CN103940875A - 微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用。所述的三元复合物由氯化高铁血红素（hemin）、还原的氧化石墨烯和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）构成。本发明克服了传统生物酶活性易受环境温度、pH值和有毒试剂影响的缺点，可用于过氧化氢的多次长时间检测；同时提出了一种成本低廉，操作简单，方便快捷的电化学检测仪器和方法，避免了使用传统的昂贵、耗时、操作繁琐的分析检测仪器。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物传感器电极材料的应用，特别是涉及一种微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，属于石墨烯复合纳米材料技术领域。
背景技术
过氧化氢是一种重要的工业原料，也是许多工业生产过程的中间产物，其准确检测对相应生产过程的监控和产品质量的控制具有关键作用。目前，传统的过氧化氢检测方法多是基于光谱法和色谱法等，具有仪器昂贵、操作复杂、无法实现实时远程监测的缺点。然而，电化学法检测过氧化氢以其简单快速、成本低廉和便携性的特点逐渐成为一种重要的检测方法。无酶过氧化氢传感器通常选择性较差，而酶传感器又因酶的活性易受环境温度、pH和有毒试剂的影响而缺乏实用性。因此，开发高选择性、高灵敏度和高稳定性的过氧化氢传感器具有重要的意义。
微波辅助法是近年来在材料合成领域广受关注的一种新兴合成方法。微波具有升温快速和能量辐射集中、均一的特点，可以显著的缩短合成时间，节约能源，且产物质量较好。
自从2004年新型碳材料石墨烯诞生以来，其优异的导电性能和机械性能便得到广泛关注，许多基于石墨烯的复合材料已成功应用于电化学传感器领域。氯化高铁血红素（Hemin）是血红素类蛋白质的活性中心，对许多小分子（如一氧化氮、氧气、过氧化氢等）具有良好的催化作用。聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）是一种性能优良、在电化学领域使用广泛的功能材料。目前，Yanfei Xu等人已用hemin和氧化石墨烯制备了hemin-石墨烯（H-GNs）二元复合物（Advanced Materials, 2009, 21, 1275-1279.），Shaojun Dong等人基于H-GNs复合物实现了单核苷酸的比色法检测（ACS nano, 2011, 5, 1282-1290.），Yanfei Xu等人制备了高导电性、高柔性和透明度的石墨烯和PEDOT复合材料（Nano Research, 2009, 2, 343-348.）。但是上述两种二元复合物均难以直接用于电化学检测过氧化氢。
目前hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用。
一种微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物，所述的三元复合物由氯化高铁血红素（hemin）、还原的氧化石墨烯和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）构成，其中，hemin的质量分数为14%~30%，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）的质量分数为1%~10%，还原的氧化石墨烯的质量分数约为60%~84%。
一种微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的制备，包括如下步骤：
（1）、将氯化高铁血红素（hemin）、氧化石墨烯（GO）和氨水混合，磁力搅拌；
（2）、将3,4-乙撑二氧噻吩（EDOT）加入上述分散液，磁力搅拌；
（3）、将步骤（2）所得溶液转移至微波管中，温度110~180℃和时间5~40 min，进行聚合；
（4）、反应完成后微波管冷却至室温，将步骤（3）反应产物离心分离，过滤洗涤，真空干燥。
步骤（1）中所述的hemin和氧化石墨烯的质量比为1:4~5:4，溶液pH为9~12，搅拌时间3~6h。
步骤（2）中所述的EDOT和氧化石墨烯的质量比为355:1~1420:1，搅拌时间为0.5~2h。
步骤（4）中所述的真空干燥温度为60℃。
一种微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，将上述结构的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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和电流-时间曲线法。
上述测定方法中，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。
上述测定步骤中，所述的修饰电极是将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物滴涂在玻碳电极上制备而成。其中，Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）分散液的浓度为1mgmL-1，滴加量为2~10μL。
其中采用电流-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15min，连续加入过氧化氢（0.5~70μM），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。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1）采用微波辅助法，以微波代替常规的烘箱作为反应热源，通过改变微波的温度和时间等参数制备了Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合材料。相比传统的水热法，该制备方法具有耗时极短，能源利用率高，所用溶剂无毒无污染的优点；（2）采用廉价易得稳定性好的人工酶hemin，克服了传统生物酶活性易受环境温度、pH值和有毒试剂影响的缺点，可用于过氧化氢的多次长时间检测；（3）提出一种成本低廉，操作简单，方便快捷的电化学检测仪器和方法，避免了使用传统的昂贵、耗时、操作繁琐的分析检测仪器。
附图说明
附图1是本发明实施例1制备的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）的TEM照片。
附图2是本发明实施例2制备的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）的UV-vis图（A）和IR图（B）。
附图3是本发明实施例3制备的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）的交流阻抗图（A）和循环伏安图（B）。
附图4是本发明实施例3制备的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）对不同浓度过氧化氢的循环伏安图（A）和不同扫速下对过氧化氢的循环伏安图（B）。
附图5是本发明实施例3制备的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）对连续滴加过氧化氢的电流-时间曲线图（A）和相应峰电流和浓度的拟合曲线（B）。
附图6是本发明实施例3制备的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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：
（1）、将2.0 mg hemin 加入4 mL 2.0 mgmL-1氧化石墨烯分散液，搅拌下缓慢加入30 μL氨水（pH 9.0），磁力搅拌3h，形成红棕色分散均匀的混合液；
（2）、将20mmol EDOT加入上述分散液，磁力搅拌0.5h；
（3）、将步骤（2）所得溶液转移至微波管中进行微波聚合，设定微波固定功率250W，微波温度110℃，时间5min；
（4）、反应完成后微波管冷却至室温，将步骤（3）反应产物离心分离，过滤洗涤，在60℃下真空干燥。即得Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物。
将三元复合物通过X射线光电子能谱（XPS），测得hemin含量约为15%，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）含量约为1%，还原的氧化石墨烯含量约为84%。
如图1 TEM所示，可以看到褶皱状的石墨烯片上PEDOT清晰的交联网状结构，从插图中可以看出PEDOT链段呈短粗的纺锤形。
实施实例2：
（1）、将2.0 mg hemin 加入4 mL 2.0 mgmL-1氧化石墨烯分散液，搅拌下缓慢加入30 μL氨水（pH 9.0），磁力搅拌3h，形成红棕色分散均匀的混合液；
（2）、将30mmol EDOT加入上述分散液，磁力搅拌0.5h；
（3）、将步骤（2）所得溶液转移至微波管中进行微波聚合，设定微波固定功率250W，微波温度120℃，时间30min；
（4）、反应完成后微波管冷却至室温，将步骤（3）反应产物离心分离，过滤洗涤，在60℃下真空干燥。即得Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物。
将三元复合物通过X射线光电子能谱（XPS），测得hemin含量约为14%，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）含量约为5%，还原的氧化石墨烯含量约为81%。
其紫外可见图（UV-vis）如图2（A）所示，254nm处的吸收峰来自化学还原的氧化石墨烯，412nm处的宽峰来自hemin的Soret带，其约27nm的蓝移证实了hemin和石墨烯片层间π-π相互作用的存在。其红外光谱（IR）如图2（B）所示，吸收峰从1635 cm-1 蓝移至 1569 cm-1，证实了三元复合物的成功制备。故所制得的产物为Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元纳米复合材料。
实施实例3：
（1）、将6.2 mg hemin 加入4 mL 2.0 mgmL-1氧化石墨烯分散液，搅拌下缓慢加入40 μL氨水（pH 10.0），磁力搅拌4h，形成红棕色分散均匀的混合液；
（2）、将50mmol EDOT加入上述分散液，磁力搅拌1.5h；
（3）、将步骤（2）所得溶液转移至微波管中进行微波聚合，设定微波固定功率250W，微波温度120℃，时间30min；
（4）、反应完成后微波管冷却至室温，将步骤（3）反应产物离心分离，过滤洗涤，在60℃下真空干燥。即得Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物。
将三元复合物通过X射线光电子能谱（XPS），测得hemin含量为约28%，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）含量约为9%，还原的氧化石墨烯含量约为63%。
其交流阻抗（EIS）如图3（A）所示，相比一元和二元材料，Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的阻抗明显更低，导电性更好。其在磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲液的循环伏安图如图3（B）所示，可以看到对应于hemin中Fe（III）氧化还原反应的一对可逆峰，说明了所制得的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物有着优良的电化学性能。
实施实例4：
（1）、将10.0 mg hemin 加入4 mL 2.0 mgmL-1氧化石墨烯分散液，搅拌下缓慢加入50 μL氨水（pH 12.0），磁力搅拌6h，形成红棕色分散均匀的混合液；
（2）、将80mmol EDOT加入上述分散液，磁力搅拌2h；
（3）、将步骤（2）所得溶液转移至微波管中进行微波聚合，设定微波固定功率250W，微波温度180℃，时间40min；
（4）、反应完成后微波管冷却至室温，将步骤（3）反应产物离心分离，过滤洗涤，在60℃下真空干燥。即得Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物。
将三元复合物通过X射线光电子能谱（XPS），测得hemin含量约为30%，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）含量约为10%，还原的氧化石墨烯含量约为60%。
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的氧化铝粉末上研磨至光滑，再在超纯水、无水乙醇和超纯水超声处理2~3min，经氮气吹干，即得洁净玻碳电极，备用；
（2）、将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）复合物加入到二次蒸馏水中，经超声分散1h，得到褐色的1.0 mgmL-1均匀分散液；
（3）、取2μL上述分散液滴涂在玻碳电极表面，经干燥器干燥得到覆有敏感膜的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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：
将步骤（3）所得修饰电极放置于pH值7.0的0.1M磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲液中，通氮气15min，加入过氧化氢并搅拌2min后，使用循环伏安法，电位窗口为-0.8~0.2V，扫速为50mVs-1，检测修饰电极对过氧化氢的响应。如图4（A）所示，随着过氧化氢浓度从0.5mM逐渐增大到1.5mM，相应的还原峰电流亦逐步增大，表明修饰电极对过氧化氢有着良好的电催化活性；如图4（B）所示，在扫速60~200mVs-1范围内，过氧化氢还原峰电流和扫速的平方根成线性关系，表明过氧化氢在修饰电极表面是扩散控制过程。
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的氧化铝粉末上研磨至光滑，再在超纯水、无水乙醇和超纯水超声处理2~3min，经氮气吹干，即得洁净玻碳电极，备用；
（2）、将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）复合物加入到二次蒸馏水中，经超声分散1h，得到褐色的1.0 mgmL-1均匀分散液；
（3）、取5μL上述分散液滴涂在玻碳电极表面，经干燥器干燥得到覆有敏感膜的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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：
将步骤（3）所得修饰电极放置于pH值7.0的0.1M磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲液中，通氮气15min，使用电流-时间曲线法，设置初始电位-0.1V，检测修饰电极对过氧化氢的响应。结果显示，加入过氧化氢后没有出现清晰的响应台阶，表明修饰电极在-0.1V的初始电位下不足以催化还原过氧化氢。
应用实例3：
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的氧化铝粉末上研磨至光滑，再在超纯水、无水乙醇和超纯水超声处理2~3min，经氮气吹干，即得洁净玻碳电极，备用；
（2）、将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）复合物加入到二次蒸馏水中，经超声分散1h，得到褐色的1.0 mgmL-1均匀分散液；
（3）、取5μL上述分散液滴涂在玻碳电极表面，经干燥器干燥得到覆有敏感膜的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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：
将步骤（3）所得修饰电极放置于pH值7.0的0.1M磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲液中，通氮气15min，使用电流-时间曲线法，设置初始电位-0.2V，检测修饰电极对过氧化氢的响应。如图5（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催化还原是非常迅速的，且在0.5~70μM范围内，响应电流和浓度成线性关系（图5（B））。
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的氧化铝粉末上研磨至光滑，再在超纯水、无水乙醇和超纯水超声处理2~3min，经氮气吹干，即得洁净玻碳电极，备用；
（2）、将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）复合物加入到二次蒸馏水中，经超声分散1h，得到褐色的1.0 mgmL-1均匀分散液；
（3）、取5μL上述分散液滴涂在玻碳电极表面，经干燥器干燥得到覆有敏感膜的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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：
将步骤（3）所得修饰电极放置于pH值7.0的0.1M磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲液中，通氮气15min，使用电流-时间曲线法，设置初始电位-0.35V，检测修饰电极对过氧化氢的响应。结果显示，加入过氧化氢后也会出现响应台阶，且台阶高度和应用实例2相当，表明修饰电极在-0.35V和-0.2V的初始电位下的催化还原能力相当。
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：
（1）、将玻碳电极分别在0.1和0.03μm的氧化铝粉末上研磨至光滑，再在超纯水、无水乙醇和超纯水超声处理2~3min，经氮气吹干，即得洁净玻碳电极，备用；
（2）、将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）复合物加入到二次蒸馏水中，经超声分散1h，得到褐色的1.0 mgmL-1均匀分散液；
（3）、取5μL上述分散液滴涂在玻碳电极表面，经干燥器干燥得到覆有敏感膜的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）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：
将步骤（3）所得修饰电极放置于pH值7.0的0.1M磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲液中，通氮气15min，使用电流-时间曲线法，设置初始电位-0.2V，检测修饰电极对常见干扰物质的响应；如图6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。
Claims (6)
1.一种微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，其特征在于，将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物作为生物传感器的修饰电极材料应用于过氧化氢含量测定中，其中，所述的三元复合物由氯化高铁血红素、还原的氧化石墨烯和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）构成，氯化高铁血红素的质量分数为14%~30%，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）的质量分数为1%~10%，还原的氧化石墨烯的质量分数约为60%~84%。
2.根据权利要求1所述的微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，其特征在于，所述的测定方法为循环伏安法。
3.根据权利要求1所述的微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，其特征在于，所述的测定方法为电流-时间曲线法。
4.根据权利要求2或3任一所述的微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，其特征在于，所述的测定方法采用三电极体系，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。
5.根据权利要求4所述的微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，其特征在于，所述的修饰电极是将Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物滴涂在玻碳电极上制备而成，其中，Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）分散液的浓度为1mgmL-1，滴加量为2~10μL。
6.根据权利要求3或4所述的微波辅助法合成的Hemin-石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）三元复合物的应用，其特征在于，所述的测定方法包括如下步骤：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15min，连续加入浓度为0.5~70μM的过氧化氢，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。
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| CN103940875B (zh) | 2016-03-02 |
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