CN104280439A - 一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其步骤为：将泡沫镍在H2和Ar气氛下加热到1000℃，引入高纯度甲烷并保持10分钟以吸附碳源，迅速冷却至室温从而得到镍/石墨烯的三维网络，将样品放入浓盐酸中腐蚀镍模版得到自支撑石墨烯三维网络，通过电化学法在石墨烯表面均匀沉积铜颗粒并最终在K2S2O8和NaOH溶液中将铜氧化为氧化铜纳米花，最后得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。本发明制备的传感材料显示了优异的电化学传感性能，能极为精准的探测抗坏血酸，且原料廉价易得，工艺简单，产率高，重复性好。
Description
技术领域
本发明设计一种超高灵敏度生物传感材料，具体为三维石墨烯氧化铜纳米花核壳结构电化学生物传感材料及其在抗坏血酸探测中的应用，属于生物传感及探测领域。
背景技术
细胞、细菌等很多微生物对其周围的宏观、微观三维环境极其敏感，并且对于细胞而言，其正常代谢必需附着于一定的三维结构上。在体外生物传感、药物载体、组织培养和生物电池研究突飞猛进的今天，研究者希望通过模拟体内环境的三维结构来验证其在体外的研究结果同样适用于体内的条件。尤其对于生物传感领域，研究者希望在组织培养的同时能够同步检测环境中的待测物浓度。因此研制一种具有三维结构的生物传感材料迫在眉睫。
抗坏血酸也被称为维生素C是一种常见的水溶性药物被用来预防和治疗多种疾病。抗坏血酸对人体代谢具有重要作用，它参与到增强人体铁离子吸收、机体免疫细胞的正常机能和免疫应答、维持细胞正常分化。所以对于抗坏血酸的探测具有很大的科研与社会意义。
石墨烯作为一种最新发现的二维材料，以其极大的比表面积，优异的机械和电学性能，良好的生物相容性引起了全世界的关注，并已经应用到了生物传感领域。但由于石墨烯的传统生长方法的到的都是二维片状材料，且此形貌不易改变也不具有自支撑性，这就限制了进一步的应用。而三维石墨烯作为一种多孔网络结构有望解决这一问题，成为一种理想的导电电极材料。氧化铜作为一种过度金属氧化物最近收到了极大的关注，这都归功于其低廉的价格，简便的合成方法，稳定的化学性质和宽广的氧化还原窗口。氧化铜常用催化、半导体、电池和传感材料等领域。之前的研究证明氧化铜具有很好的电化学活性，有望取代天然的生物酶来用于抗坏血酸的探测。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的的制备方法，其设计方法和工艺简单，重复性好，产率高。
本发明实现上述目的所采用的技术方案是：
一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，所述生物传感材料为三维石墨烯(3DGF)氧化铜纳米花核壳结构，所述制备方法包括以下步骤：
1)一定体积的泡沫镍经乙醇、去离子水超声清洁后得到三维石墨烯所需的模版；
2)将经过步骤1)清洁的泡沫镍负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。
3)向步骤2)的CVD管式炉的石英管中通入H2和Ar使管体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃；
4)向步骤3)的石英管通入甲烷气体，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯；
5)将步骤4)所得放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架；
6)将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以H2SO4和CuSO4为电解液进行电镀。
7)将步骤6)的电镀产品浸入到K2S2O8和NaOH的溶液中并在水浴下保持5分钟，得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案： 在所述步骤1)中，H2和Ar的物质比例为H2/Ar=1:2。
在所述步骤2)中，通入甲烷的量为15sccm，温度1000℃，保温10分钟。
在所述步骤6)中，电解液中H2SO4和CuSO4的物质的量的比例为1:1~10:1。
在所述步骤6)中，电镀电压为-0.2V~-0.8V，电镀时间为15s~120s。
在所述步骤7)中，K2S2O8和NaOH浓度比为1:20~1:100，温度为70℃~100℃。
本发明制备的生物传感材料产品通过以下手段进行结构表征：采用X射线衍射仪、拉曼激光光谱仪、透射电子显微镜选区电子衍射进行样品物相结构和结晶性能的分析。采用场发射扫描电镜获得材料的微观形貌的电镜照片。
所述的电化学探测的测试条件为，在pH为6.5～9.0的PBS溶液中，以三维石墨烯氧化铜纳米花样品为工作电极，以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2V为工作电压测试时间-电流曲线，当加入一定量的多巴胺后，测得的电流对照线性校准曲线可得到多巴胺浓度。
本发明以甲烷为碳源，H2和Ar为保护气制备三维石墨烯。CuSO4为铜源，硫酸为生长诱导剂，K2S2O8和NaOH为氧化剂在三维石墨烯表面沉积了均匀的生长了氧化铜纳米花。所得的三维石墨烯氧化铜纳米花核壳结构具有很强的电化学催化活性，可以用于探测抗坏血酸。
本发明的研究采用化学气相沉积法利用特殊模版生长三维石墨烯，并通过电化学沉积和化学氧化法均匀地将氧化铜纳米花分散附着于其上，发明了一种超高灵敏度抗坏血酸电化学生物传感材料，它具有自支撑的三维结构、类抗坏血酸酶的催化性能和超高的电化学传感性能。
本发明与现有技术相比，具有以下突出特点：本发明所用原料均为常用试剂，廉价易得，制备工艺简单，周期短；其三维多孔结构有利于提高活性表面积、电化学响应性，固定催化剂，防止团聚现象，且便于分离。所得材料件对抗坏血酸具有2.06mAmM-1cm-2的超高的灵敏度。
附图说明
图1为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花（左）和三维石墨烯（右）的宏观照片。
图2为实施例1所制备三维石墨烯扫描电子显微镜照片。
图3-6为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花的由低倍到高倍的扫描电子显微镜照片。
图7为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料的XRD图谱。
图8为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料的拉曼光谱和EDS能谱图。
图9为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花、三维石墨烯、氧化铜的化学阻抗谱图。
图10为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花、三维石墨烯、氧化铜在0.04mM抗坏血酸溶液中的CV电化学对照曲线（扫描速率为50mV/s）。
图11为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料在0.04mM抗坏血酸溶液中不同扫面速率(10-60mV/s)CV电化学对照曲线。
图12为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料在0，0.04mM抗坏血酸溶液中的CV电化学对照曲线（扫描速率为50mV/s）。
图13为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料的电流-浓度校准曲线及其与三维石墨烯和CuO/玻碳电极的对照曲线。
图14为实施例1所制备三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料的特异性探测抗坏血酸试验电流-时间曲线，其中干扰物包括多巴胺、尿酸、葡萄糖、果糖、氯化胆碱和氯化钠。
具体实施方式
实施例1。
取4平方厘米泡沫镍经乙醇，去离子水超声清洁后的得到三维石墨烯所需的模版。将清洁的泡沫镍负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。向石英管中通入150sccm H2和300sccm Ar，使管体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃。通入15sccm纯度在99%以上的甲烷气体，并保持10分钟，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯。将所得样品放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4为电解液，在-0.40V条件下电镀30秒。后将样品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80℃水浴下保持5分钟，并最终得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
将所得材料件用于电化学探测抗坏血酸：在pH为7.2的PBS溶液中，以三维石墨烯氧化铜纳米花样品为工作电极，以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2V为工作电压测试时间-电流曲线，当加入一定量的抗坏血酸后，测得的电流对照线性校准曲线可得到抗坏血酸浓度。
实施例2。
取100平方厘米泡沫镍经乙醇，去离子水超声清洁后的得到三维石墨烯所需的模版。将清洁的泡沫镍负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。向石英管中通入1000sccmH2和3000sccmAr，使管体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃。通入100sccm纯度在99%以上甲烷气体，并保持10分钟，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯。将所得样品放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4为电解液，在-0.40V条件下电镀30秒。后将样品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80℃水浴下保持5分钟，并最终得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
将所得材料件用于电化学探测抗坏血酸：在pH为7.2的PBS溶液中，以三维石墨烯氧化铜纳米花样品为工作电极，以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2V为工作电压测试时间-电流曲线，当加入一定量的抗坏血酸后，测得的电流对照线性校准曲线可得到抗坏血酸浓度。
实施例3。
取4平方厘米泡沫镍经乙醇，去离子水超声清洁后的得到三维石墨烯所需的模版。将清洁的泡沫镍负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。向石英管中通入150sccmH2和300sccmAr，使管体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃。通入15sccm纯度在99%以上甲烷气体，并保持5分钟，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯。将所得样品放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4为电解液，在-0.40V条件下电镀30秒。后将样品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80℃水浴下保持5分钟，并最终得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
将所得材料件用于电化学探测抗坏血酸：在pH为7.2的PBS溶液中，以三维石墨烯氧化铜纳米花样品为工作电极，以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2V为工作电压测试时间-电流曲线，当加入一定量的抗坏血酸后，测得的电流对照线性校准曲线可得到抗坏血酸浓度。
实施例4。
取4平方厘米泡沫镍经乙醇，去离子水超声清洁后的得到三维石墨烯所需的模版。将清洁的泡沫镍负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。向石英管中通入150sccmH2和300sccmAr，使管体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃。通入15sccm纯度在99%以上甲烷气体，并保持10分钟，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯。将所得样品放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2M H2SO4和0.01 M CuSO4为电解液，在-0.40V条件下电镀30秒。后将样品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80℃水浴下保持5分钟，并最终得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
将所得材料件用于电化学探测抗坏血酸：在pH为7.2的PBS溶液中，以三维石墨烯氧化铜纳米花样品为工作电极，以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2V为工作电压测试时间-电流曲线，当加入一定量的抗坏血酸后，测得的电流对照线性校准曲线可得到抗坏血酸浓度。
实施例5。
取4平方厘米泡沫镍经乙醇，去离子水超声清洁后的得到三维石墨烯所需的模版。将清洁的泡沫镍负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。向石英管中通入150sccmH2和300sccmAr，使腔体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃。通入15sccm纯度在99%以上甲烷气体，并保持10分钟，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯。将所得样品放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4为电解液，在-0.50V条件下电镀60秒。后将样品浸入到0.1 M K2S2O8和2 M NaOH溶液中并在80℃水浴下保持5分钟，并最终得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
将所得材料件用于电化学探测抗坏血酸：在pH为7.2的PBS溶液中，以三维石墨烯氧化铜纳米花样品为工作电极，以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以0.2V为工作电压测试时间-电流曲线，当加入一定量的抗坏血酸后，测得的电流对照线性校准曲线可得到抗坏血酸浓度。
从图1-6可以看出，三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料具有较大的比表面积，含有大量的微米级孔洞，且排列较为规则。并无断裂破损情况，对氧化铜纳米花有很好的固定作用。氧化铜纳米花直径约为400nm，排列取向规则，并无团聚现象，形成均匀分布于三维石墨烯表面的纳米花阵列。
从图7-8可以看出，制备样品的XRD、拉曼和EDS图谱无杂峰，说明样品的纯度高。
从图9-14可以直观地看出，制备的三维石墨烯氧化铜纳米花相比三维石墨烯或氧化铜独立样品有更高的电化学活性，更高的线性探测范围和灵敏度，且具有很好的对抗坏血酸的探测特异性。
Claims (6)
1.一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其特征在于：所述生物传感材料为三维石墨烯氧化铜纳米花核壳结构，所述制备方法包括以下步骤：
1)一定体积的泡沫镍经乙醇、去离子水超声清洁后得到三维石墨烯所需的镍模版；
2)将经过步骤1)所得的镍模版负载于石英舟中，送入CVD管式炉并保证气密性。
3)向步骤2)的CVD管式炉的石英管中通入H2和Ar使管体内气压达到大气压并在1小时内升温到1000℃；
4)向步骤3)的石英管通入高纯甲烷，后关闭甲烷气体在10分钟内快速冷却到室温，得到镍三维石墨烯；
5)将步骤4)所得放入3 M HCl溶液中在80℃保温3小时去除镍模版得到三维自支撑石墨烯框架；
6)将三维石墨烯为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极接入电化学工作站，以H2SO4和CuSO4为电解液进行电镀。
7)将步骤6)的电镀产品浸入到K2S2O8和NaOH的溶液中并在水浴下保持5分钟，得到三维石墨烯氧化铜纳米花生物传感材料。
2.根据权利要求1所述的一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)中，H2和Ar的物质比例为H2/Ar=1:2。
3.根据权利要求1所述的一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中，通入甲烷的量为15sccm，温度1000℃，保温10分钟。
4.根据权利要求1所述的一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤6)中，电解液中H2SO4和CuSO4的物质的量的比例为1:1~10:1。
5.根据权利要求1所述的一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤6)中，电镀电压为-0.2V~-0.8V，电镀时间为15s~120s。
6.根据权利要求1所述的一种新型超高灵敏度抗坏血酸生物传感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤7)中，K2S2O8和NaOH浓度比为1:20~1:100，温度为70℃~100℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150114 |