CN105181772B - 石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法，首先，通过高温还原冷冻干燥后的氧化石墨烯复合材料制得石墨烯三维多孔材料(porous graphene,PGR)，利用Nafion的离子交换作用将三联吡啶钌(Ru(bpy)₃ ²⁺)固定在PGR修饰的玻碳电极上，并成功的用于对三丙胺的检测，线性范围是1×10^‑6到1×10^‑4M，检测线为1×10^‑9M，该传感器具有良好的稳定性和重复性。

Description

石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法

技术领域

本发明属于电化学发光传感器制备的技术领域，具体涉及石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法。

背景技术

电化学发光是物质在电极表面上发生电子转移反应形成激发态而发光的过程，是由电化学反应直接或间接引起的化学发光，三联吡啶钌电化学发光保留了化学发光的优点如灵敏度高、线性范围宽、观察方便、仪器简单等，又具有自身的特点如重现性好、试剂稳定、控制容易、检测限低等，因而广泛应用于食品、药物以及环境检测等方面。相比于液态三联吡啶钌电化学发光体系，固态三联吡啶钌电化学发光具有发光试剂可循环使用的优点，能大大降低发光试剂的损耗。因而在构建电化学发光传感器是备受关注。

对于构建固态电化学发光传感器，发光试剂的包埋基质是非常重要的。现有的技术中，主要使用氧化硅纳米粒子或溶胶，Nafion，碳纳米管和石墨烯等材料。石墨烯材料具有制备简单及导电性能好等优势，已被用于构建三联吡啶钌电化学发光传感器，但是所使用的石墨烯仅仅是分散液，由于石墨烯之间存在强烈的相互作用，很容易在电极表面形成薄膜，导致电极表面孔结构的丧失以及电极表面阻力的增加，在一定程度上影响了电化学发光传感器的性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法，该方法操作简单，工艺稳定，有效防止了石墨烯在电极表面容易成膜导致电极活性面积降低的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法，具体步骤如下：

(1)将石墨烯三维多孔材料(PGR)超声分散到Nafion溶液(全氟磺酸-聚四氟乙烯溶液)中制备浓度为1.0-10mg mL^-1的悬浮液，取1-10μL(优选5μL)PGR的悬浮液滴到玻碳电极表面干燥(优选在室温下干燥，可以节约干燥的时间)；

(2)将步骤(1)干燥后的电极浸入到0.02-0.2mg mL^-1 Ru(bpy)₃Cl₂溶液中浸泡时间为5-30min，将电极取出，清洗后最终获得所述的三联吡啶钌电化学发光传感器(Ru(bpy)₃ ²⁺/PGR/GCE)。

所述Nafion溶液的浓度为0.5-2wt％(优选1wt％)。

上述石墨烯三维多孔材料(PGR)的制备方法，步骤如下：

(1)将氧化石墨烯分散于聚乙烯醇中(优选：超声分散，分散均匀)，制得分散液；所述分散液中聚乙烯醇的浓度为2.5wt％，氧化石墨烯的浓度范围是5-7mg mL^-1(优选7mg mL^-1)

(2)将步骤(1)制备的分散液放入液氮中冷冻后迅速放到冷冻干燥机中，开启真空模式，冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作40-55h(优选48h)，得到氧化石墨烯多孔复合材料；

(3)将步骤(2)制得的氧化石墨烯多孔复合材料在保护气体中(优选氮气)气氛中煅烧，制得石墨烯三维多孔材料(PGR)。

所述冷冻干燥机功率为1200kw。

所述煅烧温度为700-800℃(优选750℃)，煅烧时间为1.5-3.5h，加热速率为2-5℃/min。

上述方法制备的三联吡啶钌电化学发光传感器，所述的传感器在食品、药物以及环境检测中的应用。

本发明的有益效果：

本发明方法中石墨烯多孔材料保持了石墨烯良好的导电性，同时具有良好的多孔结构和大的表面积，通过使用石墨烯三维多孔材料作为发光试剂的包埋基质，有效防止了石墨烯在电极表面容易成膜导致电极活性面积降低的缺点。

使用石墨烯多孔材料负载三联吡啶钌构建电化学发光传感器。相对于石墨烯来说，石墨烯多孔材料即具有良好的导电性，有具有良好的多孔结构，可防止石墨烯在电极表面上形成薄膜导致电子转移速率的降低。

通过改变石墨烯多孔材料分散液的浓度，可以调节在电极表面上的微观结构和三联吡啶钌的负载量。

石墨烯多孔材料修饰的电极表面具有良好的多孔结构，有利于负载生物分子等，可作为构建电化学发光生物传感器的平台。

附图说明

图1浓度分别为5mg mL^-1的PGR(A)及5mg mL^-1 GR(B)的扫描电镜图片；

图2Ru(bpy)₃ ²⁺/2.5PGR/GCE在存在1×10^-5M TPA(三丙胺)时的ECL强度-电压曲线，扫描速度为50mV s^-1，缓冲溶液pH＝8.2。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

量取6mL 2.5wt％的聚乙烯醇溶液加入到盛放在烧杯中的35mg氧化石墨烯中，超声分散40min后得到均匀的分散液。随后将烧杯放入盛有液氮的浴锅中冷冻获得的氧化石墨烯分散液。待其完全冷冻之后，将所得溶液放入冷冻温度已达-60℃的冷冻干燥机中，开启真空模式，真空冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作48小时，直至样品中的水分完全升华为止，便获得氧化石墨烯多孔复合物。随后，在750℃的氮气气氛中煅烧制备的氧化石墨烯多孔复合物，煅烧2h，加热速率为5℃/min。煅烧完毕后取出样品，得到石墨烯多孔材料。取PGR超声分散到1wt％Nafion溶液中制备1.25mg mL^-1 PGR。取5μL PGR的悬浮液滴到电极表面并在室温下干燥。随后，将干燥后的电极浸入到0.2mg mL^-1 Ru(bpy)₃Cl₂溶液中来固定Ru(bpy)₃ ²⁺。一段时间后，将电极取出，并用蒸馏水清洗，最终获得Ru(bpy)₃ ²⁺/PGR/GCE。

实施例2

量取6mL 2.5wt％的聚乙烯醇溶液加入到盛放在烧杯中的35mg氧化石墨烯中，超声分散40min后得到均匀的分散液。随后将烧杯放入盛有液氮的浴锅中冷冻获得的氧化石墨烯分散液。待其完全冷冻之后，将所得溶液放入冷冻温度已达-60℃的冷冻干燥机中，开启真空模式，真空冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作40小时，直至样品中的水分完全升华为止，便获得氧化石墨烯多孔复合物(PGR)。随后，在750℃的氮气气氛中煅烧制备的氧化石墨烯多孔复合物，煅烧3.5h，加热速率为5℃/min。煅烧完毕后取出样品，得到被还原成石墨烯的多孔块体。取一定量PGR超声分散到1wt％Nafion溶液中制备5mg mL^-1 PGR。

取5μL PGR的悬浮液滴到电极表面并在室温下干燥。随后，将干燥后的电极浸入到0.1mg mL^-1 Ru(bpy)₃Cl₂溶液中来固定Ru(bpy)₃ ²⁺。一段时间后，将电极取出，并用蒸馏水清洗，最终获得Ru(bpy)₃ ²⁺/PGR/GCE。

从图1(A)中可以明显观察到PGR具有三维贯通的多孔结构，这种多孔结构能够增加石墨烯的活性比表面积，并且为物质的扩散提供了很好的通道，使物质顺利进入电极表面参与电化学反应。图1(B)给出了GR膜的扫描电子显微图像，从图中可以看出GR中只含有较少的孔，而且和PGR相比，GR的孔结构也较差。综合以上结果表明制备的PGR的结构是与普通GR的结构是不同的，PGR具有优异的孔结构，这样的孔结构在后续的电化学实验中具有较大的优势。

实施例3

量取5mL 2.5wt％的PVA溶液加入到盛放在烧杯中的35mg氧化石墨烯中，超声分散40min后得到均匀的分散液。随后将烧杯放入盛有液氮的浴锅中冷冻获得的氧化石墨烯分散液。待其完全冷冻之后，将所得溶液放入冷冻温度已达-60℃的冷冻干燥机中，开启真空模式，真空冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作55小时，直至样品中的水分完全升华为止，便获得氧化石墨烯多孔复合物(PGR)。随后，在800℃的氮气气氛中煅烧制备的氧化石墨烯多孔复合物，煅烧1.5h，加热速率为2℃/min。煅烧完毕后取出样品，得到被还原成石墨烯的多孔块体。取一定量的PGR超声分散到1wt％Nafion溶液中制备2.5mg mL^-1 PGR。取5μl PGR的悬浮液滴到电极表面并在室温下干燥。随后，将干燥后的电极浸入到0.1mg mL^-1 Ru(bpy)₃Cl₂溶液中来固定Ru(bpy)₃ ²⁺。一段时间后，将电极取出，并用蒸馏水清洗，最终获得Ru(bpy)₃ ²⁺/PGR/GCE。图2给出了该修饰电极在加入1×10^-5M TPA前后的电化学发光图。从图中可以看到，到加入TPA后，电化学发光的信号出现明显的增强，说明可使用该方法检测TPA的浓度，通过加入不同浓度的TPA，可获得线性范围是1×10^-6到1×10^-4M，检测线为1×10^-9M。

实施例4

量取5mL 2.5wt％的PVA溶液加入到盛放在烧杯中的35mg氧化石墨烯中，超声分散40min后得到均匀的分散液。随后将烧杯放入盛有液氮的浴锅中冷冻获得的氧化石墨烯分散液。待其完全冷冻之后，将所得溶液放入冷冻温度已达-60℃的冷冻干燥机中，开启真空模式，真空冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作55小时，直至样品中的水分完全升华为止，便获得氧化石墨烯多孔复合物(PGR)。随后，在750℃的氮气气氛中煅烧制备的氧化石墨烯多孔复合物，煅烧1.5h，加热速率为2℃/min。煅烧完毕后取出样品，得到被还原成石墨烯的多孔块体。取一定量的PGR超声分散到0.5wt％Nafion溶液中制备1mg mL^-1 PGR。取5μL PGR的悬浮液滴到电极表面并在室温下干燥。随后，将干燥后的电极浸入到0.02mg mL^-1 Ru(bpy)₃Cl₂溶液中来固定Ru(bpy)₃ ²⁺。5min后，将电极取出，并用蒸馏水清洗，最终获得Ru(bpy)₃ ²⁺/PGR/GCE。

实施例5

量取7mL 2.5wt％的PVA溶液加入到盛放在烧杯中的35mg氧化石墨烯中，超声分散30min后得到均匀的分散液。随后将烧杯放入盛有液氮的浴锅中冷冻获得的氧化石墨烯分散液。待其完全冷冻之后，将所得溶液放入冷冻温度已达-60℃的冷冻干燥机中，开启真空模式，真空冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作48小时，直至样品中的水分完全升华为止，便获得氧化石墨烯多孔复合物(PGR)。随后，在800℃的氮气气氛中煅烧制备的氧化石墨烯多孔复合物，煅烧1.5h，加热速率为2℃/min。煅烧完毕后取出样品，得到被还原成石墨烯的多孔块体。取一定量的PGR超声分散到2wt％Nafion溶液中制备10mg mL^-1 PGR。取10μL PGR的悬浮液滴到电极表面并在室温下干燥。随后，将干燥后的电极浸入到0.2mg mL^-1 Ru(bpy)₃Cl₂溶液中来固定Ru(bpy)32+。5min后，将电极取出，并用蒸馏水清洗，最终获得Ru(bpy)32+/PGR/GCE。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种石墨烯多孔材料构建三联吡啶钌电化学发光传感器的方法，其特征是，具体步骤如下：

(1)将石墨烯三维多孔材料分散到Nafion溶液中制备浓度为1.0-10mg mL^-1的悬浮液，取1-10μL PGR的悬浮液滴到玻碳电极表面干燥，所述Nafion溶液的浓度为0.5-2wt％；

(2)将步骤(1)干燥后的电极浸入到0.02-0.2mg mL^-1Ru(bpy)₃Cl₂溶液中浸泡时间为5-30min，将电极取出，清洗后获得所述的三联吡啶钌电化学发光传感器；

所述石墨烯三维多孔材料的制备方法，步骤如下：

1)将氧化石墨烯分散于2.5wt％的聚乙烯醇中，制得分散液，所述分散液中氧化石墨烯的浓度是5-7mg mL^-1；

2)将步骤1)制备的分散液放入液氮中冷冻后放到冷冻干燥机中，开启真空模式，冷冻干燥机在真空冷冻模式下运作40-55h，得到氧化石墨烯多孔复合材料；

3)将步骤2)制得的多孔复合材料在保护气体中煅烧，制得石墨烯三维多孔材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤(1)中的干燥为在室温下干燥。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤(1)中的分散为超声分散。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3)中煅烧温度为700-800℃，煅烧时间为1.5-3.5h，加热速率为2-5℃/min。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3)中的保护气体为氮气。

6.权利要求1-5任一所述方法制备的三联吡啶钌电化学发光传感器。

7.权利要求6所述的传感器在食品、药物以及环境检测中的应用。