石墨烯的非共價生物分子修飾用于自組裝構造納米雜化結構的研究.pdf

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

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構自組裝的研究。具體的研究工作如下：
　　 通過一端帶巰基的DNA對氧化與還原態(tài)石墨烯進行非共價修飾，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范圍內以及較高的鹽濃度條件下仍然呈良好的分散狀態(tài)，為進一步的組裝研究創(chuàng)造了條件。在DNA非共價修飾還原態(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)，對基于DNA雜交反應的石墨烯自組裝研究具有重要的價值。在上述DNA功能化修飾氧化和還原態(tài)石墨烯的基礎上，我們進一步利用DNA一端修飾的巰基與金納米粒子之間的特異結合作用組裝出水溶性好、穩(wěn)定性高的金屬/石墨烯納米雜化結構，并通過瓊脂糖凝膠電泳對組裝產(chǎn)物進行了純化和表征。我們使用原子力顯微鏡(AFM)對組裝結構進行了觀察與表征，證實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/金屬納米雜化結構的方法操作簡便，能夠很好地克服納米粒子的合成與雜化結構的組裝兩個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、催化與生物傳感器等領域有著廣闊的應用前景。
　　 蛋白質在固體表面的吸附是一種普遍的物理化學現(xiàn)象，研究蛋白質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對氧

5、化石墨烯進行非共價功能化修飾，得到了BSA功能化修飾的氧化石墨烯；在強堿性和較高的溫度下，BSA較強的還原性可以將氧化石墨烯轉變?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，形成相應的水溶性納米雜化結構。使用AFM、透射電鏡(TEM)以及掃描電鏡(SEM)對組裝結構進行了系統(tǒng)的表征，證實了這種組裝手段的高效應和可控性。由于石墨烯表面呈現(xiàn)一定程度的惰性，如何將性質差異很大的不同功能納米材料同時組裝在石墨烯的表面，制備出高度分散、組成和結構可控的石墨烯/納米粒子雜化結構，對于研究材料的結構-性能相關性，發(fā)展性能導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