一种原位组装、电化学还原及表征氧化石墨烯的方法

摘要

本发明涉及一种原位组装、电化学还原及表征氧化石墨烯氧化态转换的方法，属于纳米材料技术领域主要解决的技术问题是，应用表面等离激元共振技术，原位监测化学法制备的氧化石墨烯在金膜表面组装过程，并且原位定量检测氧化石墨烯的不同还原程度。其步骤包括：将氧化石墨利烯利用物理吸附组装在金膜表面，利用电化学方法原位还原氧化石墨烯为石墨烯，利用软件拟合表面等离激元光谱曲线，检测传感芯片表面氧化石墨烯的组装和还原程度。本发明的优点：氧化石墨烯的组装、电化学还原和检测在一台机器上完成，仪器设备廉价，操作简单，效率高，精确度高。

说明书

技术领域

本发明属于分析化学领域，特别涉及一种用于氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)组装 及还原程度检测的表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术。

背景技术

石墨烯是2004年发现并迅速发展的一种新型材料，广泛应用于医药、生物、化学、电 子、物理等领域。化学法制备的石墨烯是将GO还原为石墨烯(RGO)，目前，用于检测GO 是否还原的方法主要是拉曼光谱法(Raman spectra)、X射线光电子能谱分析(XPS)及原 子力显微镜分析(AFM)，但是，以上表征手段存在较大误差，并且，检测氧化石墨烯的组 装过程和氧化石墨烯的还原程度无法精确定量及原位的表征。所以，需要一种新的方法监测 氧化石墨烯的组装过程以及原位表征氧化石墨烯的还原程度。

SPR是金属表面的等离激元波耦合照射光产生的一种共振现象，金属薄膜表面介电常数 和厚度的变化会影响SPR共振曲线的变化，从而实现金属表面介质环境变化的传感。目前 主要用于医药、生物、化学、食品等领域的监测传感，可灵敏检测蛋白质，DNA等物质， 具有实时、原位、免标记、灵敏度高等特点。

与本发明最相近的用于检测GO还原态的方法是拉曼光谱法及X射线光电子能谱分析等 方法。拉曼光谱法是比较还原前后的D峰与G峰的强度比值或者积分面积比值，确定GO 是否被还原；X射线光电子能谱分析法是利用比较分析还原前后C-C键、C-O键、C＝O键、 C(O)O键的相对含量，确定GO是否被还原。

现有检测技术存在的主要问题是：(1)Raman光谱无法定量检测GO的还原程度，XPS 检测结果存在较大误差，并且以上两种方法均无法原位检测GO还原程度。(2)原位组装、 电化学还原及表征氧化石墨烯需要不同设备上完成，导致样品容易受到污染，检测准确性低， 操作繁琐。现有技术不能够原位监测氧化石墨烯的组装情况，这是需要应用其他仪器监测的， 因而无法只使用一种仪器实现氧化石墨烯组装及检测还原程度，所以无法定量比较还原程度 的大小。

事实上，测试GO的组装过程及还原程度主要是测定其还原前后的参数变化，经过对比 还原前后GO的参数可以确定GO是否被还原。然而，受测试仪器及样品污染等因素的影响， 无法依次原位地检测GO的组装和还原，而且结果存在很大误差，难以满足科研和实际应用 的检测要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，应用表面等离激元共振(SPR)技术，原位监测化学法制 备的氧化石墨烯在金膜表面组装过程，并且原位定量检测氧化石墨烯的不同还原程度。

表面等离激元共振技术是，以波长为632.8nm的激光，基于棱镜耦合方法激发厚度为 50nm金膜表面的表面等离激元共振波，当发生表面等离激元共振时，入射光能量几乎全部 被束缚在金膜表面形成SPR，接受器接收到的光强最小，形成共振峰，当金膜表面介质环境 的介电常数和厚度发生变化时，共振峰的强度和位置发生变化，从而，根据研究共振峰的变 化可以定量研究表面介质的变化情况。

本发明的主要内容：

第一、将氧化石墨溶于水中，通过超声剥离得到分散性良好的氧化石墨烯溶液，氧化石 墨烯溶液的浓度是0.01-10mg/ml；测试空气环境中传感芯片金膜表面的SPR曲线。

第二、利用SPR仪器检测氧化石墨烯溶液在金膜表面组装的动力学曲线(在SPR电化 学样品池中加入去离子水，然后通入制备好的GO溶液，1-16小时后再通入去离子水冲掉未 吸附的残余GO溶液)；用高纯氮气吹干传感芯片金膜表面，原位测试GO组装在金膜表面 后的SPR曲线。

第三、在样品池中直接通入pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液(PBS)，进行电化学还原(电位 范围：-1.6-0.0V，还原圈数：1-100圈)。然后，用去离子水冲洗和氮气吹干传感芯片金膜 表面，测试电化学还原的氧化石墨烯(ERGO)在金膜表面的SPR曲线。

第四、利用SPR光谱拟合软件对以上过程得到的SPR曲线进行拟合，得到GO组装和 还原后的厚度及介电常数，从而定量检测GO的还原程度。

第五、利用AFM、XPS及Raman光谱技术对氧化石墨烯还原前后金膜进行表征，证明 实验结果的合理性。

本发明利用SPR技术，能够原位检测GO组装在金膜表面及监测组装过程，并且原位 检测还原GO还原程度。通过分析SPR共振峰的变化，原位定量分析GO在金膜表面的组装 情况以及GO被还原程度。结果表明，此方法确实可以解决目前GO还原程度原位检测难的 问题。该检测方法简单、经济、高效，稳定，具有良好的应用前景。

附图说明

图1(a)是化学法制备GO的透射电子显微镜图。

图1(b)是化学法制备GO的原子力显微镜图。

图2是金膜表面组装GO共振峰的动力学曲线。

图3(a)是金膜表面的原子力显微镜图。

图3(b)是金膜表面组装GO后的原子力显微镜图。

图3(c)是金膜表面组装的GO被电化学还原为ERGO的原子力显微镜图。

图4是金膜、金膜表面组装GO和原位还原GO在空气环境中的SPR曲线。

图5是原位电化学还原GO过程循环伏安曲线。

图6(a)是金膜表面GO的拉曼光谱曲线。

图6(b)是金膜表面GO电化学还原为ERGO的拉曼光谱曲线。

图7(a)是金膜表面GO的X射线光电子能谱分析曲线。

图7(b)是金膜表面GO电化学还原为ERGO的X射线光电子能谱分析曲线。

具体实施方式

利用将改进的Hummers法制备氧化石墨烯溶于水中，通过超声剥离得到分散性良好的 氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯溶液的浓度是(0.01，2，10)mg/ml；将GO滴在云母片上， 进行透射电子显微镜(TEM)及原子力显微镜(AFM)表征，参阅图1。

实时监测传感芯片金膜表面GO组装过程。组装测试空气中金膜的SPR曲线，加入去 离子水，将2mg/mL的GO水溶液通入样品池，组装(1，12，16)h，然后用去离子水冲掉 未组装的GO溶液，组装过程中的SPR动力学曲线参阅图2。然后用高纯氮气吹干传感芯片 金膜表面，测试传感芯片金膜表面组装GO后的SPR曲线。

向样品池中通入用高纯氮气除氧后的PBS(pH＝7.4)溶液，利用电化学循环伏安(C-V) 法原位还原传感芯片金膜表面的GO(金膜为工作电极，氯化银为参比电极，铂丝为对电极)， 电位范围：(-1.6，-1.4，0.0)，还原圈数：1-400圈。图4为循环伏安曲线，在-1.4V处的 还原峰越来越小，说明GO被还原，实时监测GO的电化学还原过程。用高纯氮气吹干传感 芯片金膜表面，原位测试GO电还原SPR曲线。

参阅图7(几何符号表示测量值，线表示拟合曲线)，通过分别测定金膜表面、金膜表 面组装GO及GO被还原后的金膜表面ERGO的SPR曲线，利用免费的SPR光谱拟合软件 (Winspall)拟合SPR曲线，分析厚度、介电常数实部和虚部的变化。金膜SPR拟合曲线1 (实线)结果表明铬层厚度为0.53nm，介电常数为-5.1514+10.5349i，金膜的厚度为54.03 nm，介电常数为-10.8764+1.4464i；GO组装在金膜的SPR拟合曲线2(点划线)结果表明 GO的厚度为2.55nm，介电常数为1.6254+0.0095i；金膜表面GO被原位电化学还原为ERGO 的SPR拟合曲线3(虚线)表明ERGO的厚度为1.41nm，介电常数为7.4168+2.2605i，精 确检测了金膜表面GO及原位电化学还原后ERGO的厚度及介电常数，从而证明GO被电化 学还原。

为了验证本发明的正确性，利用拉曼光谱对还原前后的GO进行表征，图5为拉曼光谱， 还原前GO的D峰与G峰的强度比为0.84，还原后RGO的D峰与G峰的面积比为1.20。 GO经过电化学原位还原，D峰与G峰的强度比明显变大，证明GO被还原为RGO。

利用AFM表征传感芯片金膜表面、金膜上组装GO及GO经过电化学还原为ERGO的 表面形貌，参阅图3，通过对比传感芯片金膜表面组装GO前后的AFM图像，表明GO成 功组装在金膜表面，AFM图像数据定量说明传感芯片金膜表面均方根粗糙度(rms)发生了 变化，图3(a)是金膜表面的rms值为0.48±0.08nm，图3(b)是GO组装在金膜表面后 的rms值为1.90±0.10nm，图3(c)是经过原位电化学还原后ERGO的rms值为1.26±0.04nm， 定量证明GO吸附在金膜表面，并且，表征结果与还原后ERGO的厚度减小的实验现象一致， 证明GO被成功还原。

利用XPS进一步对还原前后的GO进行表征。参阅图6，金膜表面组装GO的C-C键 含量占53.02％，原位电化学还原后ERGO的C-C键含量占74.96％，还原后C-C键的含量 明显增加，证明GO被电化学循环伏安法还原为RGO。

传感片材料为：利用磁控溅射方法在LaSFN9玻璃表面依次镀制0.5-2nm的铬膜和45-55 nm的金膜。

电化学电极材料为：工作电极为传感片金膜，参比电极为氯化银，对电极为铂丝。