一种基于蛋白质的石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合物的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种基于蛋白质的石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合材料的制备方法及其应用，包括如下步骤：制备氧化石墨烯-单壁碳纳米管悬浮液。向得到的GO-SWCNT悬浮液中加入4.0mL？1%(w/w)？HAuCl4超声搅拌0.5h,之后加入300mgBSA并搅拌使其溶解，用1M？NaOH调节pH至碱性，然后将混合液移入圆底烧瓶中90℃加热搅拌回流3h。在12000r/min转速下离心获取下层沉淀物，用超纯水洗涤下层沉淀物，离心分离，重复多次，直至上层清液的pH值在7左右，得到的沉淀在60℃下真空干燥一夜，即制得产物。

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料的领域，具体涉及一种基于蛋白质的石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，它可看作是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景。石墨烯的上下两个表面都是悬空的，可以用来负载众多种类的物质，此特征使石墨烯成为理想的载体材料。同时，金属纳米粒子也具有高的比表面积和较好的催化效果，由此可知，石墨烯与金属纳米粒子组成的复合物在众多方面（如：催化、传感等）拥有更好的应用前景。而且，石墨烯是二维结构的材料，碳纳米管是一维结构的材料，它们可以组合成三维结构的碳质材料，发挥协同作用，从而提高其电化学性能。

由于石墨烯具有许多优异的性能，许多学者致力于石墨烯及其复合材料的制备方法研究。目前，制备石墨烯的主要方法为化学法。即首先将石墨氧化，然后用还原剂（水合肼、对苯二酚、硼氢化钠等）还原制得石墨烯。由于这些还原剂具有很强的毒性或者很强的腐蚀性。所以很多的研究者在此基础上将目光投向了无毒，环境友好的新颖还原技术。近年来，由美国化学会（ACS）提出的“绿色化学”，越来越得到世界的广泛响应。Fan等用环境友好型还原剂铝粉在酸性条件下将氧化石墨烯转化为还原态石墨烯（RGO），该法操作简单，仅需30分钟。Chen等用含硫化合物（NaHSO₃、Na₂SO₃等）做为还原剂，制得石墨烯，该还原剂低毒且不易挥发，还原效果与肼做还原剂不相上下。还有研究者使用维他命C作为还原剂，和水合肼相比取得了更大的收益，而且无论在水中还是有机溶剂中分散性都较好。因此，我们也在致力于研究一种新的绿色的方法用来制备石墨烯及其复合材料。

葡萄糖的分析与检测对人类的健康及疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义，因此，葡萄糖传感器的研究始终是化学与生物传感器研究的热点之一。在诸多类型的葡萄糖传感器中，有关葡萄糖电化学传感器的研究较多。常见的葡萄糖电化学传感器主要分为有酶和无酶两种类型。然而，由于酶的活性易受到周围环境如温度、湿度及化学环境等因素的影响，且已固载上的酶可能会泄漏，以致影响传感器的稳定性及使用寿命，在一定程度上限制了该类传感器的应用范围。无酶葡萄糖传感器是一种基于葡萄糖分子在相关催化活性材料表面的电催化氧化信号对其进行定性及定量检测的传感装置。

专利申请号为201510284749.8，专利名称为一种基于CuO薄膜的无酶葡萄糖传感器电极材料的制备方法，公开了一种基于CuO薄膜的无酶葡萄糖传感器电极材料的制备方法，其步骤主要包括：(1)导电基体预处理；(2)采用电化学沉积法在导电玻璃基底上制备具有特殊结构的Cu₂O薄膜；(3)将电沉积制备所得的Cu₂O薄膜在空气氛围下热处理，可将其氧化为具有相似结构的CuO薄膜，可直接用作无酶葡萄糖传感器的电极材料，简化了电极制作过程。该CuO薄膜由若干球形粒子自组装构成的球形团簇单元组成，形貌均匀，比表面积高，可以达到提高葡萄糖检测灵敏度的目的。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于蛋白质的石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合材料的制备方法及其应用，致力于结合纳米金与石墨烯和碳纳米管的诸多优点，构建一种新型高性能的无酶葡萄糖生物传感器。本发明的技术方案如下：

一种基于蛋白质的石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合材料的制备方法，具体步骤如下：

1.1氧化石墨烯-单壁碳纳米管的制备：首先将5mgGO和5mgSWCNT分散到10mL超纯水中，然后搅拌条件下超声2h，得到GO-SWCNT悬浮液。

1.2向得到的GO-SWCNT悬浮液中加入4.0mL1%(w/w)HAuCl₄超声搅拌0.5h,之后加入300mgBSA并搅拌使其溶解，用1MNaOH调节pH至碱性，然后将混合液移入圆底烧瓶中90℃加热搅拌回流3h。最后用超纯水离心洗涤多次，得到的沉淀在60℃下真空干燥一夜，即制得产物。

2一种无酶葡萄糖生物传感器的构建方法及其应用和测试方法，

2.1以5μL1mg/mL石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合材料修饰的玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂电极为对电极，用线性扫描伏安法（LSV）测定0.1MNaOH中含有的不同的葡萄糖标准浓度。

2.2绘制不同葡萄糖标准浓度对应响应电流值的线性关系图，得到线性关系。

2.3测试待测葡萄糖溶液相同条件下的相应电流值，根据步骤2.2得到的线性关系计算出待测葡萄糖的浓度。

本发明采用牛血清白蛋白（BSA）作为还原剂，碱性条件下制备石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合材料，目前还没有文献报道。该方法具有方法简单，不需要加入任何有毒还原试剂，利用率高等优点，BSA除了作为还原剂外，还可以作为稳定剂，稳定被还原的rGO和AuNPs，是一种高效环保且有利于大规模生产的制备方法。而且该材料修饰的电极对葡萄糖的检测比较灵敏，线性范围：1x10^-5-80mM，这与专利申请号为201510284749.8，专利名称为一种基于CuO薄膜的无酶葡萄糖传感器电极材料的制备方法中公开的检测范围0.001mM到0.6mM范围相比具有更宽的检测范围。本发明对葡萄糖的检测限：2.2nM。可以构建新型高性能的无酶葡萄糖生物传感器。

附图说明

图1为rGO-SWCNT-BSA-Au纳米复合材料和GO-SWCNT的紫外吸收光谱图；

图2为裸电极(a)，rGO-BSA-Au(b)，SWCNT-BSA-Au(c)和rGO-SWCNT-BSA-Au(d)在1MH₂SO₄中的CV图；

图3为rGO-SWCNT-BSA-Au在含有不同葡萄糖浓度的0.1MNaOH中的CV图。

具体实施方式

实施例1

首先将5mgGO和5mgSWCNT分散到10mL超纯水中，然后搅拌条件下超声2h，得到GO-SWCNT悬浮液。向得到的GO-SWCNT悬浮液中加入4.0mL1%(w/w)HAuCl₄超声搅拌0.5h,之后加入300mgBSA并搅拌使其溶解，用1MNaOH调节pH至碱性，然后将混合液移入圆底烧瓶中90℃加热搅拌回流3h。最后在12000r/min转速下离心获取下层沉淀物，用超纯水洗涤下层沉淀物，离心分离，重复多次，直至上层清液的pH值在7左右，得到的沉淀在60℃下真空干燥一夜，即制得产物。通过紫外吸收光谱如图1可以看出制得的复合物在268nm处有吸收峰，230nm处没有吸收峰，说明氧化石墨烯已被还原为石墨烯；而且复合物在520nm左右有很强的吸收峰，说明有大量纳米金生成。

实施例2

分别用相同条件下制得的复合材料：rGO-BSA-Au，SWCNT-BSA-Au，rGO-SWCNT-BSA-Au和裸电极修饰玻碳电极后，采用三电极体系（玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极）在5mL1MH₂SO₄溶液中进行循环伏安法测试，扫速为100mVs^-1，电压范围为0～1.8V，rGO-BSA-Au，SWCNT-BSA-Au和rGO-SWCNT-BSA-Au这3种材料都在1.1V左右开始出现阳极氧化峰，在0.98V左右出现很明显的阴极还原峰，且无论氧化峰还是还原峰都是rGO-SWCNT-BSA-Au的峰强度最强。如图2所示。说明石墨烯和单壁碳纳米管组合形成了三维结构的碳质材料，发挥其协同作用，从而提高了其电化学性能。

实施例3

rGO-SWCNT-BSA-Au修饰玻碳电极检测葡萄糖的电化学行为：采用三电极体系（玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极）在5mL含有0(a)、5mM(b)、10mM(c)、15mM(d)、20mM(e)和30mM(f)标准浓度的葡萄糖的0.1MNaOH溶液中进行循环伏安法测试，扫速为100mVs^-1，电压范围为-1V～1V。电解液中加了葡萄糖后在0V左右会有一个新的峰出现，且随着葡萄糖浓度的增大，0V左右纳米金的还原峰会逐渐减小，伴随着新出的峰逐渐增大，如图3所示。说明制得rGO-SWCNT-BSA-Au纳米复合材料对葡萄糖的响应良好。根据测算对葡萄糖检测的线性范围为1x10^-5-80mM，检出限为2.2nM。