CN108872343A - 一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器及其制备与应用 - Google Patents

一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器及其制备与应用 Download PDF

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朴金花
林芷琪
王雯童
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Abstract

本发明属于电化学传感器技术领域，公开了一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器及其制备与应用。所述传感器由参比电极、对电极及修饰后的工作电极组成，修饰后的工作电极由工作电极及固化在工作电极表面的物质识别膜组成，其中，所述物质识别膜主要由氮掺杂石墨烯复合材料与全氟磺酸树脂制备而成。本发明还公开了传感器的制备方法。本发明的传感器具有良好的选择性、重现性和稳定性，可对多巴胺进行准确检测，抗干扰能力强；同时具有较宽的检测范围，较低的检测限。本发明的方法简单，成本低。所制备的传感器用于检测多巴胺。

Description

一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器及其制备与应用
技术领域
本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及一种基于氮掺杂石墨烯的检测多巴胺的传感器及其制备方法与应用。
背景技术
作为生物体内最重要的儿茶酚胺之一的多巴胺(dopamine，以下简称DA)，是一种在神经元之间传递信息的介体，即神经递质，其浓度范围约为10-7～10-3mol/L。DA在中枢神经系统、心血管系统、肾脏系统和荷尔蒙分泌系统的功能中起着不可或缺的作用，并且DA浓度的异常会影响甚至引发帕金森病、HIV感染、精神分裂症、高尿酸血症和类风湿关节炎等许多疾病。目前，已报道的血多巴胺检测方法较多，常见的有气液色谱-质谱联用法、温度测定法、分子发光法、比色法等，这些方法有明显的不足，测试需要大量的样品试剂、精密昂贵的仪器、专业的技术操作人员、测试速度较慢，干扰因素多等，同时，这些检测方法中的选择性大多依赖于对多巴胺特异性识别的酶或抗体，并具有损坏性和成本相当昂贵。因此，针对血清或者药物样品，设计出简单、高选择性、低成本、快速和高灵敏的多巴胺检测方法仍然极具临床意义。
电化学检测方法具有对目标物有较高的识别能力，样品用量少、响应快，成本低、体积小，便于普及的优点，因此，选取合适的催化材料，制备研发简便、快速、精准、灵敏度高的电化学多巴胺传感器将在临床医学上有重大应用前景。对于多巴胺的检测方法中，多依赖于多巴胺特异性识别的酶或抗体等生物活性物质制备生物传感器，除了价格昂贵之外，还有其他的不足，以酶为例，在储存和使用过程中环境的温度酸碱度等方面都对其生物活性有严重影响，这就会影响到其应用，选择非酶的、价格便宜的对多巴胺具有催化活性的物质制备多巴胺电化学传感器具有重要意义。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有良好的选择性、灵敏度和稳定性的基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器。
本发明的另一目的在于提供上述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器在多巴胺检测中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，由参比电极、对电极及修饰后的工作电极组成，所述修饰后的工作电极由工作电极及固化在工作电极表面的物质识别膜组成，其中，所述物质识别膜主要由氮掺杂石墨烯复合材料与全氟磺酸树脂制备而成。
所述物质识别膜具体是指全氟磺酸树脂配成溶液；然后将氮掺杂石墨烯复合材料(N-GN)与全氟磺酸树脂溶液(Nafion)混合，负载在工作电极表面，成膜。
所述氮掺杂石墨烯复合材料具体通过以下方法制备得到：
(a)将氧化石墨烯与苯胺分散均匀；在氧化剂的作用下和酸性介质中，苯胺发生聚合反应，然后置于水热反应釜中进行水热反应，得到复合物；
(b)将复合物在惰性氛围中进行煅烧，获得氮掺杂石墨烯复合材料。
所述氧化石墨烯与苯胺的质量体积比为(50～200)mg：(0.25～1)mL；
所述氧化剂为过硫酸铵，所述酸性介质为盐酸，所述氧化剂与酸性介质的摩尔比为(1～4.5)：1，苯胺与酸性介质的体积摩尔比为(0.25～1)mL:2.5mmol；酸性介质以水溶液的形式加入，酸性介质的浓度为0.5mol/L；所述聚合反应的温度为4～10℃，聚合反应的时间为4～12h；所述水热反应的温度为100-200℃，优选为160～200℃，水热反应的时间为12～18h。
所述煅烧的氛围为保护性氛围，所述保护性氛围为氮气或惰性气体，所述煅烧是指先在400～500℃下煅烧，后在700～800℃继续煅烧；所述煅烧的时间为1.5～2.5小时，所述继续煅烧的时间为0.5～1.5小时。
步骤(a)的具体步骤为将氧化石墨烯在水中超声剥离，加入苯胺超声分散均匀；然后低温下，加入氧化剂与酸性介质的混合物，反应，然后置于水热反应釜中进行水热反应，获得复合物。所述氧化石墨烯与水的质量体积比为50～200mg：50mL，超声剥离的时间为1～4h，反应的时间为4～12小时。
水热反应完成后，过滤，洗涤，干燥，获得复合物。
上述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基底电极进行表面预处理；
(2)将氮掺杂石墨烯复合材料(N-GN)分散于全氟磺酸树脂溶液(Nafion)中，得复合溶液；
(3)将复合溶液滴加到基底电极的表面，室温晾干，得到基于氮掺杂石墨烯修饰的工作电极；
(4)将修饰的工作电极与参比电极和对电极组成三电极体系，得到检测多巴胺的传感器即基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器。
步骤(1)中所述表面预处理具体是指：将基底电极的表面依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，再用水冲洗；然后依次在无水乙醇和水中超声清洗，取出用水洗净，晾干。
步骤(2)中所述氮掺杂石墨烯复合材料在全氟磺酸树脂溶液(Nafion溶液)中的浓度为3-10mg/mL。
步骤(2)中所述全氟磺酸树脂溶液是将5％的全氟磺酸树脂溶液用乙醇稀释至0.5-0.8％。
步骤(3)中所述复合溶液滴加量为2.5-8μL。
本发明的原理：
本发明首先是制备掺杂石墨烯复合材料，该复合材料借助不同组分的协同作用克服石墨烯本身卷曲、层间堆叠和溶剂中分散性差的不足，然后，利用全氟磺酸树脂的成膜性，增加了催化剂在电极表面的固定量和稳定性，利于对底物的催化；最后，取适量混合液滴于已表面预处理的工作电极上，得到修饰后的工作电极；再利用所述的修饰后的工作电极，配合参比电极与对电极组成三电极体系，制得检测多巴胺的传感器。
本发明将氮掺杂石墨烯材料应用于传感器，制备得到的检测多巴胺的传感器检测性能良好，检测范围8×10-5～1.12×10-3mol/L的区间内呈良好的线性关系，线性回归方程为I(μA)＝25.65C(mmol/L)+10.43，相关系数为R2＝0.9837，最低检测限为4.46×10-5mol/L(S/N＝3)，灵敏度为366.43mA·mol-1·cm-2。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明所述的检测多巴胺的传感器具有催化性能，能快速检测多巴胺。
(2)本发明所述的检测多巴胺的传感器具有良好的选择性、重现性和稳定性，可对多巴胺进行准确检测，抗干扰能力强。
(3)本发明所述的检测多巴胺的传感器可用于血清中多巴胺或食品中多巴胺的检测，制备简单，具有较宽的检测范围，较低的检测限，反应在室温中性环境下进行，性能稳定，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例2中基于氮掺杂石墨烯的修饰工作电极在不同溶液中的循环伏安图；曲线a为修饰工作电极在空白溶液(空白PBS)中的循环伏安图，曲线b为修饰工作电极在氮气及多巴胺存在的条件下的循环伏安图(0.2mM DA)；
图2为实施例2制备的基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器在磷酸缓冲溶液中滴加不同多巴胺后的循环伏安图，图中方框内为磷酸缓冲溶液中多巴胺的添加体积；
图3为实施例2制备的基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器对不同浓度多巴胺的响应电流的标准曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗1min，取出用蒸馏水冲洗，室温晾干得到预处理的玻碳电极；
(2)将100mg氧化石墨烯在50mL去离子水中超声剥离4h(超声功率为100W)，加入0.25mL苯胺，搅拌均匀后继续超声30min；低温搅拌下(8℃)加入5mL含0.625g过硫酸铵(APS)的0.5M HCl(5mL的0.5M HCl+0.625g过硫酸铵)，继续低温搅拌6小时后转入水热反应釜中，180℃水热反应16小时，过滤，并用蒸馏水洗涤数次，80℃真空干燥后研磨，研磨得粉末置于石英舟，在管式炉中氮气氛围煅烧，先在400℃下煅烧2小时，后继续升温至700℃煅烧1小时，取出研磨即得氮掺杂石墨烯复合材料；
(3)将5％的全氟磺酸树脂溶液用乙醇稀释至0.6％(质量百分数)后，获得稀释后的Nafion溶液；取5mg氮掺杂石墨烯复合材料分散到稀释后的Nafion溶液中，得到浓度为5mg/mL的氮掺杂石墨烯溶液(将5mg氮掺杂石墨烯分散到1mL的Nafion溶液中)；取2.5μL该溶液滴于步骤(1)的电极表面，在室温下晾干，得到基于氮掺杂石墨烯的修饰工作电极；
(4)将修饰后的工作电极与参比电极和对电极组成三电极体系(铂电极为对电极，饱和甘汞为参比电极)，得到检测多巴胺的传感器即基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器。
在室温下进行电化学试验，均在10mL磷酸缓冲溶液(0.1mol/L、pH 6.5)中进行，测试之前通N2，测试过程中循环伏安法。其中空白对照未滴加多巴胺溶液(PBS组)，测试稳定后依次滴加多巴胺溶液。
本实施例中，实际掺氮量为3.89％，在多巴胺浓度为0.05mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为4.94μA，在多巴胺浓度为0.075mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为11.989μA，在多巴胺浓度为0.1mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为13.552μA。
实施例2
一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗1min，取出用蒸馏水冲洗，室温晾干得到预处理的玻碳电极；
(2)将100mg氧化石墨烯加入50mL去离子水中超声剥离4h，加入0.5mL苯胺，搅拌均匀后继续超声30min，低温搅拌下(8℃)加入5mL含1.25g过硫酸铵(APS)的0.5M HCl，继续低温搅拌6小时后转入反应釜中，180℃水热16小时，过滤，并用蒸馏水洗涤数次，80℃真空干燥12h后研磨，研磨得粉末置于石英舟，在管式炉中氮气氛围煅烧，先在400℃下煅烧2小时，后继续升温至700℃煅烧1小时，取出研磨即得氮掺杂石墨烯复合材料；
(3)将5％的全氟磺酸树脂溶液用乙醇稀释至0.6％后，获得稀释后的Nafion溶液；取5mg氮掺杂石墨烯复合材料分散到稀释后的Nafion溶液中，得到浓度为5mg/mL的氮掺杂石墨烯溶液，取2.5μL该溶液滴于步骤(1)的电极表面，在室温下晾干，得到基于氮掺杂石墨烯的修饰工作电极；
(4)将修饰后的工作电极与参比电极和对电极组成三电极体系(铂电极为对电极，饱和甘汞为参比电极)，得到检测多巴胺的传感器即基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器。
在室温下进行电化学试验，均在10mL磷酸缓冲溶液(0.1mol/L、pH 6.5)中进行，测试之前通N2，测试过程中循环伏安法。其中空白对照未滴加多巴胺溶液，测试稳定后依次滴加多巴胺溶液。
本实施例中，实际掺氮量为4.97％，在多巴胺浓度为0.05mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为8.342μA，在多巴胺浓度为0.075mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为13.987μA，在多巴胺浓度为0.1mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为17.78μA。
本实施例中修饰工作电极在不同溶液中的循环伏安图如图1所示。曲线a为修电极在空白滴液(PBS)中的循环伏安图，曲线b为修饰工作电极在氮气及多巴胺存在的条件下的循环伏安图。从图1可知，当溶液加入多巴胺后出现了一对氧化还原峰。
本实施例制备的基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器在磷酸缓冲溶液(0.1mo1/L，pH为6.5)中滴加不同多巴胺后的循环伏安图如图2所示。本发明利用了氮掺杂石墨烯的催化性，全氟磺酸树脂的成膜性，增加了催化剂在电极表面的固定量和稳定性，利于对底物的催化。
本实施例制备的基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器在磷酸缓冲溶液中滴加不同多巴胺后对不同浓度多巴胺的响应电流的标准曲线图如图3所示。该修饰电极对底物检测范围为8×10-5～1.12×10-3mol/L的区间内呈良好的线性关系，线性回归方程为I(μA)＝25.65C(mmol/L)+10.43，相关系数为R2＝0.9837，最低检测限为4.46×10-5mol/L(S/N＝3)，灵敏度为366.43mA·mol-1·cm-2。
实施例3
一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗1min，取出用蒸馏水冲洗，室温晾干得到预处理的玻碳电极；
(2)将100mg氧化石墨烯加入50mL去离子水中超声剥离4h，加入1mL苯胺，搅拌均匀后继续超声30min，低温搅拌下(8℃)加入5mL含2.5g过硫酸铵(APS)的0.5M HCl，继续低温搅拌6小时后转入反应釜中，180℃水热16小时，过滤，并用蒸馏水洗涤数次，80℃真空干燥过夜后研磨，研磨得粉末置于石英舟，在管式炉中氮气氛围煅烧，先在400℃下煅烧2小时，后继续升温至700℃煅烧1小时，取出研磨即得氮掺杂石墨烯复合材料；
(3)将5％的全氟磺酸树脂溶液用乙醇稀释至0.5-0.8％(固含量，质量百分比)，获得稀释后的Nafion溶液；取5mg氮掺杂石墨烯复合材料分散到稀释后的Nafion溶液中，得到浓度为5mg/mL的氮掺杂石墨烯溶液，取2.5μL该溶液滴于步骤(1)的电极表面，在室温下晾干，得到基于氮掺杂石墨烯的修饰工作电极；
(4)将修饰后的工作电极与参比电极和对电极组成三电极体系(铂电极为对电极，饱和甘汞为参比电极)，得到检测多巴胺的传感器即基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器。
在室温下进行电化学试验，均在10mL磷酸缓冲溶液(0.1mol/L、pH 6.5)中进行，测试之前通N2，测试过程中循环伏安法。其中空白对照未滴加多巴胺溶液，测试稳定后依次滴加多巴胺溶液。
本实施例中，实际掺氮量为10.01％，在多巴胺浓度为0.05mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为5.114μA，在多巴胺浓度为0.075mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为13.23μA，在多巴胺浓度为0.1mmol/L时，测试的还原化峰催化电流为17.44μA。
本发明的氧化石墨烯通过以下方法制备得到：
(a)清洗石墨粉；
(b)取清洗后的石墨粉，采用修正的Hummers方法制备氧化石墨烯。
步骤(a)中所述石墨粉清洗过程操作如下：称取2.5～10g石墨粉于大烧杯中，加入100mL蒸馏水，再在通风厨中加入100mL浓盐酸，在60～80℃水浴中加热并搅拌2h，真空抽滤后，依次用蒸馏水、丙酮、乙醇清洗，清洗完毕后，放入真空干燥箱中100℃烘干，之后用石英研钵研磨成粉状备用。
步骤(b)中所述氧化石墨烯制备操作过程如下：(1)低温反应(0～4℃)：在冰水浴中放入1000mL大烧杯，再加入110mL浓H2SO4，同时搅拌使其温度降至低温反应区间，然后依次加入已清洗好的2.5～10g石墨粉，2.5g NaNO3，15g KMnO4。加完后计时，搅拌反应90min，溶液呈紫绿色；(2)中温反应(30～40℃)：将温度升高，在搅拌下使其温度保持在35℃左右，计时反应90min，溶液依然呈紫绿色；(3)高温反应(70～100℃)：中温反应后，向烧杯中缓慢加入220mL去离子水，然后加热将温度控制在85℃，随后缓慢加入一定量双氧水(5％约13mL)至溶液逐渐变成金黄色即可；(4)待该制备反应完毕后，趁反应液温热之时，将反应后的溶液用去离子水洗涤并过滤，并用转速为4000rpm的离心机反复离心再清洗过滤，直到滤液中检测不到SO4 2-为止(用BaCl2检验)。此时将所得到的黑色产物用去离子水超声清洗40min后，在40℃下干燥24h，即可得到黑棕色的氧化石墨烯。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：由参比电极、对电极及修饰后的工作电极组成，所述修饰后的工作电极由工作电极及固化在工作电极表面的物质识别膜组成，其中，所述物质识别膜主要由氮掺杂石墨烯复合材料与全氟磺酸树脂制备而成；
所述氮掺杂石墨烯复合材料具体通过以下方法制备得到：
(a)将氧化石墨烯与苯胺分散均匀；在氧化剂的作用下和酸性介质中，苯胺发生聚合反应，然后置于水热反应釜中进行水热反应，得到复合物；
(b)将复合物在惰性氛围中进行煅烧，获得氮掺杂石墨烯复合材料；
步骤(b)中所述煅烧是指先在400～500℃下煅烧，后在700～800℃继续煅烧。
2.根据权利要求1所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：
步骤(a)中所述氧化石墨烯与苯胺的质量体积比为(50～200)mg：(0.25～1)mL；
步骤(b)中所述煅烧的时间为1.5～2.5小时，所述继续煅烧的时间为0.5～1.5小时。
3.根据权利要求1所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：步骤(a)中所述氧化剂与酸性介质的摩尔比为(1～4.5)：1，苯胺与酸性介质的体积摩尔比为(0.25～1)mL:2.5mmol。
4.根据权利要求1所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：
步骤(a)中所述氧化剂为过硫酸铵，所述酸性介质为盐酸；
步骤(a)中所述聚合反应的温度为4～10℃；聚合反应的时间为4～12h；所述水热反应的温度为100～200℃；水热反应的时间为12～18h；
步骤(b)中所述煅烧的氛围为保护性氛围，所述保护性氛围为氮气或惰性气体。
5.根据权利要求1所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：步骤(a)的具体步骤为将氧化石墨烯在水中超声剥离，加入苯胺超声分散均匀；然后低温下，加入氧化剂与酸性介质的混合物，反应，然后置于水热反应釜中进行水热反应，获得复合物。
6.根据权利要求5所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：所述氧化石墨烯与水的质量体积比为50～200mg：50mL，超声剥离的时间为1～4h，反应的时间为4～12小时。
7.根据权利要求1所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器，其特征在于：所述物质识别膜具体是指全氟磺酸树脂配成溶液；然后将氮掺杂石墨烯复合材料与全氟磺酸树脂溶液混合，负载在工作电极表面，成膜。
8.根据权利要求1～7任一项所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对基底电极进行表面预处理；
(2)将氮掺杂石墨烯复合材料分散于全氟磺酸树脂溶液中，得复合溶液；
(3)将复合溶液滴加到基底电极的表面，室温晾干，得到基于氮掺杂石墨烯修饰的工作电极；
(4)将修饰的工作电极与参比电极和对电极组成三电极体系，得到检测多巴胺的传感器即基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器。
9.根据权利要求8所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述氮掺杂石墨烯复合材料在全氟磺酸树脂溶液中的浓度为3～10mg/mL；
步骤(2)中所述全氟磺酸树脂溶液是将5％的全氟磺酸树脂溶液用乙醇稀释至0.5～0.8％。
10.根据权利要求1～7任一项所述基于氮掺杂石墨烯的多巴胺传感器在多巴胺检测中的应用。
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