CN109239157A - 一种石墨烯-NiO-聚苯胺非酶传感器 - Google Patents

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陈培伍
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王璐
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Abstract

本发明属于电化学传感器领域，尤其是一种基于Gr‑NiO‑PANI的非酶传感器的制备方法。本发明针对传感器材料、技术方面的落后，提供了一种Gr‑NiO‑PANI的非酶传感器的制备方法。本发明利用电沉积法在电极表面制得Gr‑NiO薄膜，最后通过电聚合得到Gr‑NiO‑PANI复合薄膜，同步对比了Cu2O、ZnO复合修饰电极对尿素传感器的性能研究，确定Gr‑NiO‑PAN复合材料对尿素传感器具有最好的检测效果。

Description

一种石墨烯-NiO-聚苯胺非酶传感器
技术领域
本发明属于电化学传感器领域，尤其是一种石墨烯-NiO-聚苯胺(Gr-NiO-PANI)的非酶传感器的制备方法。
背景技术
自上世纪60年代起，我国首次提出大力发展传感器产业的目标，并开始传感技术的研究与开发的初步探索，历经“六五”到“九五”期间的国家攻关，我国在传感器研究开发、设计、制备及后续的性能优化、实际应用等方面获得显著的进步，形成了初现规模的传感器产业。
非酶传感器作为当今传感器领域的热点，在日常生活中的的工农业、环境污染监测以及生物医学等众多领域有着广泛且重要的应用，由于我国在传感器材料、技术方面的落后，为此急需开展相关方面的研究。电极材料作为电化学检测方法的基础，在传感器的开发方面有着举足轻重的地位。采用电化学传感器对尿素进行定量测试，既避免了使用复杂的仪器，方便快捷，又能降低测试成本，实现精确测定。目前用作修饰载体的材料主要有石墨烯、聚苯胺和各类金属氧化物。其中二元复合材料的研究相对较多，而有关三元复合材料的应用寥寥无几，当务之急就是要找出合适的三元复合材料。
发明内容
本发明与传统的酶传感器相比，导电效率得到提高。修饰电极的材料是非生物类物质，能够有效避免温度，空气，酸碱性等环境因素的影响，有助于提高传感器的使用活性、稳定性以及定向选择性。本发明制备的Gr-NiO-PANI复合材料具有优异的电化学性能，精确的尿素浓度检测在临床诊断、乳制品行业、肥料厂和环境监测方面具备重要意义。化学传感器中的石墨烯，能够提高某些重要分子的电化学响应信号，促进电极与底物间的电子传递。聚苯胺具有导电性好、成本低、化学稳定性好、环境稳定、易于合成等特点，是电化学传感领域中应用最为广泛的导电聚合物。为了获得更高的灵敏度和更低的检测极限，有机和无机半导体复合材料在电化学传感器中获得了很大的关注。因此Gr-NiO-PANI复合材料在非酶尿素传感器中有着很好的应用前景。
本发明所采用的技术方案为：一种以电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料，其特征在于：电沉积法在电极表面制得Gr-NiO薄膜，最后通过电聚合得到Gr-NiO-PANI复合薄膜。
上述的电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料，其制备方法如下：
(1)将一定比例的浓硫酸和浓磷酸倒入三口烧瓶中；再称取定量的鳞片石墨，加入烧瓶中，然后将称取一定量的高锰酸钾固体加入到上述溶液中连续搅拌，并在水浴条件下，50℃下充分反应12h；12h后将溶液液倒入准备好加入冰块的大烧杯中，再加入20mL的30％的双氧水，上述溶液晾干一夜；次日，将产物通过离心洗涤到中性，得到悬浮液并倒入蒸发皿中，自然晾干，得到氧化石墨。
(2)将步骤1制备的载体分散于60mL去离子水中，得到棕褐色悬浮液。将悬浮液超声分散2h，以得到稳定的氧化石墨分散液。用氨水将分散液pH调至碱性后，将所有的液体倒入水热釜中，于180℃烘箱中反应12h。反应结束后取出反应釜，得黑色固体，之后用去离子水洗涤产品至中性，离心沉淀，冷冻干燥得到还原石墨烯。
(3)将步骤2制备的载体溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，配置成质量分数为0.5％的石墨烯DMF分散液。将分散液超声分散90min待用。
(4)量取定量的无水乙酸钠和乙酸镍，将其混合并定容于50mL烧杯中。配置出混合的电解质溶液，用移液枪取5μL步骤3的混合溶液，将其滴至玻碳电极表面，搭建三电极体系，进行CV测试，先电沉积法在电极表面制得Gr-NiO薄膜，最后通过电聚合得到Gr-NiO-PANI复合薄膜。
本发明的有益效果为：
1、采用导电聚合物和石墨烯作为载体材料，因为导电聚合物电荷密度高、稳定性能好、低的等效串联电阻以及合成方法简单，石墨烯也表现出优异的物理和电化学性能，如良好的电子迁移率、较高的热导率、更大的比表面积、更宽的电化学势窗口，所以我们将NiO负载到载体上，这样形成的催化剂电化学性能优异、稳定性能好。
2、金属氧化物具有比表面积大，机械强度优异和稳定性能良好等优点，将金属氧化物添加到导电聚合物和石墨烯中，可以明显改善非酶尿素传感器的性能，提高传感器的导电性。
附图说明
图1为Gr-Cu2O-PANI、Gr-NiO-PANI、Gr-ZnO-PANI的XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例和比较例，具体说明一种以电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料。
实施例1：
(1)将一定比例的浓硫酸和浓磷酸倒入三口烧瓶中；再称取定量的鳞片石墨，加入烧瓶中，然后将称取一定量的高锰酸钾固体加入到上述溶液中连续搅拌，并在水浴条件下，50℃下充分反应12h；12h后将溶液液倒入准备好加入冰块的大烧杯中，再加入20mL的30％的双氧水，上述溶液晾干一夜；次日，将产物通过离心洗涤到中性，得到悬浮液并倒入蒸发皿中，自然晾干，得到氧化石墨。
(2)将步骤1制备的载体分散于60mL去离子水中，得到棕褐色悬浮液。将悬浮液超声分散2h，以得到稳定的氧化石墨分散液。用氨水将分散液pH调至碱性后，将所有的液体倒入水热釜中，于180℃烘箱中反应12h。反应结束后取出反应釜，得黑色固体，之后用去离子水洗涤产品至中性，离心沉淀，冷冻干燥得到还原石墨烯。
(3)将步骤2制备的载体溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，配置成质量分数为0.5％的石墨烯DMF分散液。将分散液超声分散90min待用。。
(4)量取定量的无水乙酸钠和乙酸镍，将其混合并定容于50mL烧杯中。配置出混合的电解质溶液，用移液枪取5μL步骤3的混合溶液，将其滴至玻碳电极表面，搭建三电极体系，进行CV测试，先电沉积法在电极表面制得Gr-NiO薄膜，最后通过电聚合得到Gr-NiO-PANI复合薄膜。
图1的XRD图中都可于2θ＝21°左右观察到一较明显的衍射峰，此衍射峰应为石墨烯的特征峰；PANI在2θ＝21°和25°处应有两处宽峰，且分别属于PANI高分子链自身的周期性平行和垂直排列结构。但是，在本实验所得XRD图谱中两处结晶衍射峰强度较弱，这可能是由于聚苯胺的结晶度较低或以无定形状态存在所导致。在2θ＝37.2°、46.3°、60.9°处的衍射峰分别对应于NiO的(111)、(200)和(220)晶面(JCPDS card NO.47-1049)。由此可证明Gr-Cu2O-PANI,Gr-NiO-PANI,Gr-ZnO-PANI复合材料被成功制备。
实施例2：
将步骤4制备的Gr-NiO-PANI组合进行尿素检测，并通过对PANI的电聚合循环10个、20个、30个周期进行了优化研究，得到的效果也是不同的。
实施例3：
将步骤4沉积在导电玻璃上的复合材料对非酶尿素传感器进行检测，检测产物的循环伏安曲线，在PBS缓冲溶液中，持续增加尿素浓度(10-160μM)，扫描速度50mV s-1，扫描参数设置在-0.8V～+0.8V，并进行I-V测试。
对比例1
将实例1中金属氧化物进行比较，还制备了Gr-Cu2O-PANI、Gr-ZnO-PANI相比较：
Gr-Cu2O-PANI修饰电极在尿素加入后循环伏安曲线的改变非常小，仅在终电位附近电流略微下降；Gr-ZnO-PANI修饰电极在有尿素和无尿素情况下变化较小，易受电化学工作站不稳定性影响，无法用于尿素的定量检测；Gr-NiO-PANI修饰电极在无尿素和有尿素情况下，氧化峰电流变化明显，加入尿素后氧化峰电流由34.8μA变化到21.4μA。与没有尿素的PBS缓冲溶液相比，加入尿素后可以明显地观察到氧化峰的峰电流值显著降低，这是由尿素直接还原PANI引起的，由此可以表明Gr-NiO-PANI修饰电极的电化学性能最优异。
对比例2
当PANI电聚合圈数为20圈，复合材料制备的尿素传感器的响应速度取决于复合薄膜中电解离子的表面反应和扩散作用。由于离子的扩散长度与扩散阻力随着PANI膜厚度的增加而增加，从而增加了电荷的运输时间，所以在30个周期内，响应电流开始下降。Gr-NiO-PANI薄膜和离子之间的电荷交换作用也会减小，所以Gr-NiO-PANI在20圈时对尿素的敏感程度最佳。
对比例3
在PBS缓冲溶液中，持续增加尿素浓度10-160μM，测量Gr-NiO-PANI修饰GCE的线性伏安扫描图像。清楚地表明，随着尿素浓度从10μM增加到160μM，响应电流逐渐减小，尿素在Gr-NiO-PANI修饰电极上的氧化反应是受扩散控制的，获得的相关系数平方的值为0.960，通过回归直线的截距的标准偏差估计，计算得到的检测极限为7.35μM。

Claims (5)

1.一种以电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料，其特征在于：电沉积法在电极表面制得Gr-NiO薄膜，最后通过电聚合得到Gr-NiO-PANI复合薄膜。
2.根据权利要求1，电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料，其特征在于：石墨烯DMF分散液滴涂在玻碳电极中心，待电极晾干，再用电化学沉积的方式沉积NiO，电解液为0.1mol/L醋酸钠+0.02mol/L醋酸镍，电沉积圈数为10圈，扫描速度50mV/s，然后再电聚合PANI，电解液为0.1mol/L苯胺+0.5mol/L硫酸，电沉积圈数为20圈，扫描速度50mV/s。
3.根据权利要求1或2，一种以电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料，其特征在于：
(1)将一定比例的浓硫酸和浓磷酸倒入三口烧瓶中；再称取定量的鳞片石墨，加入烧瓶中，然后将称取一定量的高锰酸钾固体加入到上述溶液中连续搅拌，并在水浴条件下，50℃下充分反应12h；12h后将溶液倒入准备好加入冰块的大烧杯中，再加入20mL的30％的双氧水，上述溶液晾干一夜；次日，将产物通过离心洗涤到中性，得到悬浮液并倒入蒸发皿中，自然晾干，得到氧化石墨。
(2)将步骤1制备的载体分散于60mL去离子水中，得到棕褐色悬浮液。将悬浮液超声分散2h，以得到稳定的氧化石墨分散液。用氨水将分散液pH调至碱性后，将所有的液体倒入水热釜中，于180℃烘箱中反应12h。反应结束后取出反应釜，得黑色固体，之后用去离子水洗涤产品至中性，离心沉淀，冷冻干燥得到还原石墨烯。
(3)将步骤2制备的载体溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，配置成质量分数为0.5％的石墨烯DMF分散液。将分散液超声分散90min待用。。
(4)量取定量的无水乙酸钠和乙酸镍，将其混合并定容于50mL烧杯中。配置出混合的电解质溶液，用移液枪取5μL步骤3的混合溶液，将其滴至玻碳电极表面，搭建三电极体系，进行CV测试，先电沉积法在电极表面制得Gr-NiO薄膜，最后通过电聚合得到Gr-NiO-PANI复合薄膜。
4.根据权利要求3所述的电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料制备方法，其特征在于：步骤4中，混合溶液的浓度为2mol/ml。
5.根据权利要求4所述的电化学沉积方式制备的Gr-NiO-PANI复合材料制备方法，其特征在于：步骤4中，电解质溶液分比为0.1mol/L醋酸钠和0.02mol/L醋酸镍、0.1mol/L苯胺和0.5mol/L硫酸。
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