石墨相氮化碳在傳感領(lǐng)域的研究進(jìn)展

李慧琴

摘 要：石墨相氮化碳（g-C3N4）材料以其價(jià)格低廉、無毒、易制備以及優(yōu)異的物理化學(xué)特性等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用到傳感領(lǐng)域。作為具有巨大應(yīng)用前景的傳感材料，氮化碳基傳感器的開發(fā)設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)用引起了廣大的關(guān)注。本文就氮化碳基傳感器在生物傳感和重金屬離子檢測傳感這兩個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了相關(guān)綜述，并對氮化碳基傳感器未來發(fā)展的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：石墨相氮化碳;傳感器;研究進(jìn)展

1 前言

石墨相氮化碳（g-C3N4）以其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、合適的帶隙等優(yōu)異物理化學(xué)特性在光催化、儲能以及傳感等領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，關(guān)于石墨相氮化碳材料的應(yīng)用研究和相關(guān)文章綜述更多的是集中在光催化領(lǐng)域，而關(guān)于傳感領(lǐng)域方面的研究綜述卻很少。此外，沒有經(jīng)過改性的石墨相氮化碳由于其本身較差的導(dǎo)電性和較少的化學(xué)活性位點(diǎn)使其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用比較局限。因此，本文從g-C3N4納米材料的改性設(shè)計(jì)及其在傳感領(lǐng)域應(yīng)用上的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并針對氮化碳基傳感器未來發(fā)展的挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，為氮化碳基傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供一定的研究思路。

2 氮化碳基傳感器的應(yīng)用

2.1生物傳感的應(yīng)用

石墨相氮化碳（g-C3N4）材料由于其優(yōu)異的光電化學(xué)活性和生物相容性而被廣泛應(yīng)用到生物傳感領(lǐng)域，國內(nèi)外有關(guān)氮化碳基傳感器在生物傳感方面的應(yīng)用研究不少。Zhang [1]等合成了氮化碳納米片-氧化石墨烯的復(fù)合物，并制備了靈敏度高、線性范圍寬的CNNS-GO/GCE修飾電極，實(shí)現(xiàn)了對混合溶液中的抗壞血酸、多巴胺和尿酸的同時(shí)測定，此外，將該修飾電極用于人體尿液和多巴胺注射樣品的檢測中得到了令人滿意的結(jié)果。Yen-Linh Thi Ngo等人[2]通過簡單水熱法制備了具有高度生物相容性的苯基硼酸官能化的石墨氮化碳量子點(diǎn)（g-CNQDs / PBA），并將其應(yīng)用到熒光傳感檢測葡萄糖中，對于葡萄糖分子的檢出限達(dá)到16 nM。此外，g-CNQDs / PBA還具有極好的選擇性、較低的毒性以及效果顯著的生物成像性能，在生物醫(yī)學(xué)和臨床診斷中具有一定的應(yīng)用前景。胡雪桃等人[3]通過構(gòu)建氮化碳量子點(diǎn)和金納米簇復(fù)合納米熒光探針（CNQD-AuNCs），其中AuNCs可以有效吸附在氮化碳量子點(diǎn)的表面，由于胰蛋白酶能夠破壞CNQD-AuNCs中的牛血清蛋白而引起熒光猝滅，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了該納米復(fù)合探針對人體尿液中胰蛋白酶的高靈敏檢測。石墨相氮化碳骨架上的吡啶氮單元可以提供優(yōu)越的氮活性位點(diǎn)從而吸附多種金屬離子以及葡萄糖等小分子物質(zhì)，進(jìn)而對這些物質(zhì)進(jìn)行有效的傳感檢測。

2.2重金屬離子傳感的應(yīng)用

g-C3N4材料在重金屬離子中的傳感檢測主要集中在氮化碳基熒光傳感、光電化學(xué)傳感以及伏安傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。Wang等人[4]報(bào)道了氧硫共摻雜g-C3N4量子點(diǎn)熒光探針的制備，摻雜后的g-C3N4量子點(diǎn)在水中具有更好的色散性和穩(wěn)定性，從而提高了對Cu2+的靈敏度。此外，還有研究學(xué)者制備了g-C3N4量子點(diǎn)和Bi2MoO6納米粒子的納米雜化復(fù)合材料，根據(jù)Cu2+與納米雜化復(fù)合材料的N和O官能團(tuán)之間的螯合作用，大大提高了該傳感器對Cu2+的光電化學(xué)檢測。Zhang等人[5]探索了超薄的g-C3N4納米片制備的g-C4N3/GCE伏安傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對Hg2+的超痕量檢測，且該傳感器的高選擇性和穩(wěn)定性在實(shí)際水樣中得到了很好的驗(yàn)證。經(jīng)過改性處理的g-C3N4由于增大的其比表面積、修飾上大量的含氧官能團(tuán)、增強(qiáng)的光吸收等優(yōu)異物理化學(xué)特性使其在重金屬離子傳感上的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 結(jié)語

總體而言，石墨相氮化碳（g-C3N4）因其獨(dú)特的理化性質(zhì)、形態(tài)、電學(xué)和光學(xué)特性在傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，而g-C3N4的改性處理大大提高了它的實(shí)際應(yīng)用范圍。因此，制備出高比表面積、高活性位點(diǎn)等優(yōu)異理化性質(zhì)的氮化碳材料仍是提高其傳感領(lǐng)域應(yīng)用范圍所要面臨的主要挑戰(zhàn)之一。此外，可開發(fā)與貴金屬摻雜或復(fù)合同比增強(qiáng)光電活性的過渡金屬/氮化碳雜化物材料，以降低氮化碳基傳感器的開發(fā)設(shè)計(jì)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhang H Q，Huang Q T，Huang Y H，et al.Graphitic carbon nitride nanosheets doped graphene oxide for electrochemical simultaneous determination of ascorbic acid，dopamine and uric acid[J].Electrochimica Acta，2014，142：125–131.

[2]Yen-Linh Thi Ngo，Choi W M，Chung J S，et al.Highly biocompatible phenylboronic acid-functionalized graphitic carbon nitride quantum dots for the selective glucose sensor[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2019，282：36-44.

[3]胡雪桃，石吉勇，李艷肖，等.基于氮化碳量子點(diǎn)和金納米簇的尿液中胰蛋白酶高靈敏度熒光檢測研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2019，39（9）：2901-2906.

[4]Wang H Y，Lu Q J，Li M X，et al.Electrochemically prepared oxygen and sulfur co-doped graphitic carbon nitride quantum dots for fluorescence determination of copper and silver ions and biothiols[J].Analytica Chimica Acta，2018：121-129.

[5]Zhang J L，Zhu Z W，Di J W，et al.A sensitive sensor for trace Hg2+ determination based on ultrathin g-C3N4 modifified glassy carbon electrode[J].Electrochim.Acta，2015，186：192-200.