石墨烯材料与模拟生物膜界面相互作用的研究进展

石墨烯材料在生物领域的蓬勃发展使其纳米生物界面研究已成为纳米生物学研究的热点方向。生物膜是石墨烯材料进入生物体系环境中的第一道屏障,深入理解石墨烯材料与磷脂膜间的相互作用,对于石墨烯基生物材料的功能界面优化设计和生物学效应控制具有极为重要的意义。本文对石墨烯材料进行了简要介绍,系统总结了近几年石墨烯材料与模拟生物膜相互作用的研究进展,并对其研究方向进行了展望。     

石墨烯/聚乙烯界面导热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟(NEMD)方法研究了石墨烯/聚乙烯纳米复合材料的界面导热性能,主要考察了石墨烯层数、尺寸对界面热阻的影响.研究结果表明:当石墨烯层数为一层时,界面热导为46.79 MW/(m~2K),随着石墨烯层数的增加,界面热导下降;但石墨烯层数超过四层后,界面热导趋于恒定接近39.00 MW/(m~2K);随着石墨烯尺寸的增大,石墨烯中较长波长声子被引发并对界面热传导起到主要的作用,最终导致界面热导逐渐增大.     

氧化石墨烯的表面化学修饰及纳米-生物界面作用机理

由于具备独特的物理化学性质,氧化石墨烯已被广泛地应用于生命科学与人体健康等相关领域.然而,如何最大化地发挥氧化石墨烯的优势与特点,并克服其自身固有性质导致的生物不良效应,依然是当前面临的难题.为更好地了解该领域的研究现状,本文主要综述了近年来氧化石墨烯的表面化学调控和生物作用机理方面的最新研究进展.首先,简要介绍了氧化石墨烯的物理化学特性、典型的表面化学调控策略(氧化还原、羧基化、氨基化、有机小分子修饰、聚合物修饰、多肽/蛋白修饰、核酸修饰和纳米颗粒修饰),以及不同表面修饰引起的生物效应.继而,重点总结了氧化石墨烯表面修饰影响其生物效应的主要界面作用机理,包括蛋白冠形成、细胞膜损伤、膜受体作用与氧化应激损伤.最后,针对氧化石墨烯表面化学调控和生物效应与机理相关研究所面临的科学问题与挑战进行了展望.     

高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的研究进展——界面作用力的设计及其影响

石墨烯是一种二维材料,具有极其优异的电学、力学、热学等性能,制备方法简单且价格低廉,可以在高性能聚合物基复合材料中展现无穷魅力.石墨烯在聚合物中的分散状态,以及与基体间的界面作用是构筑高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的关键因素.本文综述了石墨烯/聚合物纳米复合材料的界面作用力,包括氢键、π-π堆栈、共价、配位作用和成核—结晶作用,并总结和评述了这些界面作用力的优缺点和适用范围.最后展望了多种协同作用在构筑强界面作用力的石墨烯/聚合物基纳米复合材料中的应用前景.     

金纳米粒子/壳聚糖/石墨烯纳米复合材料的制备及其生物相溶性

利用壳聚糖(CTS)的氨基对石墨烯(GNS)进行表面改性制得石墨烯基纳米复合材料(E).利用E中CTS对金纳米粒子(Au)良好的保护作用,在E的表面固载Au制备了Au/CTS/GNS纳米复合材料(F),其结构经UV-Vis和FT-IR表征.并用Zeta电位,XRD和TEM对F的性质进行了研究.结果表明,F不仅具有良好的生物相溶性,而且具有较好的导电性能.     

基于石墨烯功能复合材料的DNA电化学生物传感器

石墨烯(Gr)是一类由单层碳原子组成的二维碳质材料,利用它独特的结构和良好的物理、化学性能,可构筑出在电催化、电化学传感器和生物传感器等领域有着巨大应用潜力的新型Gr功能复合材料。基于Gr功能复合材料的DNA电化学传感器与常规DNA传感器相比,具有明显的特色和优势,已被应用于特异DNA靶序列的识别和传感领域。本文就基于Gr功能复合材料的DNA电化学传感器的近期进展作简要评述,包括Gr与Gr基金属、金属氧化物、高分子、生物分子复合材料的电化学性能及其在DNA电化学传感中的应用,并对该类DNA电化学传感器的发展方向和应用前景进行了展望。     

石墨烯在生物传感器中的应用

概述了石墨烯、石墨烯氧化衍生物的性质及制备方法,重点介绍了石墨烯在生物传感器中的应用以及发展趋势(引用文献49篇)。     

石墨烯的生物医用研究进展

石墨烯及其衍生物在生物医学领域的应用愈来愈受到人们的关注,其研究领域已经涉及到生物传感、疾病诊断、药物和基因载体、抗菌和抗病毒、生物成像以及肿瘤的光热和光动力治疗、组织工程等。研究的热点也多集中在石墨烯的生物安全性和生物降解性及其衍生物的合成与制备,但至今仍有一些问题尚未解决。本文主要是介绍近几年有关石墨烯生物相容性及其在生物医学领域的研究进展,并对其发展前景进行了展望。     

石墨烯纳米复合材料在电化学生物传感器中的应用

将石墨烯与其他纳米材料复合,是一种拓展或增强其应用的有效方法。借助不同组分间的协同作用,可以改善石墨烯的电学、化学和电化学性质,拓展和增强石墨烯的电化学效应,为固定氧化还原酶,实现直接电化学提供新型、高效的平台,应用于第三代电化学生物传感器的设计和制备,对葡萄糖、胆固醇、血红蛋白、DNA、H₂O₂、O₂、小生物分子等的检测显示出了优异的灵敏度和选择性。本文综述了基于石墨烯构筑的纳米复合材料在电化学生物传感器中的应用研究,包括石墨烯与贵金属、金属氧化物/半导体纳米粒子、高分子、染料分子、离子液体、生物分子等的纳米复合材料,并对石墨烯材料在电化学领域的发展方向和应用前景进行了展望。     

实验和理论研究石墨烯氧化物的铁电性

基于独特的结构和性质, 石墨烯在很多领域都表现出了巨大的潜力. 作为制备石墨烯的主要母体材料, 石墨烯氧化物在室温条件下被观测到具有弱的铁电性. 石墨烯氧化物的表面和边界上会存在大量的羟基, 这些羟基有序重复排列而构成了一维的氢键链, 这些有序氢键链可能是石墨烯氧化物呈现铁电性能的主要原因.     

Electrochemistry Investigation on the Graphene/Electrolyte Interface

In this study, the graphene/electrolyte interface was investigated in detail by the electrochemical method. The total interface capacitance was calculated from the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results, and its responses to different concentrations and pHs were also investigated. The minimum point of the capacitance was found to shift to right (vs. Ag/AgCl) as the concentration increased, and to left with increasing pH. As a comparison, gold/electrolyte interface was investigated in the same way, but didn’t show the similar behavior. To further explore the interface capacitance, proper models were proposed to fit the EIS results. Two constant‐phase elements (CPE) were used in the graphene‐electrolyte interface model to represent the double‐layer capacitance (CPE_dl) and the quantum capacitance (CPE_q), respectively. The CPE_q exhibited its sensitivity to concentration and pH, while CPE_dl did not. This study gives a new aspect to detect concentration and pH, and may provide a reference for the graphene‐based supercapacitor research.     

石墨烯/聚氨酯复合材料的研究进展

石墨烯是一种新型二维纳米片层碳材料,拥有极高的机械强度、电子迁移率、导热系数及独特的化学结构,将其作为填料对聚氨酯进行功能化改性可有效改善基体的力学、导热导电、电磁屏蔽等性能,因此成为近年来复合材料研究领域的一大热点。本文对石墨烯改性及其在聚氨酯材料中的研究进展进行了综述,以复合材料的制备方法、性能研究进行分类,对复合材料常用的拉伸、压缩、导热模型建立方法进行了总结,展望了石墨烯/聚氨酯复合材料产业化的挑战与机遇。     

干燥方式对高氯酸铵/石墨烯复合材料的结构和热分解行为的影响

通过溶胶-凝胶法制备了石墨烯水凝胶, 并将其与高氯酸铵(AP)复合, 然后分别采用自然干燥、冷冻干燥和超临界CO₂干燥三种干燥方式制备了AP/石墨烯复合材料, 并通过扫描电镜(SEM)、元素分析、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)和热重-红外联用技术(TG-FTIR)研究了不同干燥方式对其结构和热分解行为的影响. 结果表明, 干燥方式对AP/石墨烯复合材料的形貌具有明显影响, 其中通过超临界CO₂干燥制备的AP/石墨烯复合材料基本能保持与石墨烯气凝胶相似的外观和多孔结构. 通过自然干燥、冷冻干燥和超临界CO₂干燥制备的AP/石墨烯复合材料中AP的质量分数分别为89.97%、92.41%和94.40%, 其中通过超临界CO₂干燥制备的复合材料中AP的粒径尺寸为69 nm. DSC测试结果表明, 石墨烯对AP的热分解过程具有明显的促进作用, 能使AP的低温分解过程大大减弱, 高温分解峰温明显降低. 三种干燥方式相比, 通过超临界CO₂干燥制备的AP/石墨烯复合材料中石墨烯的促进作用最明显. 与纯AP相比, 其高温分解峰温降低了83.7℃, 表观分解热提高到2110 J·g^-1. TG-FTIR分析结果表明, AP/石墨烯复合材料的热分解过程中, AP分解产生的氧化性产物与石墨烯发生了氧化反应, 生成了CO₂.     

石墨烯氧化过程中的热分析-质谱以及脉冲热分析方法研究

本文由氧化石墨烯通过水热法制备直接获得石墨烯。采用热重-差热分析方法检测了石墨烯受热过程中的质量变化和氧化温度。利用热分析-质谱联用技术在400-650 ℃温度区间得到了水和二氧化碳正离子质谱峰,这说明石墨烯氧化过程中的质量损失是由羟基水和二氧化碳脱除造成的。同时,还采用非等温热分析动力学方法,利用5、10、15 ℃·min^-1三种不同升温速率获得了石墨烯材料在空气气氛下的热分析动力学参数。通过Kissinger方法计算出石墨烯氧化过程中的活化能（E_a）和指前因子的对数（lg（A/s^-1））分别为155.11 kJ·mol^-1和6.90。利用Ozawa-Flynn-Wall （FWO）方法还建立了活化能和指前因子与反应转化率之间的关系。基于以上研究结果,本工作将对石墨烯在热界面、导热和先进复合材料等领域的应用提供参考价值。     

液晶共聚物与PSF原位复合的界面研究

合成了两种热致性液晶共聚酯ＢＰ—ＬＣＰ和ＳＤＰ—ＬＣＰ，对其熔融指数、取向性作了考察。选用基体聚砜（ＰＳＦ）与液晶共聚酯进行熔融共混，得原位复合材料。ＳＥＭ断口形态显示了两种液晶在基体中不同的成纤性，并显示出两相的不相容性。采用ＦＴ—ＩＲ方法分析了液晶共聚酯与ＰＳＦ界面间的分子相互作用。进一步研究发现在ＰＳＦ／ＢＰ－ＬＣＰ原位复合体系中加入含ＰＳＦ和ＢＰ－ＬＣＰ的嵌段共聚物，其相容性得以改善     

CdS/石墨烯复合材料的制备及其可见光催化分解水产氢性能

以氧化石墨烯和CdS为原料, 在乙醇水溶液中采用CdS光催化还原法制备了CdS/石墨烯复合光催化材料, 并用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)和瞬态光电流等技术对复合材料的结构和光电性能进行了表征. 可见光照射下(λ≥420 nm), 研究了该复合材料光催化分解水产氢的性能. 结果表明, 可见光照射下CdS的光生电子可有效地还原氧化石墨烯, 得到CdS与石墨烯之间具有强相互作用力的CdS/石墨烯复合材料. 与CdS相比, 复合材料中石墨烯作为良好的电子受体和传递介质, 可明显加快CdS光生电子的迁移速率, 提高光生载流子的分离效率, 从而增强复合材料的光电性能和光催化分解水产氢的活性.     

聚乙二醇/功能化石墨烯层状纳米复合材料热稳定性的提高

通过溶液共混技术成功制备了一系列聚乙二醇功能化石墨烯(GO-PEG)填充的聚乙二醇4000(PEG4000)基纳米复合材料.利用红外(FT-IR)、X衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重(TG)及玻璃化转变温度(Tg)等表征手段详细研究了复合材料的结构和热性能.结果表明:GO-PEG可均匀分散在聚合物基体中,纳米复合材料呈层状结构;组分间的较强界面相互作用协同增强了纳米复合材料的热稳定性能.最终提出了层状纳米复合材料的形成过程及机理.     

废旧锂离子电池基石墨烯/聚苯胺复合材料制备及其电化学性能研究

以废旧手机锂离子电池回收的负极石墨粉制备的氧化石墨烯(GO)和苯胺单体为原料,利用GO活化H_2O_2产生的·OH为氧化剂,采用原位复合法制备了不同质量比的石墨烯/聚苯胺复合材料,通过FTIR、XRD和SEM对其进行了表征,并利用循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电等对其电化学性能进行测试。结果表明,该类石墨烯/聚苯胺复合材料具有良好的电化学性能,当电流密度为100mA/g时,质量比为1∶10制备的石墨烯/聚苯胺复合材料(rGO/PANI-10)的比电容达到481F/g,较石墨烯比容量(161F/g)提高了199%,较聚苯胺比容量(351F/g)提高了37%;在500mA/g电流密度下,rGO/PANI-10充放电循环1000圈后,电容保持率为77%,表现出较好的循环稳定性。     

基于石墨烯和量子点自组装膜的能量转移构筑的高灵敏度DNA界面荧光传感

以QDs作为荧光探针, HIV1病毒序列DNA为研究对象, 设计了Quartz/PDDA/PSS/PDDA/CdTe/ssDNA自组装膜, 利用氧化石墨烯(GO)猝灭自组装膜上CdTe QDs的荧光, 而靶DNA(tDNA)与自组装膜表面ssDNA的互补配对作用使GO与CdTe QDs的距离增加, 导致自组装膜上量子点的荧光恢复, 由此建立了一种基于GO与QDs自组装膜之间荧光共振能量转移的快速灵敏检测DNA的界面分析方法, 检出限为7.26×10^-14 mol/L. 本方法制备的DNA探针操作简单, 自组装膜表面修饰的ssDNA提高了方法的选择性, GO的猝灭作用降低了检测背景, 极大地提高了荧光分析方法的灵敏度.