石墨相氮化碳在傳感領域的研究進展

李慧琴

摘 要：石墨相氮化碳（g-C3N4）材料以其價格低廉、無毒、易制備以及優異的物理化學特性等特點而被廣泛地應用到傳感領域。作為具有巨大應用前景的傳感材料，氮化碳基傳感器的開發設計和相關應用引起了廣大的關注。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方面的研究進展進行了相關綜述，并對氮化碳基傳感器未來發展的挑戰和前景進行了展望。

關鍵詞：石墨相氮化碳;傳感器;研究進展

1 前言

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

2 氮化碳基傳感器的應用

2.1生物傳感的應用

石墨相氮化碳（g-C3N4）材料由于其優異的光電化學活性和生物相容性而被廣泛應用到生物傳感領域，國內外有關氮化碳基傳感器在生物傳感方面的應用研究不少。Zhang [1]等合成了氮化碳納米片-氧化石墨烯的復合物，并制備了靈敏度高、線性范圍寬的CNNS-GO/GCE修飾電極，實現了對混合溶液中的抗壞血酸、多巴胺和尿酸的同時測定，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（g-CNQDs / PBA），并將其應用到熒光傳感檢測葡萄糖中，對于葡萄糖分子的檢出限達到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，在生物醫學和臨床診斷中具有一定的應用前景。胡雪桃等人[3]通過構建氮化碳量子點和金納米簇復合納米熒光探針（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，進而實現了該納米復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越的氮活性位點從而吸附多種金屬離子以及葡萄糖等小分子物質，進而對這些物質進行有效的傳感檢測。

2.2重金屬離子傳感的應用

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、光電化學傳感以及伏安傳感器的設計和應用。Wang等人[4]報道了氧硫共摻雜g-C3N4量子點熒光探針的制備，摻雜后的g-C3N4量子點在水中具有更好的色散性和穩定性，從而提高了對Cu2+的靈敏度。此外，還有研究學者制備了g-C3N4量子點和Bi2MoO6納米粒子的納米雜化復合材料，根據Cu2+與納米雜化復合材料的N和O官能團之間的螯合作用，大大提高了該傳感器對Cu2+的光電化學檢測。Zhang等人[5]探索了超薄的g-C3N4納米片制備的g-C4N3/GCE伏安傳感器的應用，實現了對Hg2+的超痕量檢測，且該傳感器的高選擇性和穩定性在實際水樣中得到了很好的驗證。經過改性處理的g-C3N4由于增大的其比表面積、修飾上大量的含氧官能團、增強的光吸收等優異物理化學特性使其在重金屬離子傳感上的應用進一步擴大。

3 結語

總體而言，石墨相氮化碳（g-C3N4）因其獨特的理化性質、形態、電學和光學特性在傳感領域具有廣闊的應用前景，而g-C3N4的改性處理大大提高了它的實際應用范圍。因此，制備出高比表面積、高活性位點等優異理化性質的氮化碳材料仍是提高其傳感領域應用范圍所要面臨的主要挑戰之一。此外，可開發與貴金屬摻雜或復合同比增強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設計成本。

參考文獻

[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.