石墨烯的非共价生物分子修饰用于自组装构造纳米杂化结构的研究分析化学专业论文.docxVIP

摘要摘要 摘要 摘要 石墨烯(Graphene)因其独特的力学、电学性质与量子特性近年来在纳米与 材料科学研究领域备受关注，是继C60与碳纳米管之后的又一令人关注的碳纳米 材料，以石墨烯为基础形成的纳米杂化材料在诸多领域都有着广阔的应用前景。 然而，石墨烯片层之间存在着较强的栅相互作用，难以分散在常用的溶剂中， 极大地限制了其应用。因此，对石墨烯进行功能化修饰以提高其在溶剂与基体材 料中的相容性，同时赋予石墨烯一些新的功能，具有十分重要的意义。本学位论 文围绕着生物分子功能化修饰氧化与还原态石墨烯这一研究主题，在此基础上开 展生物分子功能化的氧化与还原态石墨烯用于新型纳米杂化结构自组装的研究。 具体的研究工作如下： 通过一端带巯基的DNA对氧化与还原态石墨烯进行非共价修饰，得到稳定 的DNA功能化修饰的氧化与还原态石墨烯溶液，在较宽pH范围内以及较高的 盐浓度条件下仍然呈良好的分散状态，为进一步的组装研究创造了条件。在DNA 非共价修饰还原态石墨烯的过程中，我们发展了三种可行的修饰方法以减小修饰 过程给DNA带来的破坏作用(DNA的肼解)，对基于DNA杂交反应的石墨烯 自组装研究具有重要的价值。在上述DNA功能化修饰氧化和还原态石墨烯的基 础上，我们进一步利用DNA一端修饰的巯基与金纳米粒子之间的特异结合作用 组装出水溶性好、稳定性高的金属／石墨烯纳米杂化结构，并通过琼脂糖凝胶电 泳对组装产物进行了纯化和表征。我们使用原子力显微镜(AFM)对组装结构 进行了观察与表征，证实了金纳米粒子被成功地组装到氧化与还原态石墨烯的表 面。这种利用DNA组装石墨烯／金属纳米杂化结构的方法操作简便，能够很好地 克服纳米粒子的合成与杂化结构的组装两个过程之间可能存在的不相容性，所制 备的石墨烯／金纳米粒子杂化组装材料在电子、光学、催化与生物传感器等领域 有着广阔的应用前景。 蛋白质在固体表面的吸附是一种普遍的物理化学现象，研究蛋白质与石墨烯 的相互作用有着重要的意义。牛血清白蛋白(BSA)分子由于其含有21个具有 还原性的酪氨酸残基可作为一种优良的还原剂。在常温下，我ff]N用BSA对氧 化石墨烯进行非共价功能化修饰，得到了BSA功能化修饰的氧化石墨烯；在强 碱性和较高的温度下，BSA较强的还原性可以将氧化石墨烯转变为还原态石墨 烯，从而得到稳定分散的功能化石墨烯水溶液。这种制备还原态石墨烯的方法以 蛋白质分子作为还原剂与修饰分子，还原与修饰过程一步完成，是一种环境友好 的制备还原态石墨烯的新方法。得益于蛋白分子与生俱来的超强吸附性能，我们 摘要发现，修饰在氧化与还原态石墨烯表面的蛋白质分子能够像“万能胶水”一样吸 摘要 发现，修饰在氧化与还原态石墨烯表面的蛋白质分子能够像“万能胶水”一样吸 附多种金属和非金属纳米粒子，如金、铂、银、钯以及Latex纳米小球，形成相 应的水溶性纳米杂化结构。使用AFM、透射电镜(TEM)以及扫描电镜(SEM) 对组装结构进行了系统的表征，证实了这种组装手段的高效应和可控性。由于石 墨烯表面呈现一定程度的惰性，如何将性质差异很大的不同功能纳米材料同时组 装在石墨烯的表面，制备出高度分散、组成和结构可控的石墨烯／纳米粒子杂化 结构，对于研究材料的结构一性能相关性，发展性能导向的组合材料筛选方法具 有极其重要的意义。本论文的研究工作为这些问题的部分解决提供了一种可参考 的途径。 关键词：石墨烯氧化石墨烯DNA蛋白质纳米粒子 自组装纳米杂 化结构 II AbstractAbstract Abstract Abstract Owing to its unusual mechanical，electronic and quantum properties，graphene is receiving more and more attention in recent years in nanotechnology and materials science，and it is a rapidly rising star of carbon nanomaterial after the discoveries of C60 and carbon nanotubes．Graphene based nanohybrid materials are associated with a wide range of applications in various aspects．However，the applications of graphene have been greatly hindered by its poor solubilities，due to its strong tendency to form aggrega