CN108751173A - 基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备 - Google Patents

基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备 Download PDF

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俞泽民
王钊
岳红彦
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Abstract

本发明涉及基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备。本发明是要解决现有材料在检测左旋多巴时灵敏度低和选择性差的问题。本发明主要包括：一、液相还原法制备镍纳米颗粒；二、化学气相沉积法制备三维石墨烯。本发明制备的三维石墨烯材料具有孔径尺寸小、比表面积大和电导性好等优点，基于该三维石墨烯制备的左旋多巴生物传感器灵敏度高，选择性好，具有很好的临床意义。

Description

基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备
技术领域
本发明涉及一种基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备。
背景技术
石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的二维材料，是构建其他维度碳材料的基本单元。石墨烯具有大的比表面积，高的导电、导热性能、优异的机械性能和生物传感性能。三维石墨烯材料不仅继承二维石墨烯的优良性能，而且具有更大的比表面积，三维石墨烯高的导电性、大的比表面积和生物相容性，使其成为生物传感器电极的理想材料。
三维石墨烯的制备方法主要有化学气相沉积法和还原氧化石墨烯法。还原氧化石墨烯制备的三维石墨烯因为缺陷的存在会使其导电性能下降。化学气相沉积法制备出的石墨烯具有较高的质量、极少的缺陷及良好的导电性能，因而被广泛应用。目前化学气相沉积法制备三维石墨烯主要采用商业泡沫镍作为模板，但其制作出的三维石墨烯孔径较大并且刻蚀后易塌陷，因此制备出一种孔径小，比表面积大和机械强度高的三维石墨烯材料具有重要的科学意义。
帕金森病是一种常见的神经系统疾病，其临床表现主要包括静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态障碍，同时患者可伴有抑郁、便秘和睡眠障碍等非运动症状。多巴胺（DA）受损是导致帕金森病的主要原因。左旋多巴(LD)可以通过血脑障碍且在芳香族氨基酸脱羧酶的作用下生成DA，以弥补脑部多巴胺的不足，可以治疗帕金森病，但过量的LD会对人体产生毒副作用，且在人体的中枢神经系统和血清中，尿酸与左旋多巴共存，所以在尿酸的干扰下，准确的检测LD的含量具有重大的研究意义。
发明内容
本发明是要解决商业镍模板通过化学气相沉积法制备出的三维石墨烯孔径较大，刻蚀后易塌陷，在生物传感器应用方面受限的技术问题，开发一种新颖的三维石墨烯的制备方法并以此为基础制备出左旋多巴生物传感器，该传感器的制备按以下步骤进行：
一、液相还原法制备镍纳米颗粒
1）取0.1-0.3 mol的NiCl2·6H2O与去离子水混合，50℃水浴加热直至NiCl2·6H2O完全溶解，然后加入0.4-1.2 mol的水合肼（N2H4·H2O），溶液变为浅紫色，溶液温度升至约60℃，步骤一1）中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为300-500 r/min；步骤一1）中N2H4·H2O的质量分数为80%；
2）用少量去离子水冲去烧杯壁所残留的浅紫色黏着物，待其温度降至50℃后加入0.4-1.2 mol的NaOH溶液，溶液变成浅绿色，随着反应时间的增加，溶液逐渐变黑，反应3 h后溶液底部出现黑色沉淀，上层为澄清溶液，步骤一2）中NaOH的质量分数为50%；
3）将步骤一2）中得到的黑色沉淀分别用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后60-80℃真空干燥3-4 h，得到球形镍纳米颗粒；
二、化学气相沉积法制备三维石墨烯：
1）将陶瓷圈放置在陶瓷板上，松散的镍纳米颗粒将其装满，置于石英管式炉中央，在氩气和氢气的保护下从室温以10-20℃/min 的升温速率加热至温度为700-800℃，并在温度为700-800℃的条件下保温30-60 mins，此时松散的镍纳米颗粒烧结在一起形成三维镍模板，在温度为700-800℃的条件下向管式炉中以5-20 sccm的流速通入甲烷气体10-20mins，然后将石英管式炉以100-150℃/min 的冷却速率从温度为700-800℃冷却至室温，此时在三维镍模板表面包覆着多层石墨烯；步骤二1）中所述的陶瓷圈外径为26.3 mm，内径为18.2 mm，厚度为3 mm；步骤二1）中所述的球形镍纳米颗粒，直径为200-500 nm；步骤一1）中所述的氩气的流速为450-500 sccm，氢气的流速为100-200 sccm；
2）将聚甲基丙烯酸甲酯溶于乳酸乙酯中，并且在温度为80-120℃的条件下加热搅拌1-2 h得到混合溶液，使用移液枪将混合溶液滴加到步骤二1）得到的被石墨烯包裹的三维镍模板上，然后在温度为150-200℃的条件下保温0.5-1 h，使长有石墨烯的三维镍模板外包覆一层聚甲基丙烯酸甲酯；步骤二2）中所述的混合溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为4%-5%；
3）将步骤二2）得到的表面包覆聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯完全浸泡于温度为80-90℃、浓度为3-4 mol/L的盐酸溶液中6-12 h得到去除镍的三维石墨烯；
4）将步骤二3）得到的去除镍的三维石墨烯浸泡于温度为60-70℃的丙酮中4-6 h，得到去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯，然后用去离子水将得到的三维石墨烯清洗干净，最后将清洗干净的去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯转移到干净的ITO玻璃上，冷冻干燥0.5-1 h，得到三维石墨烯生物传感器；
本发明的优点：
（1）本发明方法通过液相还原法可制备出低成本、高产量的镍纳米颗粒，然后以该镍纳米颗粒为模板通过化学气相沉积法制备出孔径小、比表面积大、缺陷少的三维石墨烯材料；
（2）本发明制备出的三维石墨烯孔径小、机械强度高，刻蚀掉镍后不会塌陷，能够完整的保持模板的三维结构。
附图说明
图1是制备的镍纳米颗粒的扫描电镜照片；
图2是三维石墨烯的扫描电镜照片；
图3是三维石墨烯的拉曼图谱；
图4是三维石墨烯的X射线衍射图谱；
图5是三维石墨烯/ITO玻璃电极检测不同浓度LD的差分脉冲伏安（DPV）曲线；
图6是三维石墨烯/ITO玻璃电极检测不同浓度LD的DPV拟合曲线；
图7是三维石墨烯/ITO玻璃电极在UA干扰下检测不同浓度LD的DPV曲线；
图8是三维石墨烯/ITO玻璃电极在UA干扰下检测不同浓度LD的DPV拟合曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备，其特征在于三维石墨烯材料的合成方法是按以下步骤进行的：
一、液相还原法制备镍纳米颗粒
1）取0.1-0.3 mol的NiCl2·6H2O与去离子水混合，50℃水浴加热直至NiCl2·6H2O完全溶解，然后加入0.4-1.2 mol的水合肼（N2H4·H2O），溶液变为浅紫色，溶液温度升至约60℃，步骤一1）中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为300-500 r/min；步骤一1）中N2H4·H2O的质量分数为80%；
2）用少量去离子水冲去烧杯壁所残留的浅紫色黏着物，待其温度降至50℃后加入0.4-1.2 mol的NaOH溶液，溶液变成浅绿色，随着反应时间的增加，溶液逐渐变黑，反应3 h后溶液底部出现黑色沉淀，上层为澄清溶液，步骤一2）中NaOH的质量分数为50%；
3）将步骤一2）中得到的黑色沉淀分别用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后60-80℃真空干燥3-4 h，得到球形镍纳米颗粒；
二、化学气相沉积法制备三维石墨烯：
1）将陶瓷圈放置在陶瓷板上，松散的镍纳米颗粒将其装满，置于石英管式炉中央，在氩气和氢气的保护下从室温以10-20℃/min 的升温速率加热至温度为700-800℃，并在温度为700-800℃的条件下保温30-60 mins，此时松散的镍纳米颗粒烧结在一起形成三维镍模板，在温度为700-800℃的条件下向管式炉中以5-20 sccm的流速通入甲烷气体10-20mins，然后将石英管式炉以100-150℃/min 的冷却速率从温度为700-800℃冷却至室温，此时在三维镍模板表面包覆着多层石墨烯；步骤二1）中所述的陶瓷圈外径为26.3 mm，内径为18.2 mm，厚度为3 mm；步骤二1）中所述的球形镍纳米颗粒，直径为200-500 nm；步骤一1）中所述的氩气的流速为450-500 sccm，氢气的流速为100-200 sccm；
2）将聚甲基丙烯酸甲酯溶于乳酸乙酯中，并且在温度为80-120℃的条件下加热搅拌1-2 h得到混合溶液，使用移液枪将混合溶液滴加到步骤二1）得到的被石墨烯包裹的三维镍模板上，然后在温度为150-200℃的条件下保温0.5-1 h，使长有石墨烯的三维镍模板外包覆一层聚甲基丙烯酸甲酯；步骤二2）中所述的混合溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为4%-5%；
3）将步骤二2）得到的表面包覆聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯完全浸泡于温度为80-90℃、浓度为3-4 mol/L的盐酸溶液中6-12 h得到去除镍的三维石墨烯；
4）将步骤二3）得到的去除镍的三维石墨烯浸泡于温度为60-70℃的丙酮中4-6 h，得到去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯，然后用去离子水将得到的三维石墨烯清洗干净，最后将清洗干净的去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯转移到干净的ITO玻璃上，冷冻干燥0.5-1 h，得到三维石墨烯生物传感器；
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一1）中0.1-0.2 mol的NiCl2·6H2O与离子水混合，50℃水浴加热直至NiCl2·6H2O完全溶解，然后加入0.4-1.2mol的水合肼（N2H4·H2O），其它与具体实施方式一相同；
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二1）中在温度为700-800℃的条件下向管式炉中以10 sccm的流速通入甲烷气体；其它与具体实施方式一或之二相同；
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二1）中通入甲烷气体的时间为10 mins；其它与具体实施方式一至三之一相同；
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：本试验的一种三维石墨烯材料的制备方法是按以下方法实现：
一、液相还原法制备镍纳米颗粒
1） 取0.1 mol的NiCl2·6H2O与27 ml去离子水混合，50℃水浴加热直至NiCl2·6H2O完全溶解，然后加入0.4 mol的水合肼（N2H4·H2O），溶液变为浅紫色，溶液温度升至约60℃，步骤一1）中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为300 r/min；步骤一1）中N2H4·H2O的质量分数为80%；
2）用少量去离子水冲去烧杯壁所残留的浅紫色黏着物，待其温度降至50℃后加入32ml的NaOH（0.4 mol/L）溶液，溶液变成浅绿色，随着反应时间的增加，溶液逐渐变黑，反应3h后溶液底部出现黑色沉淀，上层为澄清溶液，步骤一2）中NaOH 的质量分数为50%；
3）将步骤一2）中得到的黑色沉淀分别用用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后80℃真空干燥3 h，得到球形镍纳米颗粒；
二、化学气相沉积法制备三维石墨烯：
1）将陶瓷圈放置在陶瓷板上，松散的镍纳米颗粒将其装满，置于石英管式炉中央，在氩气和氢气的保护下从室温以10℃/min 的升温速率加热至温度为800℃，并在800℃保温30mins，此时松散的镍纳米颗粒烧结在一起形成三维镍模板，在温度800℃的条件下向管式炉中以20 sccm 的流速通入甲烷气体20 mins，然后将石英管式炉以150℃/min 的冷却速率从800℃冷却至室温，此时在三维镍模板表面包覆着多层石墨烯；步骤二1）中所述的陶瓷圈外径为26.3 mm，内径为18.2 mm，厚度为3 mm；步骤二1）中所述的球形镍纳米颗粒，直径为200-500 nm；步骤一1）中所述的氩气的流速为500 sccm，氢气的流速为200 sccm；
2）将聚甲基丙烯酸甲酯溶于乳酸乙酯中，并且在温度为100℃的条件下加热搅拌1 h得到混合溶液，使用移液枪将混合溶液滴加到步骤二1）得到的被石墨烯包裹的三维镍模板上，然后在150℃的条件下保温1 h，使长有石墨烯的三维镍模板外包覆一层聚甲基丙烯酸甲酯；步骤二2）中所述的混合溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为4%-5% ；
3）将步骤二2）得到的表面包覆聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯完全浸泡于温度为80℃、浓度为3 mol/L的盐酸溶液中12 h 得到去除镍的三维石墨烯；
4）将步骤二3）得到的去除镍的三维石墨烯浸泡于温度为60℃的丙酮中6 h，得到去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯，然后用去离子水将得到的三维石墨烯清洗干净，最后将清洗干净的去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯转移到干净的ITO玻璃上，冷冻干燥0.5h，得到三维石墨烯生物传感器。
图1是制备的镍纳米颗粒的扫描电镜照片；从图中可以看出镍纳米颗粒的直径尺寸为200 -500 nm左右，形貌规整且分散均匀。
图2是三维石墨烯的扫描电镜照片；从图中可以看出三维石墨烯为多孔结构，孔径尺寸为1-2 μm左右。
图3是三维石墨烯的拉曼图谱；由图中可以看出，拉曼光谱在1345，1580以及2700cm-1的位置处出现了三个石墨烯的特征峰，三个峰分别是由SP3轨道杂化碳原子共面振动而引起的D带，双共振拉曼散射而引起的2D带以及SP2杂化碳原子共面振动引起的G带。轻微的D带说明三维石墨烯存在少量缺陷。IG与I2D的比值约为1，表明制备的是多层三维石墨烯材料。
图4是三维石墨烯的X射线衍射图谱；衍射角2θ在26. 3°和54. 6°的位置出现了明显的衍射峰，分别对应于石墨烯的(002) 及 (004) 的衍射晶面。
试验二：三维石墨烯/ITO作为工作电极的检测试验，具体操作如下：
1）将三维石墨烯/ITO作为工作电极，有效的材料面积为0.7 cm2，银/氯化银作为参比电极，铂丝作为对电极，采用传统三电极系统通过差分脉冲伏安方法（DPV）测试，电位恒定为50 mV，脉冲高度为4 mV，扫描速率为8 mV/s，从而获得该材料对不同浓度左旋多巴的电流响应；所述的三维石墨烯材料是试验一制备的；
2）采用传统三电极系统通过脉冲伏安方法测试，电位恒定为50 mV，脉冲高度为4 mV，扫描速率为8 mV/s，获得该材料在尿酸（UA）干扰下对不同浓度多巴胺的电流相应；所述的三维石墨烯材料是试验一制备的；
图5是三维石墨烯生物传感器检测不同浓度LD的DPV曲线。LD的氧化峰出现在+0.2 V，随着LD浓度(CLD)的增加，氧化峰电流逐渐升高。
图6是三维石墨烯生物传感器检测不同浓度LD的差分脉冲伏安DPV的拟合曲线。由拟合曲线可知，LD的氧化峰电流(Ip)与对应的浓度值呈线性关系，拟合曲线方程为：Ip=(0.95±0.13)+ (0.24±0.01)CLD ，线性相关系数R2=0.9856。由此可知，在LD的浓度为0-60μM时，该电极检测LD的灵敏度为0.24 μA·μM-1，实际测得的检测限为1 μM。
图7是三维石墨烯生物传感器在尿酸干扰下检测不同浓度LD的DPV曲线。LD的氧化峰出现在+0.2 V，随着LD浓度(CLD)的增加，氧化峰电流逐渐升高。
图8是三维石墨烯生物传感器在尿酸干扰下检测不同浓度LD的DPV的拟合曲线。由拟合曲线可知，LD的氧化峰电流(Ip)与对应的浓度值呈线性关系，拟合曲线方程为：Ip=(0.91±0.27)+ (0.23±0.01)CLD ，线性相关系数R2=0.9931。由此可知，在尿酸干扰下检测不同浓度LD灵敏度为0.23 μA·μM-1，实际测得的检测限为1 μM。与单独检测左旋多巴时，灵敏度非常接近，证明尿酸存在时，该三维石墨烯材料对左旋多巴仍然具有良好的选择性。

Claims (2)

1.基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备，其特征在于三维石墨烯材料的合成方法是按以下步骤进行的：
一、液相还原法制备镍纳米颗粒
1）取0.1-0.3 mol的NiCl2·6H2O与去离子水混合，50℃水浴加热直至NiCl2·6H2O完全溶解，然后加入0.4-1.2 mol的水合肼（N2H4·H2O），溶液变为浅紫色，溶液温度升至约60℃，步骤一1）中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为300-500 r/min；步骤一1）中N2H4·H2O的质量分数为80%；
2）用少量去离子水冲去烧杯壁所残留的浅紫色黏着物，待其温度降至50℃后加入0.4-1.2 mol的NaOH溶液，溶液变成浅绿色，随着反应时间的增加，溶液逐渐变黑，反应3 h后溶液底部出现黑色沉淀，上层为澄清溶液，步骤一2）中NaOH的质量分数为50%；
3）将步骤一2）中得到的黑色沉淀分别用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后60-80℃真空干燥3-4 h，得到球形镍纳米颗粒；
二、化学气相沉积法制备三维石墨烯：
1）将陶瓷圈放置在陶瓷板上，松散的镍纳米颗粒将其装满，置于石英管式炉中央，在氩气和氢气的保护下从室温以10-20℃/min 的升温速率加热至温度为700-800℃，并在温度为700-800℃的条件下保温30-60 mins，此时松散的镍纳米颗粒烧结在一起形成三维镍模板，在温度为700-800℃的条件下向管式炉中以5-20 sccm的流速通入甲烷气体10-20mins，然后将石英管式炉以100-150℃/min 的冷却速率从温度为700-800℃冷却至室温，此时在三维镍模板表面包覆着多层石墨烯；步骤二1）中所述的陶瓷圈外径为26.3 mm，内径为18.2 mm，厚度为3 mm；步骤二1）中所述的球形镍纳米颗粒，直径为200-500 nm；步骤一1）中所述的氩气的流速为450-500 sccm，氢气的流速为100-200 sccm；
2）将聚甲基丙烯酸甲酯溶于乳酸乙酯中，并且在温度为80-120℃的条件下加热搅拌1-2 h得到混合溶液，使用移液枪将混合溶液滴加到步骤二1）得到的被石墨烯包裹的三维镍模板上，然后在温度为150-200℃的条件下保温0.5-1 h，使长有石墨烯的三维镍模板外包覆一层聚甲基丙烯酸甲酯；步骤二2）中所述的混合溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为4%-5%；
3）将步骤二2）得到的表面包覆聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯完全浸泡于温度为80-90℃、浓度为3-4 mol/L的盐酸溶液中6-12 h得到去除镍的三维石墨烯；
4）将步骤二3）得到的去除镍的三维石墨烯浸泡于温度为60-70℃的丙酮中4-6 h，得到去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯，然后用去离子水将得到的三维石墨烯清洗干净，最后将清洗干净的去除聚甲基丙烯酸甲酯的三维石墨烯转移到干净的ITO玻璃上，冷冻干燥0.5-1 h，得到三维石墨烯生物传感器。
2.基于三维石墨烯的左旋多巴生物传感器的制备，其特征在于三维石墨烯/ITO作为生物传感器的工作电极电化学检测左旋多巴。
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