石墨烯的非共價(jià)生物分子修飾用于自組裝構(gòu)造納米雜化結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、石墨烯(Graphene)因其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)與量子特性近年來在納米與材料科學(xué)研究領(lǐng)域備受關(guān)注，是繼C60與碳納米管之后的又一令人關(guān)注的碳納米材料，以石墨烯為基礎(chǔ)形成的納米雜化材料在諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，石墨烯片層之間存在著較強(qiáng)的π-π相互作用，難以分散在常用的溶劑中，極大地限制了其應(yīng)用。因此，對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化修飾以提高其在溶劑與基體材料中的相容性，同時(shí)賦予石墨烯一些新的功能，具有十分重要的意義。本學(xué)位論文圍繞著生物

2、分子功能化修飾氧化與還原態(tài)石墨烯這一研究主題，在此基礎(chǔ)上開展生物分子功能化的氧化與還原態(tài)石墨烯用于新型納米雜化結(jié)構(gòu)自組裝的研究。具體的研究工作如下：
　　 通過一端帶巰基的DNA對(duì)氧化與還原態(tài)石墨烯進(jìn)行非共價(jià)修飾，得到穩(wěn)定的DNA功能化修飾的氧化與還原態(tài)石墨烯溶液，在較寬pH范圍內(nèi)以及較高的鹽濃度條件下仍然呈良好的分散狀態(tài)，為進(jìn)一步的組裝研究創(chuàng)造了條件。在DNA非共價(jià)修飾還原態(tài)石墨烯的過程中，我們發(fā)展了三種可行的修飾方法以減小修

3、飾過程給DNA帶來的破壞作用(DNA的肼解)，對(duì)基于DNA雜交反應(yīng)的石墨烯自組裝研究具有重要的價(jià)值。在上述DNA功能化修飾氧化和還原態(tài)石墨烯的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步利用DNA一端修飾的巰基與金納米粒子之間的特異結(jié)合作用組裝出水溶性好、穩(wěn)定性高的金屬/石墨烯納米雜化結(jié)構(gòu)，并通過瓊脂糖凝膠電泳對(duì)組裝產(chǎn)物進(jìn)行了純化和表征。我們使用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察與表征，證實(shí)了金納米粒子被成功地組裝到氧化與還原態(tài)石墨烯的表面。這種利用DN

4、A組裝石墨烯/金屬納米雜化結(jié)構(gòu)的方法操作簡(jiǎn)便，能夠很好地克服納米粒子的合成與雜化結(jié)構(gòu)的組裝兩個(gè)過程之間可能存在的不相容性，所制備的石墨烯/金納米粒子雜化組裝材料在電子、光學(xué)、催化與生物傳感器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　 蛋白質(zhì)在固體表面的吸附是一種普遍的物理化學(xué)現(xiàn)象，研究蛋白質(zhì)與石墨烯的相互作用有著重要的意義。牛血清白蛋白(BSA)分子由于其含有21個(gè)具有還原性的酪氨酸殘基可作為一種優(yōu)良的還原劑。在常溫下，我們利用BSA對(duì)氧

5、化石墨烯進(jìn)行非共價(jià)功能化修飾，得到了BSA功能化修飾的氧化石墨烯；在強(qiáng)堿性和較高的溫度下，BSA較強(qiáng)的還原性可以將氧化石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài)石墨烯，從而得到穩(wěn)定分散的功能化石墨烯水溶液。這種制備還原態(tài)石墨烯的方法以蛋白質(zhì)分子作為還原劑與修飾分子，還原與修飾過程一步完成，是一種環(huán)境友好的制備還原態(tài)石墨烯的新方法。得益于蛋白分子與生俱來的超強(qiáng)吸附性能，我們發(fā)現(xiàn)，修飾在氧化與還原態(tài)石墨烯表面的蛋白質(zhì)分子能夠像“萬能膠水”一樣吸附多種金屬和非金屬納

6、米粒子，如金、鉑、銀、鈀以及Latex納米小球，形成相應(yīng)的水溶性納米雜化結(jié)構(gòu)。使用AFM、透射電鏡(TEM)以及掃描電鏡(SEM)對(duì)組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的表征，證實(shí)了這種組裝手段的高效應(yīng)和可控性。由于石墨烯表面呈現(xiàn)一定程度的惰性，如何將性質(zhì)差異很大的不同功能納米材料同時(shí)組裝在石墨烯的表面，制備出高度分散、組成和結(jié)構(gòu)可控的石墨烯/納米粒子雜化結(jié)構(gòu)，對(duì)于研究材料的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性，發(fā)展性能導(dǎo)向的組合材料篩選方法具有極其重要的意義。本論文的研究