微波溶剂热法合成的聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合材料及其制备

摘要

本发明公开了一种微波溶剂加热法合成的聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合材料及其制备。所述的复合材料是由聚吡咯、氯化高铁血红素和还原石墨烯组成；其中，hemin的质量分数为10.8%~19.6%，氧化石墨质量分数为33.3%~60.2%，聚吡咯的质量分数为20.2%~55.9%。本发明以微波代替传统的搅拌加热方式和水热法，通过改变微波的温度和时间等参数制备得到目标材料，与水热法相比，该方法具有均匀加热、所需时间短、利用率高等优点，是一种简单、高效且环保，有利用大规模生产的制备方法；所需酶的活性中心hemin，克服了传统生物酶对外界环境条件如温度、pH值等的苛刻要求；另外在PPY-He-RGO复合材料中引入PPY与RGO，一方面可以固定hemin使其仍保留酶活性，另一方面大大提高了电极的有效面积及促进修饰材料与电极表面间的电子传递。

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器的修饰电极材料及其制备方法，特别是一种微波溶剂加热 法制备的聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合纳米材料，属于材料领域和酶生物传感 器技术领域。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是许多生物分子的代谢产物，灵敏快速检测H₂O₂的含量在环 保、医学、环境等方面有着非常重要的作用。通常情况下，检测方法有化学发光法、 荧光法、分光光度法和电化学分析法等。其中电化学技术由于所需仪器简单，可灵敏、 快速直接的检测H₂O₂颇受欢迎。与酶传感器结合更有望表现出简单快捷、灵敏度高、 选择性好等优势。

氯化高铁血红素(hemin)作为过氧化氢酶的活性中心，能有效催化H₂O₂分子的 还原，且与自然生物酶相比成本低，目前成为H₂O₂生物传感器研究的热点之一。然 而，酶电极制备过程复杂，其稳定性和活性极易受外界条件干扰，从而限制了其单独 在生物传感器方面的应用。如何固定生物酶在电极表面且保持活性及稳定性，如何提 高酶的固载量，针对这些问题研究者们致力于寻找一种既能拥有较大比面积又有较好 生物相容性的基体材料吸附固定hemin分子。

功能化纳米复合材料由于其独特的物理、化学性质，应用在生物传感器领域已是 大势所趋。其中π-π共轭结构的石墨烯(GE)具有大比表面积，稳定性好和良导电性等 特点，可以通过π-π相互作用与hemin分子结合来构建石墨烯/hemin纳米复合材料。Teng  Xue等人使用通过水合肼还原氧化石墨得到的GE与hemin超声混合，制备得到 GE/hemin纳米复合材料(Angew Chem Int Ed Engl2012,51,3822)。Yujing Guo等 人基于石墨烯/hemin二元复合材料对H₂O₂分子进行检测(Sensors and Actuators B: Chemical2011,160,295)，但大分子量的hemin位阻大又使得直接电子传递过程受到 阻碍。选择合适的电子传递介质可以促进酶活性中心与电极表面的电子传输过程，加 速电子传输速率，提高传感器的灵敏度。Haiyan Song等人首先在电极表面电沉积金纳 米颗粒，然后与石墨烯-hemin两者结合获得三元复合杂化材料(Analytica Chimica  Acta，2013,788,24)。考虑到原料成本代价高，金属颗粒表面活化能大易团聚等问 题，相比而言良导电性的高分子因具有合成方法简单、原料易得等优点，作为电子传 递媒介是不错的选择。通过一步法合成得到聚吡咯(PPY)/hemin二元复合材料 (Applied Material Interfaces2014,6,500)，也被应用在过氧化氢检测领域，所以合 成方法简单、原料易得的导电高分子聚吡咯有望构建出成本低、性能高的生物传感器 件。

微波溶剂热法不同于常规加热和溶剂热法，其具有均匀加热，快速高效，可适用 于大规模生产化。另外通常还原氧化石墨所添加的强氧化剂如水合肼等，具有毒性， 对环境有危害，然而使用微波法还原氧化石墨则不需要额外强氧化剂，是一种绿色环 保的合成途径。

目前聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合纳米材料还未见报道。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明的目的是提供一种简单高效的微波溶剂加热法合成 聚吡咯-Hemin-还原石墨烯(PPY-He-RGO)三元复合材料。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微波溶剂加热法合成的聚吡咯-Hemin- 还原石墨烯三元复合材料，所述的复合材料是由聚吡咯、氯化高铁血红素和还原石墨 烯组成；其中，hemin的质量分数为10.8％～19.6％，氧化石墨质量分数为33.3％～60.2％， 聚吡咯的质量分数为20.2％～55.9％。

一种微波溶剂热法合成的聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合材料的制备方法， 以GO/Hemin在溶剂中的分散液为前驱体，再加入吡咯单体进行微波溶剂加热聚合， 包括如下步骤：

第一步：将氧化石墨胶体在醇-水混合溶剂中进行超声得到分散均匀的氧化石墨 烯(GO)悬浮液；

第二步：将hemin完全溶解在氨水后与第一步的GO悬浮液混合，并长时间搅拌 使其充分吸附；

第三步：将吡咯单体加入到第二步所得到混合体系中，再次磁力搅拌，使其分散 均匀；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至微波反应罐中进行微波加热反应；

第五步：将第四步产物进行离心分离，并多次用醇洗涤，获得PPY-He-RGO三元 复合材料。

步骤一中所述的超声分散时间为1～3h，醇-水混合溶剂中所用醇分别是异丙醇、 乙二醇或乙醇中任意一种，醇与水体积比为1：1。

步骤二中所述的氨水pH为10～13，氧化石墨与hemin的质量比为3.08，搅拌吸 附时间为4～8h。

步骤三中所述的吡咯单体摩尔浓度为10～50mmolL^-1，吡咯单体与hemin质量比 1.03～5.15，搅拌时间为0.5h～2h。

步骤四中所述的微波加热温度为100℃～180℃；加热时间为10～30min。

步骤五中所述的离心分离采用离心机，其转速为1600r/min，分离为时间10min。

一种微波溶剂热合成的聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合物的应用，将上述结 构的聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合物作为生物传感器的修饰电极材料应用于测 定过氧化氢含量。

所述的测定方法包括循环伏安法或电流-时间曲线法。

上述测定步骤中，采用三电极体系，以修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参 比电极，铂丝为对电极，所述的修饰电极是将聚吡咯-Hemin-还原石墨烯三元复合物 滴涂在玻碳电极上制备而成；其中，聚吡咯-Hemin-还原石墨烯分散液的浓度为 1mgmL^-1，滴加量为5～20μL。

采用电流-时间曲线法测定过氧化氢含量的步骤为：将修饰电极放置于pH7.0含 0.1M的磷酸氢二钠/磷酸二氢钠混合缓冲液的电解池中，通氮气5～15min，连续加入 过氧化氢，使过氧化氢在电解池中的浓度控制在0.13～70μM，使用电流-时间曲线法， 设定初始电位为-0.1V～-0.35V，检测修饰电极对过氧化氢的响应。

采用循环伏安法测定过氧化氢含量的步骤为：将修饰电极放置于pH7.0含0.1M的 磷酸氢二钠/磷酸二氢钠混合缓冲液的电解池中，通氮气5～15min，在1mM的过氧化 氢溶液中，设定扫描电位为-0.8V～0.2V，扫描速度为100mVs^-1，检测修饰电极对过氧 化氢的响应。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)采用的微波溶剂热法，以微波代替 传统的搅拌加热方式，通过改变微波的温度和时间等参数制备得到聚吡咯-Hemin-还 原石墨烯三元复合材料。相比水热法，该方法具有均匀加热、所需时间短、利用率高 等优点，是一种简单、高效且环保，有利用大规模生产的制备方法；(2)所需酶的活 性中心hemin，克服了传统生物酶对外界环境条件如温度，pH值等的苛刻要求。在 PPY-He-RGO复合材料中引入PPY与RGO，一方面可以固定hemin使其仍保留酶活性， 另一方面大大提高了电极的有效面积及促进修饰材料与电极表面间的电子传递；(3) 提出一种操作简单，快速而便携，灵敏度高的电化学检测仪器和方法，制备的修饰电 极对过氧化氢有强的CV电流响应，检出限为1.3～7.0×10^-7M和线性相关系数为0.998。

附图说明

附图1是本发明实施例1所制备的PPY-He-RGO三元复合材料的TEM照片；

附图2是本发明实施例1所制备的PPY-He-RGO三元复合材料的X射线光电子能谱 图；

附图3是本发明实施例2所制备的PPY-He-RGO三元复合材料的紫外可见光谱图(A) 和傅里叶红外光谱图(B)；

附图4是本发明实施例2所制备的PPY-He-RGO三元复合材料，对其进行电化学测试， 裸玻碳GEC(a)和修饰电极PPY-He-RGO/GCE(b)在加入H₂O₂后的循环伏安曲线；

附图5是本发明实施例3所制备的PPY-He-RGO三元复合材料，修饰电极的交流阻抗 图谱(A)和在过氧化氢溶液中对不同扫速下的循环伏安图(B)；

附图6是本发明实施例3所制备的PPY-He-RGO三元复合材料，在连续滴加定量过氧 化氢时的电流-时间曲线(A)及对应峰电流与扫速的二次方根的线性关系曲线(B)； 附图7本发明实施例4所制备的PPY-He-RGO三元复合材料，对连续滴加不同干扰物 质的电流-时间曲线图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。

实施实例1：本发明，异丙醇/水混合溶剂体系下微波合成PPY-He-RGO的制备方法， 包括以下步骤：

第一步：取质量分数为4.4％的氧化石墨胶体0.91g于20mL异丙醇/水(1:1v/v)的混 合溶剂中进行超声分散1h，得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将13mg hemin完全溶解在氨水中(pH13)与第一步的GO悬浮液混合，并 长时间搅拌4h使其充分吸附；

第三步：将10mM吡咯单体(13.4mg)加入到第二步所得到混合体系中，再次搅拌0.5h， 使其分散均匀；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至微波反应罐中进行微波加热,反应温度为 120℃，反应时间为30min；

第五步：将第四步产物进行离心分离，并多次用醇洗涤，获得PPY-He-RGO三元复合 材料；

三元复合材料的TEM图像如附图1所示，PPY呈纳米棒状，棒的平均长度为 1.1μm和中心直径为200nm，棒状PPY收尾相接式地分布在石墨烯的表面，构成导电 网络结构。

如附图2所示，X射线光电子能谱(XPS)中含有碳，氧，氮及铁四种元素，说 明了hemin仍然掺杂在杂化材料中，三元复合材料是由聚吡咯，hemin和还原石墨烯 构成。

实施实例2：本发明，乙二醇/水混合溶剂体系下微波合成PPY-He-RGO的制备方法， 包括以下步骤：

第一步：取质量分数为4.4％的氧化石墨胶体0.91g于20mL乙二醇/水(1:1v/v)的混 合溶剂中进行超声分散2h，得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将1.3mg hemin完全溶解在氨水中(pH11)与第一步的GO悬浮液混合，并 长时间搅拌6h使其充分吸附；

第三步：将25mM吡咯单体(33.5mg)加入到第二步所得到混合体系中，再次搅拌1h， 使其分散均匀；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至微波反应罐中进行微波加热,反应温度为 150℃，反应时间为15min；

第五步：将第四步产物进行离心分离，并多次用醇洗涤，获得PPY-He-RGO三元复合 材料；

如附图3A所示，hemin的紫外吸收峰发生了位移，从389nm红移到413nm表明 了三元复合材料PPY-He-RGO还原氧化石墨烯与hemin和PPY之间的存在共轭效应。

对比不同组分的红外光谱(FTIR)如图3B，可知PPY-He-RGO复合材料中既有 hemin的特征吸收峰又有在1521和1442cm^-1的吡咯环特征吸收峰，证实在不同溶剂 条件下，同样也成功制备得到了PPY-He-RGO三元复合材料。

实施实例3：本发明，乙醇/水混合溶剂体系下微波合成PPY-He-RGO的制备方法，包 括以下步骤：

第一步：取质量分数为4.4％的氧化石墨胶体0.91g于20mL乙醇/水(1:1v/v)的混合 溶剂中进行超声分散3h，得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将1.3mg hemin完全溶解在氨水中(pH10)与第一步的GO悬浮液混合，并 长时间搅拌8h使其充分吸附；

第三步：将50mM吡咯单体(67.0mg)加入到第二步所得到混合体系中，再次搅拌2h， 使其分散均匀；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至微波反应罐中进行微波加热，反应温度为 180℃，反应时间为10min；

第五步：将第四步产物进行离心分离，并多次用醇洗涤，获得聚吡咯-Hemin-还原石 墨烯三元复合材料；

附图4为其对H₂O₂的电化学响应，在PBS缓冲溶液中，扫速为100mV/s时，由 PPY-He-RGO修饰电极循环伏安法(CV)曲线，可以得出加入1mM过氧化氢后，在 -0.15V处出现明显的H₂O₂还原峰，说明三元杂化材料对H₂O₂有较好的催化还原作用。

实施实例4：本发明，异丙醇/水混合溶剂体系下微波合成PPY-He-RGO的制备方法， 包括以下步骤：

第一步：取质量分数为4.4％的氧化石墨胶体0.91g于20mL异丙醇/水(1:1v/v)的混 合溶剂中进行超声分散1h，得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将1.3mg hemin完全溶解在氨水中(pH10)与第一步的GO悬浮液混合，并 长时间搅拌4h使其充分吸附；

第三步：将50m吡咯单体(67.0mg)加入到第二步所得到混合体系中，再次搅拌0.5h， 使其分散均匀；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至微波反应罐中进行微波加热，反应温度为 120℃，反应时间为30min；

第五步：将第四步产物进行离心分离，并多次用醇洗涤，获得PPY-He-RGO三元复合 材料。

应用实例1：

1.修饰电极的制备，包括以下步骤：

(1)将玻碳电极分别在0.1和0.03μm的氧化铝上研磨至光滑，用水和乙醇冲 洗干净，室温下晾干，备用；

(2)将复合材料PPY-He-RGO经过超声处理1h，重分散稀释后，配得1.0mgmL^-1均匀分散液；

(3)用移液枪取5μL分散液滴敷在预先备好的玻碳电极上，自然干燥，得到 PPY-He-RGO修饰电极；

2.修饰电极对过氧化氢的检测方法，包括下列步骤：

使用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，玻碳电极为工作 电极，将步骤(3)所得修饰电极放置于10mL pH＝7的PBS缓冲液中浸泡，通入氮气 15min后，加入1mM过氧化氢并磁力搅拌，使用循环伏安法，将电位窗口设置为 -0.8～0.2V，扫速为100mVs^-1，检测修饰电极对H₂O₂的电化学响应。

应用实例2：

1.修饰电极的制备，包括以下步骤：

(1)将玻碳电极分别在0.1和0.03μm的氧化铝上研磨至光滑，用水和乙醇冲 洗干净，室温下晾干，备用；

(2)将复合材料PPY-He-RGO经过超声1h，重分散稀释后，配得1.0mgmL^-1均 匀分散液；

(3)用移液枪取5μL分散液滴敷在预先备好的玻碳电极上，自然干燥，得到 PPY-He-RGO修饰电极；

2.修饰电极对过氧化氢的检测方法，包括下列步骤：

使用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，玻碳电极为工作 电极，将步骤(3)所得修饰电极放置于10mL pH＝7的PBS缓冲液中浸泡，通入氮气 15min后，使用交流阻抗法，设置频率范围为1.0～10⁶Hz，如图5A可明显地观察到， hemin修饰的电极具有最大的阻抗，与石墨烯复合后，阻抗明显较低。但相比一元、 两元复合材料，三元复合材料PPY-He-RGO的阻抗较小，说明三元复合材料能显著的 促进电极表面与修饰材料间的电子传递，提高电流响应信号。

应用实例3：

1.修饰电极的制备，包括以下步骤：

(4)将玻碳电极分别在0.1和0.03μm的氧化铝上研磨至光滑，用水和乙醇冲 洗干净，室温下晾干，备用；

(5)将复合材料PPY-He-RGO经过超声1h，重分散稀释后，配得1.0mgmL^-1均 匀分散液；

(6)用移液枪取10μL分散液滴敷在预先备好的玻碳电极上，自然干燥，得到 PPY-He-RGO修饰电极；

2.修饰电极对过氧化氢的检测方法，包括下列步骤：

使用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，玻碳电极为工作 电极，将步骤(3)所得修饰电极放置于10mL pH＝7的PBS缓冲液中浸泡，通入氮气 10min后，加入2mM过氧化氢并磁力搅拌，使用循环伏安法，将电位窗口设置为 -0.8～0.2V，如图5B所示，在30～200mVs^-1范围内，随着扫速的增大，hemin的一对氧 化还原峰电流的响应都随之增加，说明电极的稳定性较好。过氧化氢峰电流值与扫速 的二次方根成线性关系，说明过氧化氢在修饰电极表面属于表面扩散过程。

应用实例4：

1.修饰电极的制备，包括以下步骤：

(1)将玻碳电极分别在0.1和0.03μm的氧化铝上研磨至光滑，用水和乙醇冲 洗干净，室温下晾干，备用；

(2)将复合材料PPY-He-RGO经过超声1h，重分散稀释后，配得1.0mgmL^-1均 匀分散液；

(3)用移液枪取5μL分散液滴敷在预先备好的玻碳电极上，自然干燥，得到 PPY-He-RGO修饰电极；

2.修饰电极对过氧化氢的检测方法，包括下列步骤：

使用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，玻碳电极为工作 电极，将步骤(3)所得修饰电极放置于10mL pH＝7的PBS缓冲液中浸泡，通入氮气 15min后，连续滴加定量的过氧化氢并磁力搅拌5min后，如图6所示，使用电流-时间 曲线法，设置初始电位为-0.15V，检测修饰电极对过氧化氢的响应。如图6(A)所 示，一旦加入过氧化氢后立即出现响应台阶，表明修饰电极对过氧化氢的响应迅速， 催化还原也随之发生，且在1.3～70μM范围内，响应电流与H₂O₂浓度有很好的线性关 系(图6(B))。

修饰电极对常见干扰物质的响应：

1.修饰电极的制备，包括以下步骤：

(4)将玻碳电极分别在0.1和0.03μm的氧化铝上研磨至光滑，用水和乙醇冲 洗干净，室温下晾干，备用；

(5)将复合材料PPY-He-RGO经过超声1h，重分散稀释后，配得1.0mgmL^-1均 匀分散液；

(6)使用移液枪取5μL分散液滴敷在预先备好的玻碳电极上，自然干燥，得到 PPY-He-RGO修饰电极；

2.修饰电极对过氧化氢的检测方法，包括下列步骤：

使用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，玻碳电极为工作 电极，将步骤(3)所得修饰电极放置于10mL pH＝7的PBS缓冲液中浸泡，通入氮气 15min后，加入10μM过氧化氢并磁力搅拌5min，使用电流-时间曲线法，设置初始 电位为-0.15V，检测修饰电极对常见干扰物质的响应；如图7所示，修饰电极对10 倍浓度的常见干扰物质多巴胺、尿酸、抗环血酸和葡萄糖均无明显响应，表明修饰电 极检测过氧化氢具有很好的选择性。