功能化石墨烯与纳米粒子层层组装制备光致电化学传感器

摘要

利用石墨烯能够增强纳米粒子的光致电化学活性的特点，首先将石墨烯功能化，利用具有大π共轭结构的芳香性有机小分子与石墨烯的π-π相互作用将带电聚合物锚和到石墨烯表面，使石墨烯带有电荷。然后将功能化的石墨烯与带相反电荷修饰的纳米粒子层层组装，得到表面有预留活泼官能团的灵敏的光电响应界面。利用该传感界面可进行生物活性物质的检测，得到高灵敏的光致电化学传感器。

说明书

技术领域

半导体纳米粒子具有光致电化学活性，本发明利用石墨烯增强半导体纳米粒子的光致电化学活性，并利用该方法制备光致电化学生物传感器。

背景技术

自Becquerel首次发现光电效应以来，光发射已发展成为电化学体系中的一项独立的研究内容。利用光致电化学原理开发性能优良的无机、有机半导体功能材料，提高太阳能电池光电转换效率已成为研究热点之一。然而，光致电化学方法在分析化学领域的应用研究才刚刚起步。目前常用的光电活性物质包括钉配合物，染料及半导体纳米晶。其中由于纳米晶体在结构上的独特性使光电材料在性能上的突破成为可能。发展基于半导体纳米晶的高效光电转换界面的关键之一是有效分离光生电子-空穴对及实现电子到电极的转移。而利用有合适带能的纳米材料作为电子受体是实现这一目的有效的方法。碳材料作为环境友好的廉价材料，一直是科技创新的前沿领域。1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管均目前均已应用于半导体纳米晶的光电材料中。然而目前报道的基于碳纳米材料的半导体纳米晶的光电转换效率仍然较低。2004年，英国科学家发现了由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯，已经开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点。

石墨烯是一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质，具有突出的导热性能和力学性能，以及室温下高速的电子迁移率。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质。由于其优良的导电性，目前有大量文献报道了将石墨烯应用于电化学和荧光传感器的研究中，而将石墨烯用于光致电化学的研究报道相对较少。2010年郭等报道石墨烯能够增强CdS量子点的光电响应，且其增强效果高于单壁碳纳米管(Angew.Chem.Int.Ed.，2010，49，1-5)。文中将石墨烯通过电泳沉积的方法固定于ITO电极，再将该电极反复多次浸入CdCl₂和Na₂S溶液中，在预沉积石墨烯的电极上直接合成CdS量子点。该方法可得到具有高光电相应的光电体系，用于太阳能电池的研究中。但该方法不利于进一步的表面修饰，不适用于制备生物传感器。

发明内容

本发明的目的利用功能化的石墨烯和半导体纳米晶为原料，制备灵敏的光电传感界面，并在该界面预留活波官能团，便于进一步组装传感器。

本发明所提供的方法包括以下步骤：

(1)制备阴离子或阳离子聚合物与具有大π共轭结构的芳香性有机小分子的复合物。

所述的方法，其所述的具有大π共轭结构的芳香性有机小分子可以为苯、萘、蒽、芘、并五苯等化合物及其衍生物。

所述的方法，其所述的阴离子聚合物可以为聚丙烯酸、聚谷氨酸等。

所述的方法，其所述的阳离子聚合物可以为聚赖氨酸，壳聚糖和树枝分子PAMAM等。

(2)利用非共价键合作用使具有大π共轭结构的芳香性有机小分子和石墨烯发生π-π相互作用，制备带负电的阴离子聚合物与石墨烯的复合物或带正电的阳离子聚合物与石墨烯的复合物。

(3)将与步骤(2)中的带有负电荷的石墨烯与带有正电的光电活性物质采用静电作用的方法，固定于电极表面；将与步骤(a)中的带有正电荷的石墨烯与带有负电的光电活性物质采用静电作用的方法，固定于电极表面。

所述的方法，其所述的光电活性物质为氨基或羧基修饰的CdS、CdSe或CdSe@CdS纳米粒子，或为氨基或羧基修饰的钌联吡啶配合物。

(4)将步骤(3)中形成的光电界面通过正负电荷交替进一步层层组装，得到多层带有石墨烯和光电活性物质的传感界面，最外层为光电活性物质。

(5)利用步骤(4)中得到的光电传感界面上预留的活泼官能团结合生物活性物质，当结合的生物活性物质与目标物作用后，生成的复合物会影响光电流的强度，据此实现对目标物的检测。

所述的方法，其所述的利用步骤(4)中得到的光电传感界面上预留的活泼官能团结合核酸适体，核酸适体与目标物结合后形成的复合结构会影响光电流的强度，据此实现对目标分子的检测。

所述的方法，其所述的利用步骤(c)中得到的光电传感界面上预留的活泼官能团结合抗体，抗原与抗体结合后形成的复合结构会影响光电流的强度，据此实现对抗原的检测。

所述的方法，其所述的利用步骤(c)中得到的光电传感界面上预留的活泼官能团结合凝集素，凝集素与糖蛋白结合后形成的复合结构会影响光电流的强度，据此实现对糖蛋白的检测。

(6)光电流的检测。将电极浸入含有电子转移体的溶液中，采用适当波长的光照射，检测光电流。

所述的方法，其所述的工作电极为金属电极、非金属电极或金属氧化物电极。

所述的方法，其所述的电子转移体为抗坏血酸或三乙醇胺。

附图说明

附图1为光电界面的构建原理。1、氨基芘盐酸盐与聚丙烯酸缩合得到聚丙烯酸-芘复合物(Pyr-PAA)；2、氧化石墨烯与聚丙烯酸-芘复合物在碱性条件下还原，得到石墨烯-芘-聚丙烯酸复合物(G-pyrene-PAA)；3、ITO电极表面滴涂PDDA；4、将石墨烯-芘-聚丙烯酸复合物滴涂到电极表面；5、滴涂氨基修饰CdSe量子点；6、石墨烯-芘-聚丙烯酸复合物与氨基修饰CdSe量子点进行层层组装

附图2为不同组装层数对光电流的影响。

附图3为传感器不同组装阶段光电流的变化。a(G-pyrene-PAA/CdSe)₅/aptamer；b(G-pyrene-PAA/CdSe)₅/aptamer/BSA；c(G-pyrene-PAA/CdSe)₅；d将组装(G-pyrene-PAA/CdSe)₅/aptamer/BSA的电极放入1×10^-10M凝血酶溶液中。

具体实施方式

以下实施例将有助于本领域的普通技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例1

石墨烯-CdSe光电传感界面的构建(见图1)

一、聚丙烯酸-石墨烯复合物的制备该步参考文献Langmuir，2010，15022-15026合成。

(1)聚丙烯酸-芘复合物的制备

将1.0g聚丙烯酸(PAA)加入到含有50mL N-甲基吡咯烷酮(NMP)的三口烧瓶中，60℃下磁力搅拌2h，通氮气除氧。然后加入用5mL用NMP溶解0.0956g 1-芘甲胺盐酸盐，5mL用NMP溶解的0.0947g二环己基碳二亚胺(DCC)和65μL三乙胺(Et₃N)，60℃暗处反应24h。反应结束后，将反应液置于冰浴的条件下，加入高浓度的NaOH溶液，至有沉淀产生，过滤，用20mL 60℃的NMP洗涤沉淀三次，然后再用20mL冷的甲醇洗涤三次，真空干燥，然后用水溶解，用离子交换柱脱盐，冷冻干燥得到白色固体产物聚丙烯酸-芘复合物(PAA-pyrene)。

(2)氧化石墨烯的制备

天然磷片石墨(G)12g，10g K₂S₂O₈，10g P₂O₅加入到装有50mL浓度为98％的浓硫酸的三角烧杯中，80℃下搅拌反应6h，再加入2L水稀释，用0.2μm的亲水性尼龙微孔性滤膜过滤洗涤干燥。将制备好的氧化石墨放入到含有460mL的0℃的浓硫酸中搅拌反应，将60gKMnO₄缓慢加入到反应液中，控制反应温度在10℃以下，反应1.5h。随后将烧杯置于35℃恒温水浴中，继续反应2h，再缓慢加入920mL水，温度控制在50℃以下，反应2h，再加入2.8L水和50mL 30％的H₂O₂，得到明亮的黄色混合物，静置一夜，离心得沉淀物，用5L 10％的HCl和5L去离子水洗涤，除去溶液中的SO₄^2-。

(3)聚丙烯酸-石墨烯的制备

取25mL超声分散的石墨烯氧化物(0.5mg/mL)，25mL 0.5mg/mL的PAA-pyrene，10mg的NaOH和1mL的水合肼加入到三口烧瓶中，80℃下加热搅拌24h，得所要的聚丙烯酸修饰的石墨烯(G-pyrene-PAA)。

二、氨基修饰的CdSe的制备

将新制的0.1M NaHTe加入到含有2-巯基乙胺(AET)的1.25mM的CdCl₂溶液中，pH调节到5.6-5.9之间。Cd²⁺/AET/HTe^-的摩尔质量比为1∶2.4∶0.5，氮气除氧下剧烈搅拌10min，然后回流3h得到氨基修饰的CdSe。

三、层层组装法修饰电极

首先，在电极一段中心位置标记一个圆点，在圆点中心滴加5μL的聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐(PDDA)，静置15min后蒸馏水冲洗、吹干。再滴加5μL的聚丙烯酸-石墨烯溶液，15min后，用蒸馏水冲洗、吹干，再滴加5μL CdSe量子点溶液，重复上述步骤。使最外层为氨基修饰的纳米CdSe。

四、光电流的检测

使用Zahner ENNIIUM电化学工作站在含有0.1M的抗坏血酸的PBS溶液(0.1M、pH＝7.4)，在偏置电压为50mV下进行检测，采用的光源为波长为430nm，辐射照度为48.22W·m²。比较不同组装层数下光电流的响应(见图2)。

实施例2

利用石墨烯增强量子点的光致电化学性质检测凝血酶

本实验所用的核酸适体序列：5’磷酸化DNA：TTTTTTGGTTGGTGTGGTTGG

一、传感器的制备

取0.2M的碳二亚胺交联剂EDC 40μL，0.1M的pH＝6.8的咪唑缓冲溶液40μL，加入到含有20μL磷酸基凝血酶适体DNA的溶液中，活化磷酸基。取10μL活化好的DNA溶液滴在层层组装的电极上，过夜反应，用蒸馏水冲洗、吹干，滴加10μL 2％BSA溶液封闭未反应的活泼位点(1h)，将电极用蒸馏水冲洗、吹干，浸泡到含有凝血酶的溶液中。

二、光电流的检测

使用Zahner ENNIIUM电化学工作站在含有0.1M的抗坏血酸的PBS溶液(0.1M、pH＝7.4)，在偏置电压为50mV下进行检测，采用的光源为波长为430nm，辐射照度为48.22W·m²。传感器不同组装阶段光电流的变化如图3所示。