺杂三维石墨烯（图3.2d）的表面比在三维石墨烯（图3.2b）表面覆盖的更加均匀。这表明，氮掺杂三维石墨烯与环糊精具有良好的亲和作用，可以很好的形成复合，这有利于电极性能的提高。图3.2 高分辨SEM图（a）三维石墨烯；（b）环糊精/三维石墨烯；（c）氮掺杂三维石墨烯；（d）环糊精/氮掺杂三维石墨烯。3.2.3 复合材料的传感机理将CD3DNG用于多巴胺的电化学传感中，CD的内腔可以识别多巴胺分子，并催化其进行氧化还原反应；而氮掺杂三维石墨烯在其中起到了信号转换的作用，由于氮掺杂三维石墨烯具有极高的电子传导效率，它可以将多巴胺氧化还原过程中的得失电子信息快速高效的传递给电化学工作站。此外，氮掺杂三维石墨烯与环糊精具有良好的亲和作用，这使得环糊精可以均匀的覆盖在氮掺杂三维石墨烯表面，从而进一步提高电极的传感性能。3.3 环糊精/氮掺杂三维石墨烯复合材料的多巴胺传感性能3.3.1 氮掺杂三维石墨烯复合材料的优势图3.3 四种电极在80 M DA的PBS（phosphate buffered saline，磷酸盐缓冲液）（pH = 7.4）中的循环伏安图，扫速为50 mV/s。选用三电极系统，将制得的三维电极作为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极（saturated calomel electrode, SCE）作为参比电极。分别对3DG、3DNG、CD3DG以及CD3DNG在80 M DA的PBS（pH=7.4）中进行循环伏安法扫描。扫描电位为0.1 +0.4 V，扫描速率为50 mV/s。图3.3为各电极在80 M DA的PBS（pH = 7.4）中的循环伏安图。从图中可以看出，CD3DNG的峰电流是3DG的9倍，这说明CD3DNG具有较好的催化能力和促进电子传导能力。相比CD3DG，CD3DNG的峰电流更高，这说明CD与3DNG具有更好的协同作用，使得峰电流进一步提高。总而言之，由于氮掺杂三维石墨烯优异的电子传导能力以及生物相容性，CD3DNG对多巴胺表现出来良好的传感性能。3.3.2 复合材料对不同浓度的多巴胺的响应在循环伏安法测定下，测得的峰电流与多巴胺的浓度在10140 M范围内呈线性关系相关。在本实验中，对多巴胺溶液的20个浓度进行测定，并对结果进行分析，绘制出多巴胺在循环伏安法测定下其峰电流随浓度的变化的标准曲线（如图3.4b）。经拟合表明，多巴胺的浓度从10 M140 M与峰电流呈良好的线性关系。其线性方程：ipa (A) = 4.8723 + 0.8695 CDA (M)，相关系数R = 0.9965。经计算得，灵敏度为5468.6 A mM1cm2。图3.4 （a）CD3DNG电极在不同浓度DA的PBS（pH = 6.0）中的循环伏安曲线，扫速为100 mV/s；（b）峰电流与多巴胺浓度呈线性相关。3.3.3 电极反应的控制过程研究图3.5 （a）CD3DNG在80 M DA的PBS（pH = 7.4）中不同扫速下的的循环伏安曲线；（b）峰电流与扫速的平方根成线性相关。对CD3DNG在80 M DA的PBS（pH = 7.4）中在不同扫速（40300 mV/s）下进行循环伏安扫描，经拟合后发现，峰电流与扫描速度的平方根成线性相关（如图3.5b）。这表明电极反应是扩散控制的，这是由于三维电极独特的三维结构造成的，三维网状结构使得扩散过程成为决速步。3.3.4 pH对传感性能的影响研究表明，改变溶液的pH值，会影响同一浓度溶液峰电流的大小，这是由于pH值对电化学反应的影响很大。在进行电化学测试时，溶液的pH值是一个十分重要的条件。因此测试一般在缓冲液中进行，这是为了使溶液的pH值保持一定，从而使测得的结果更加可靠。对CD3DNG在不同pH的40 M DA溶液中进行循环伏安扫描，结果如图3.6a。从图中可以看出，当pH为6.0时，氧化峰与还原峰的峰形最相近，这表明在此pH下，CD3DNG对DA的响应最好。图3.6 （a）CD3DNG在不同pH的40 M