一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极的制备方法

摘要

本发明提供了一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极的制备方法。首先，用十二烷基苯磺酸钠非共价功能化石墨烯，接着使其与壳聚糖聚合物通过静电作用结合，最后加入离子液体形成复合材料。壳聚糖可以防止离子液体盐和表面活性剂的直接接触导致的表面活性剂析出。离子液体良好的导电性和生物相溶性使得复合材料具有良好的微环境。将本发明合成的复合材料滴涂到玻碳电极表面得到修饰的玻碳电极。该修饰的玻碳电极对酪氨酸有好的电化学相应，可用于直接检测酪氨酸，且具有线性范围宽，检测限低的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物的制备及酪氨酸传感器的制备方法。

背景技术

石墨烯由于大的比表面积，高的导电性，好的生物相容性等优点，在电化学等许多领域得到了广泛的应用，然而用化学方法制备石墨烯时，由于石墨烯片层之间的π–π叠加和范德华相互作用使得石墨烯容易发生团聚，从而降低石墨烯的导电性和水溶性。为了减小这种团聚现象，首先在氧化石墨烯的表面进行功能化，然后还原。非共价功能化能够得到分散良好的碳材料，而且可以防止共价功能化对石墨烯sp²结构的破坏。表面活性剂其疏水端可以吸附到碳材料的表面，亲水基（带电官能团）能够和水溶液接触，用于非共价功能化石墨烯不仅可以增加石墨烯的水溶性，而且可以使得表面石墨烯的表面带有一定的电荷，防止石墨烯团聚，但是表面活性剂和盐接触容易析出。

离子液体作为一种绿色的溶剂盐，无毒，高的热稳定性，宽的电化学窗口，好的导电性和溶解性，已经被用于电化学领域。近来我们实验组通过实验发现疏水性的物质更容易吸附到疏水的离子液体表面。

壳聚糖是一种无毒的天然高聚物，可生物降解性，具有好的生物相容性，极好的成膜能力等优点，壳聚糖最独特的是它含有很多伯胺，这些氨基容易被化学修饰。研究发现壳聚糖能够和离子液体融合在一起，可以提高材料的导电性加速电子的转移。

人体中L-酪氨酸（L-Tyr）含量的失衡会引起许多疾病，因此，快速、精确、可靠的检测酪氨酸有着重大的意义。现有的酪氨酸的测定方法主要有化学发光法，高效液相色谱法，荧光光度法和毛细管电泳等。这些检测方法大都仪器昂贵，操作步骤繁琐，而电化学方法却恰恰相反，它凭借快捷、简便、灵敏和小型化等优点在L-Tyr分析中得以广泛的运用。

发明内容

基于上述，本发明的目的在于提供一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极的制备方法。

本发明的另一目的在于非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极应用于酪氨酸的检测。

本发明的目的是这样实现的：

一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极的制备方法，其步骤是：

a. 将氧化石墨烯和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）混合，室温下搅拌半小时，将混合液转移到单口烧瓶中，加入200uL肼，80℃加热搅拌24小时，之后离心，用蒸馏水冲洗三次，60℃烘干，得SDBS功能化的石墨烯（SDBS-Gr）。

用0.10M冰醋酸溶解壳聚糖得到1%壳聚糖（CS）水溶液，之后将a步骤合成的SDBS-Gr与5mL壳聚糖混合，超声半小时，减压抽滤，用蒸馏水冲洗三次，60℃烘干，得到了SDBS-Gr-CS，最后在2mL 1mg/mL SDBS-Gr-CS溶液中加入20μL离子液体（IL，[BMIM][PF₆]），室温下超声分散10分钟，就得到了SDBS-Gr-CS-IL混合液。

b.将玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和的甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸玻碳电极进行表征；再将电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用。

c. 在b步骤处理好的裸玻碳电极上滴涂5μL上述混合液，从而制得十二烷基苯磺酸壳聚糖功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极（SDBS-Gr-CS-IL/GCE）。

d. 采用步骤c所得到的修饰电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和的甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并将三电极共同浸入0.2M pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中，之后依次加入0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM不同浓度的酪氨酸到上述溶液中进行差示脉冲扫描，得到0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM不同浓度的酪氨酸溶液的差示脉冲伏安曲线。

采用origin软件作图，绘制SDBS-Gr-CS-IL/GCE在上述0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM不同浓度的酪氨酸溶液中的差示脉冲伏安曲线图和酪氨酸的氧化峰电流和其浓度的线性关系图。

本发明优点和产生的有益效果是：

1、与传统的修饰电极相比，本发明制备石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极对酪氨酸的检测具有线性范围宽，检出限低等优点（见表1）。

表1为本发明与现有的修饰电极对酪氨酸检测性能的比较：

从表1可以看出，本发明对酪氨酸检测线性范围为0.1-120 μmol L^-1，检测限为0.03 μmol L^-1，与现有的修饰电极相比，无论是在线性范围还是检测限都有更好的检测效果。

2. 本发明采用的壳聚糖不仅可以通过带正电的氨基静电吸引阴离子表面活性剂功能化的石墨烯，减小壳聚糖的流动性，还可以防止离子液体和表面活性剂的直接接触导致的表面活性剂析出，离子液体良好的导电性和生物相溶性使得复合材料具有良好的微环境，可以嵌入到壳聚糖高聚物分子结构中，形成稳定的复合物。

3. 离子液体，壳聚糖和石墨烯良好的导电性和疏水性对酪氨酸的检测具有线性范围宽，检测限低，检测过程简单及快速简便的优点，有很好的应用前景。

附图说明

图1为不同材料的透射电镜图，其中：(A) GO；(B) SDBS-Gr；(C) SDBS-Gr-CS-IL。

图2为本发明不同修饰（玻碳）电极在含5.0mM 铁氰化钾和亚铁氰化钾的0.1M KCl溶液中的电化学阻抗谱图。其中，a: 裸电极；b: SDBS-Gr/GCE修饰电极；c: SDBS-Gr-CS/GCE修饰电极；d: SDBS-Gr-CS-IL/GCE修饰电极

    图3为SDBS-Gr-CS-IL/GCE 从a 到 k: 0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM对不同浓度的酪氨酸检测的差示脉冲伏安曲线图。

图4为酪氨酸的氧化峰电流与其浓度的关系图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明实施过程中所使用的仪器和药品：

多通道电化学工作站（Princeton，美国）用于进行电化学阻抗的实验，石英管加热式自动双重纯水蒸馏器（1810B，上海亚太技术玻璃公司）用于蒸二次蒸馏水。电子透射显微镜（JEOL JSM-6700F，日本光学公司）用于表征SDBS-Gr-CS-IL复合材料的结构。电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司）用于称量药品。超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。三氧化二铝打磨粉（0.30μm，0.05μm，上海辰华仪器试剂公司）用于处理玻碳电极。饱和甘汞参比电极，铂对电极，离子液体（中科院兰州化学物理研究所）；十二烷基苯磺酸钠（SDBS）购自上海化学试剂公司；壳聚糖、磷酸二氢钠和磷酸氢二钠（用于配制磷酸盐缓冲溶液）、氯化钾都购买自西安化学试剂厂；实验过程中使用的水均为二次蒸馏水，实验所用的试剂均为分析纯。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

实施例1

一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极的制备方法，包括以下步骤：

a. 将10mg 氧化石墨烯和5mM十二烷基苯磺酸钠（SDBS）混合，室温下用磁力搅拌器搅拌半小时，将混合液转移到单口烧瓶中，加入200uL肼，用恒温磁力搅拌器80℃加热搅拌24小时，之后用离心机离心，用蒸馏水冲洗三次，60℃烘干，得SDBS功能化的石墨烯（SDBS-Gr）。

用0.10M 100mL冰醋酸溶解1g壳聚糖得到1%壳聚糖水溶液（CS），之后将a步骤合成的1mg SDBS-Gr溶解到5mL壳聚糖中，超声半小时，用真空泵减压抽滤，之后用蒸馏水冲洗三次，60℃烘干，得到了SDBS-Gr-CS。最后用移液枪在2mL 1mg/mL SDBS-Gr-CS溶液中加入20μL离子液体（IL，[BMIM][PF₆]），室温下超声分散10分钟，得SDBS-Gr-CS-IL混合液。

b.将玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和的甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸玻碳电极进行表征；再将电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用。

c. 在b步骤处理好的裸玻碳电极上滴涂5μL SDBS-Gr-CS-IL混合液，从而制得十二烷基苯磺酸壳聚糖功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极（SDBS-Gr-CS-IL/GCE）。

下面，通过透视电子显微镜图(TEM)表征GO；SDBS-Gr；SDBS-Gr-CS-IL不同材料的形态特征；电化学阻抗技术表征修饰电极的电化学性质，差示脉冲伏安技术的电位窗为0.4V-0.9V用以研究修饰电极的应用。其中饱和甘汞电极为参比电极，铂柱为对电极，直径3mm的玻碳电极为工作电极。

图1为不同材料的透射电镜图，即不同材料形态特征的TEM，其中图1A为氧化石墨烯（GO），图1B为十二烷基苯磺酸功能化石墨烯（SDBS-Gr）的TEM图，图1C为SDBS-Gr-CS-IL复合材料的TEM图。从图1A可以看出GO为不规则的片层结构，其片层表面与片边缘有一些皱纹。图1A，图1B与图1C对比，可以明显看到图1C SDBS-Gr-CS-IL复合材料为更薄的片层结构，而且有许多褶皱，这些都是由于石墨烯片层结构固有的特性，晶格缺陷所导致。除此，还能进一步说明石墨烯的表面功能化SDBS可以防止石墨烯的团聚。图1C与图1B相比，在图1C中出现很明显的不透明的斑点，表明IL已经和复合物SDBS-Gr成功结合。同时复合材料平滑的表面是由于SDBS-Gr上的–SO₃^-和壳聚糖上的–NH₂通过静电相互作用覆盖在石墨烯片层上而导致的。

图2为本发明不同修饰（玻碳）电极在含有5.0 mM 铁氰化钾和亚铁氰化钾的0.1M KCl溶液中的电化学阻抗谱图。其中，a: 裸的（玻碳）电极；b: SDBS-Gr/GCE修饰电极；c: SDBS-Gr-CS/GCE修饰电极；d: SDBS-Gr-CS-IL/GCE修饰电极。图1a显示裸的（玻碳）电极的阻抗谱是由一个小的半圆（电阻:135Ω）和一条接近于直线的尾线所组成。当SDBS-Gr修饰到玻碳电极表面后，电子转移时的电阻值降低到98.5Ω（见图1b），这表明SDBS-Gr能很好的增强修饰电极的导电性。然而，比照SDBS-Gr-CS/GCE和SDBS-Gr-CS-IL/GCE修饰电极，SDBS-Gr-CS-IL/GCE修饰电极高频率的小半圆的直径逐渐减小，最后电阻值降低至30.5Ω，其原因修饰电极滴加SDBS-Gr-CS-IL混合液，表明壳聚糖和离子液体有高的导电性。

试验例2：

一种非共价功能化石墨烯离子液体复合物修饰的玻碳电极对酪氨酸检测方面的应用：

图3为SDBS-Gr-CS-IL/GCE修饰电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和的甘汞电极为参比电极，组成三电极体系，并将三电极共同浸入0.2M pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中，依次加入0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM不同浓度的酪氨酸到上述溶液中进行差示脉冲扫描，得到修饰电极对不同浓度酪氨酸溶液的差示脉冲伏安曲线。图3是用Origin作图软件绘制0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM不同浓度的酪氨酸溶液检测的DPV图；图4是用Origin作图软件绘制酪氨酸浓度与电流的关系图。由图3可以看出，SDBS-Gr-CS-IL/GCE修饰电极对0, 0.1, 0.3, 0.6, 3.0, 5.0, 8.0, 10.0, 30.0, 50.0, 80.0μM和120.0μM不同浓度的酪氨酸溶液有好的电化学响应，而且随着酪氨酸溶液浓度的逐渐增大，峰电流也相应的增大了，从而达到检测酪氨酸的目的，图4表示检测的酪氨酸溶液的浓度与峰电流成线性关系。修饰电极对酪氨酸检测的线性范围为1×10^?7～1×10^?5 mol/L和1×10^-5～1.2×10^-4 mol/L，检出限为3.3 × 10^?8 mol/L。本发明与其他酪氨酸传感器相比，检测范围宽，检测限低，检测过程简单，灵敏度高、快速简便。