CN109444250B

CN109444250B - 一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备和质谱分析应用

Info

Publication number: CN109444250B
Application number: CN201811154694.9A
Authority: CN
Inventors: 王俊中; 赵慧芳
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2018-09-30
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-30
Also published as: CN109444250A

Abstract

本发明公开了一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备和质谱分析应用。复合物中的双杂原子是指氮和磷原子；复合物组成为：石墨烯/多孔碳的含量为75 wt%~92.0 wt%；氮原子的含量为3 wt%~10.0 wt%；磷原子的含量为1 wt%~5.0 wt%；氧原子的含量为4 wt%~10.0 wt%。首先通过改进的聚合物凝胶法制备得到石墨烯/聚苯胺凝胶复合物，并且高温碳化一步原位生成氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳复合物。该复合物作为MALDI‑TOF MS的新型碳材料基质可用于小分子量化合物的质谱分析。本发明复合物作为新基质检测小分子化合物具有极低的背景干扰峰、高的灵敏性和良好的再现性等优点。

Description

一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备和质谱分析应用

技术领域

本发明涉及一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备和质谱分析应用，具体涉及一种氮和磷双掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备及其在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱中小分子化合物检测的应用。属于分析化学领域。

背景技术

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）是一种新型的软电离生物质谱，它主要由基质辅助激光解吸（MALDI）离子化源和飞行时间（TOF）质量分析器组成。其中，MALDI技术最早由Tanaka提出，它是用激光照射被分析物和基质分子形成的共结晶薄膜，由于基质分子经辐射吸收能量，导致能量蓄积并迅速产热，从而使基质夹带存在于其基质中的被分析物分子因振动激发而诱导冲击波，脱离固态表面，并发生一系列分子、离子及光化学反应，形成质子化及碱金属加合的[M+H]⁺、[M+Na]⁺、[M+K]⁺或脱氢得到[M-H]⁺等一系列准分子离子的过程。另外，飞行时间（TOF）质量分析器是一种将离子源产生的离子利用脉冲电场加速后进入漂移管，并以恒定的速度飞向分析器，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测即离子的飞行时间与待测离子的质荷比(m/z)^1/2成正比,从而达到检测不同离子的目的。

MALDI-TOF MS因制样简单、分析速度快、检测灵敏性高、良好的耐盐性和极好的重现性等优点，为生命科学等领域提供了一种重要的分析测试技术。近年来，已广泛地应用于蛋白质、多肽、DNA、聚合物等的检测及蛋白质组学的研究。然而，由于传统基质α-氰基-4-羟基肉桂酸（HCCA）、2，5-二羟基苯甲酸（DHB）、芥子酸（SA）等在m/z﹤1000 Da范围内存在严重的基质背景干扰峰，还涉及基质与待测物分子之间的缔结现象，因此，极大地限制了MALDI-TOF MS技术在小分子（m/z﹤1000 Da）检测方面的应用。为了克服传统基质背景信号干扰的现象，研究者们致力于研发大量新型材料代替传统基质用于小分子的分析。其中，多孔硅、金属/金属氧化物、金属纳米簇和基于碳的材料已经被广泛使用作为新基质用于无机小分子、生物小分子和环境污染物分子等的检测。

由于碳材料具有独特的物理结构、大的比表面积、良好的光学性质、极好的传电子能力等，近年来各种类型的碳材料包括富勒烯、碳纤维、碳纳米管、碳量子点、石墨烯、多孔碳等引起人们的广泛关注并且尝试应用于MALDI-TOF MS领域中。众所周知，碳的杂化结构能够提供与众不同的孔道结构，已经广泛应用于超级电容器、锂离子电池等领域，进一步，基于石墨烯/碳纳米管的杂化结构已经能够作为一种MALDI-TOF MS的新基质和吸附剂用于分析和富集小分子（J. Mater. Chem., 2012, 22, 20778）。然而基于碳材料的其它杂化结构（石墨烯/多孔碳）等还没有应用于MALDI-TOF MS领域。

已经有报道表明基于碳材料的基质由于具有低的溶解性和差的分散性从而限制了MALDI-TOF MS的灵敏性和再现性。因此，许多尝试诸如增加官能团、引入杂原子、结合、固定等已广泛的应用于新型碳材料的合成。在这些化学修饰中，引入杂原子（B、N、F、S、P）到碳材料中，不仅能够改变碳材料的溶解性和分散性，而且能够进一步调节电子特性增加电荷转移的能力。例如，Shih等（Chem. Commun., 2017, 53, 5725）合成氮掺杂多孔碳作为一种新基质用于生物小分子的检测；Huang等（Anal. Chem., 2017, 89, 1307）使用氟化石墨烯作为质谱探针用于复杂环境中高通量分析环境污染物。尽管单掺杂原子的碳材料已经成功地应用于MALDI-TOF MS的分析，然而到目前为止基于双杂原子掺杂的碳材料还没有被报道用于MALDI-TOF MS领域。

发明内容

本发明旨在提供一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备和质谱分析应用，本发明还提供了上述复合物作为一种新基质在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析检测中的应用。

本发明首先通过改进的聚合物凝胶法制备得到石墨烯/聚苯胺凝胶，然后采用透析洗涤和冷冻干燥处理获得石墨烯/聚苯胺固体粉末，最终高温碳化一步原位形成氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳复合物，制备方法简单，成本低廉，能够大规模生产并且满足实际工业化的应用。由于该碳材料具有大的比表面积（100 m²/g~700 m²/g）、良好的导电性（电导率值131.6 S/m~280.9 S/m）和在355 nm处有高的紫外光学吸收性能（吸光度值0.3~0.7），因此该复合物可作为一种新型MALDI-TOF MS基质应用于m/z﹤1000 Da的小分子量化合物的分析检测。

本发明提供了一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物，该复合物中的双杂原子是指同一主族的氮和磷原子。

如上所述氮和磷双掺杂的石墨烯/多孔碳复合物，组成为：石墨烯/多孔碳的含量为75 wt%~92.0 wt%；氮原子的含量为3 wt%~10.0 wt%；磷原子的含量为1 wt%~5.0 wt%；氧原子的含量为4 wt%~10.0 wt%。

本发明提供了上述双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备方法，包含但不局限于如下：

该方法的具体技术方案包括以下步骤：

（1）在搅拌加冰浴条件下，以10滴/分钟缓慢滴加植酸溶液至石墨烯溶液中，随后，以相同的速度滴加苯胺溶液，待混合均匀之后备用；

（2）在步骤（1）所得混合溶液中，在搅拌条件下快速加入过硫酸铵溶液，随后继续在冰浴条件下保持12小时获得石墨烯/聚苯胺凝胶，进一步采用透析洗涤和冷冻干燥处理即可得到石墨烯/聚苯胺固体粉末；

（3）将步骤（2）所得石墨烯/聚苯胺固体粉末，在氩气保护下，高温碳化即可获得三维网状结构的氮和磷共掺杂的石墨烯/多孔碳复合物。

下面对工艺过程进行具体的说明：

步骤（1）具体工艺包括如下：

首先通过电化学剥离法预先合成石墨烯溶液（1 mg/mL~6 mg/mL）；然后，在搅拌且冰浴条件下先后将植酸溶液（0.462 mmol~1.842 mmol）与苯胺溶液（0.229 mmol~0.916mmol）以10滴/分钟的速度加入至石墨烯溶液中。

步骤（2）具体工艺包括如下：

如上所述的混合溶液中，在搅拌条件下快速加入过硫酸铵溶液（0.41 mmol~2.5mmol），继续在冰浴条件下保持12小时，待石墨烯/聚苯胺凝胶初步形成之后，进一步采用分子量为10,000 MW~14,000 MW的透析袋透析掉未反应的苯胺和植酸溶液，获得纯净的石墨烯/聚苯胺凝胶，最后采用在液氮下冷冻干燥处理得到石墨烯/聚苯胺的固体粉末。

步骤（3）具体工艺包括如下：

如上所述获得石墨烯/聚苯胺固体粉末，在氩气气氛下采用2 °C/min~5 °C/min的升温速率加热至800 °C~1000 °C热处理1~3 h，随后降至室温获得氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳复合物。

如上所述的氮和磷共掺杂的石墨烯/多孔碳复合物为三维网状结构，以介孔为主要存在方式，比表面积为100 m²/g~700 m²/g，孔径分布为0.1-2 nm、2-50 nm和50-100 nm等多级孔。

如上所述该方法中，通过改变石墨烯或苯胺溶液的浓度，可用于调控石墨烯/多孔碳的三维存在形式，分别获得三维网状结构的石墨烯/多孔碳复合物和三维夹心结构的石墨烯/多孔碳复合物等。

本发明还提供了一种氮和磷共掺杂的石墨烯/多孔碳复合物作为新基质在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱中用于小分子量化合物的检测。

其中，所述的小分子量化合物是指m/z﹤1000 Da的化合物，优选分子量为700以下的化合物。

其中，所述的小分子量化合物为氨基酸类、小分子肽类、糖类、环境污染物类、抗癌药物类和传统中药类中的一种。

本发明方法分析的样品除纯品和简单混合物外，还覆盖复杂混合体系，包括人血清及饮料等。

本发明提供了双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI-TOF MS新基质用于人血清和可口可乐饮料实际样中葡萄糖的检测分析。

当以氮和磷共掺杂的石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI基质时，基质溶液的浓度为0.1 mg/mL~10 mg/mL。

在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测中，待测分析物的浓度为0.01 mM~1mM。

应用时，可以取基质溶液0.5 μL~1 μL滴涂于基质辅助激光解吸电离靶板上，在室温下自然晾干，得到薄层基质。再取0.5 μL~1 μL的分析物溶液点样于基质层表面后，使样品与基质形成的混晶进行二次结晶，在室温下自然风干，待干燥后进行激光解吸离子化质谱分析。

应用时，也可将基质溶液和待测分析物溶液均匀混合，直接取1 μL~2 μL混合溶液滴涂于基质辅助激光解吸电离靶板上，在室温下自然风干，待干燥后进行质谱分析。

本发明的有益效果：

（1）本发明形成的氮和磷共掺杂三维石墨烯/多孔碳复合物制备方法简单、成本低廉，能够大规模生产并且满足实际工业化的应用。

（2）本发明制备的氮和磷共掺杂石墨烯/多孔碳的三维网状结构，由杂原子氮、磷、氧和石墨烯/多孔碳等组成。其中，石墨烯/多孔碳具有大的比表面积、高的传电子能力及良好的紫外吸收能力，杂原子氮和磷具有高的供电子能力，在复合物中，双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物能够更有利于形成新基质代替传统基质用于MALDI质谱分析小分子。

（3）本发明制备的氮和磷共掺杂石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI新基质，在低分子量范围内（m/z﹤1000 Da）具有低的基质背景干扰，保证了高灵敏性的MALDI-TOF MS分析。

（4）本发明制备的氮和磷共掺杂石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI新基质用于低分子量化合物分析检测时，具有高的灵敏度和良好的再现性。

（5）本发明制备的氮和磷共掺杂石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI新基质用于检测生物小分子时，具有极好的耐盐性。

（6）本发明制备的氮和磷共掺杂石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI新基质还可用于人血清及饮料等实际样中葡萄糖检测。

附图说明

图1. 实施例1中三维氮和磷共掺杂石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物的（a）SEM、（b）TEM和（c）HR-TEM形貌图。

图2. 实施例1中N, P-G/C复合物的XRD图。

图3. 实施例1中N, P-G/C复合物的BET图。

图4. 实施例1中N, P-G/C复合物的XPS图。

图5. 实施例4中传统有机小分子HCCA和N, P-G/C复合物分别作为MALDI基质在（a）正离子模式和（b）负离子模式下对应的质谱图。

图6. 实施例5中传统有机小分子HCCA和N, P-G/C复合物分别作为MALDI基质在负离子模式下用于L-色氨酸、L-脯氨酸、L-酪氨酸和L-组氨酸混合溶液分析的质谱图。

图7. 实施例6中传统有机小分子HCCA和N, P-G/C复合物分别作为MALDI基质在正离子模式下用于L-色氨酸、L-脯氨酸、L-酪氨酸和L-组氨酸混合溶液分析的质谱图。

图8. 实施例7中传统有机小分子HCCA和N, P-G/C复合物分别作为MALDI基质在负离子模式下用于丙氨酸-谷氨酰胺、谷胱甘肽和苯丙氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-甘氨酸混合溶液分析的质谱图。

图9. 实施例8中传统有机小分子HCCA和N, P-G/C复合物分别作为MALDI基质在正离子模式下用于木糖、葡萄糖、麦芽糖和棉子糖混合溶液分析的质谱图。

图10. 实施例9中传统有机小分子HCCA和N, P-G/C复合物分别作为MALDI基质在负离子模式下用于菲醌、4-硝基邻苯二酚和硝基愈创木酚环境污染物混合溶液分析的质谱图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径购买得到。

实施例1：

（1）在搅拌且冰浴条件下，取0.921 mL质量分数为50%植酸溶液不断滴加至2 mL质量浓度为6 mg/mL的石墨烯溶液中，随后，逐滴加入0.458 mL苯胺溶液，待混合均匀之后备用。（2）在上述该混合溶液中，在搅拌条件下快速加入1.25 mmol的过硫酸铵溶液，继续在冰浴条件下保持12小时，待石墨烯/聚苯胺凝胶初步形成，进一步采用分子量为10,000 MW~14,000 MW的透析袋透析掉未反应的苯胺和植酸溶液，获得纯净的石墨烯/聚苯胺凝胶，最后在液氮下冷冻干燥处理得到石墨烯/聚苯胺的固体粉末。（3）将获得石墨烯/聚苯胺复合物在氩气气氛下采用5 °C/min的升温速率加热温度至900 °C热处理保持2 h，随后降至室温获得氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物。通过分析检测，石墨烯/多孔碳含量为82.74%，氧含量为9.76%，氮含量为5.31%，磷含量为2.18%。

所制备的N, P-G/C的SEM、TEM和HR-TEM表征见附图1，从附图1a中可以看出，石墨烯和多孔碳相互交错形成了三维网状结构。进一步通过附图1b的TEM图可以观察到有褶皱的石墨烯和类似层状的多孔碳，同时从附图1c中可以明显看出多孔碳负载于薄层石墨烯上形成石墨烯/多孔碳的杂化结构。所制备的复合物对应的XRD表征见附图2，从附图2可以看出对应的角度约25.5°，表明杂化结构的形成。该材料的BET表征见附图3。从附图3可以看出，N, P-G/C复合物的比表面约为583 m²/g，平均孔径2.8 nm，具有一定的介孔结构。从附图4a的XPS表征可以看出该复合物材料含有C、N、O和P四种元素，进一步从附图4b中可以看出N1s主要包含四种峰，其中吡啶氮能促进离子化效率并且加速基质和分析物之间的电荷传递过程，从附图4c中可以看出P2p谱线主要由P-C和P-O峰构成，也进一步表明磷元素掺杂在石墨烯/多孔碳的复合物中。

实施例2

（1）在搅拌且冰浴条件下，取0.460 mL质量分数为50%植酸溶液不断滴加至2 mL质量浓度为6 mg/mL的石墨烯溶液中，随后，逐滴加入0.458 mL苯胺溶液，待混合均匀之后备用。（2）在上述该混合溶液中，在搅拌条件下快速加入1.25 mmol的过硫酸铵溶液，继续在冰浴条件下保持12小时，待石墨烯/聚苯胺凝胶初步形成，进一步采用分子量为10,000 MW~14,000 MW的透析袋透析掉未反应的苯胺和植酸溶液，获得纯净的石墨烯/聚苯胺凝胶，最后在液氮下冷冻干燥处理得到石墨烯/聚苯胺的固体粉末。（3）将获得石墨烯/聚苯胺复合物在氩气气氛下采用5 °C/min的升温速率加热温度至900 °C热处理保持2 h，随后降至室温获得氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物。通过分析检测，石墨烯/多孔碳含量为86.30%，氧含量为6.83%，氮含量为5.31%，磷含量为1.56%。

实施例3

（1）在搅拌且冰浴条件下，取0.460 mL质量分数为50%植酸溶液不断滴加至2 mL质量浓度为6 mg/mL的石墨烯溶液中，随后，逐滴加入0.916 mL苯胺溶液，待混合均匀之后备用。（2）在上述该混合溶液中，在搅拌条件下快速加入1.25 mmol的过硫酸铵溶液，继续在冰浴条件下保持12小时，待石墨烯/聚苯胺凝胶初步形成，进一步采用分子量为10,000 MW~14,000 MW的透析袋透析掉未反应的苯胺和植酸溶液，获得纯净的石墨烯/聚苯胺凝胶，最后在液氮下冷冻干燥处理得到石墨烯/聚苯胺的固体粉末。（3）将获得石墨烯/聚苯胺复合物在氩气气氛下采用5 °C/min的升温速率加热温度至900 °C热处理保持2 h，随后降至室温获得氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物。通过分析检测，石墨烯/多孔碳含量为84.94%，氧含量为6.83%，氮含量为6.67%，磷含量为1.56%。

实施例4

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。另取10 mg传统有机小分子HCCA溶于1 mL含0.1%三氟乙酸的乙腈与水体积比2:1的混合溶液中，得到10 mg/mL的HCCA基质溶液。分别取上述两种基质溶液各1 μL滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层，随后在m/z﹤1000 Da范围内进行基质背景峰的分析。

从附图5中可以看出，不论在正离子模式还是在负离子模式下，m/z在100~700 Da范围内，传统有机小分子HCCA基质表现出明显的背景杂峰，严重影响待测物的信噪比。相反，以N, P-G/C复合物作为MALDI基质时，能够获得可以忽略的背景信号峰。因此，N, P-G/C复合物可以作为MALDI新基质用于小分子量化合物的分析。

实施例5

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为1 mM 的L-色氨酸、L-脯氨酸、L-酪氨酸和L-组氨酸混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行氨基酸混合物的质谱分析。

从附图6中可以看出，以传统有机小分子HCCA作为基质在负离子模式下检测氨基酸混合物时，除了基质背景峰之外，观察不到任何一种氨基酸的去质子峰，因此表明HCCA基质不适合氨基酸分子的检测。然而以N, P-G/C复合物作为MALDI基质时，在负离子模式下所有氨基酸的特征去质子峰分别在m/z为114.877，154.496，180.263和 203.117位置能够获得强的质谱峰并且具有低的背景信号干扰峰。因此表明N, P-G/C复合物可以作为MALDI新基质在负离子模式下用于氨基酸混合物的分析。

实施例6

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为1 mM 的L-色氨酸、L-脯氨酸、L-酪氨酸和L-组氨酸混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在正离子模式下进行氨基酸混合物的质谱分析。

从附图7中可以看出，以传统有机小分子HCCA作为基质在正离子模式下检测氨基酸混合物时，除了基质背景峰之外，仅能在m/z为178.087位置处观察到组氨酸的[M+Na]⁺峰。然而以N, P-G/C复合物作为MALDI基质时，在正离子模式下所有氨基酸的特征碱金属加合的[M+Na]⁺峰分别在m/z为138.13，178.15，204.19和227.23位置和脯氨酸、组氨酸的特征[M+K]⁺峰分别在m/z为154.13和194.15位置能够获得强的质谱峰并且具有低的背景信号干扰峰。因此表明N, P-G/C复合物可以作为MALDI新基质在正离子模式下用于氨基酸混合物的分析。

实施例7

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为0.5 mM 的丙氨酸-谷氨酰胺、谷胱甘肽和苯丙氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-甘氨酸混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行小分子肽混合物的质谱分析。

从附图8中可以看出，以传统有机小分子HCCA作为基质在负离子模式下检测小分子肽混合物时，除了大量基质背景峰之外，仅能在m/z为306.002位置处观察到谷胱甘肽的去质子峰。然而以N, P-G/C复合物作为MALDI基质时，在负离子模式下所有小分子肽的特征去质子峰分别在m/z为215.993、305.981和425.046位置能够获得强的质谱峰并且具有低的背景信号干扰峰。因此表明N, P-G/C复合物可以作为MALDI新基质在负离子模式下用于小分子肽混合物的分析。

实施例8

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为1.0 mM 的木糖、葡萄糖、麦芽糖和棉子糖混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在正离子模式下进行糖混合物的质谱分析。

从附图9中可以看出，以传统有机小分子HCCA作为基质在正离子模式下检测糖混合物时，除了基质背景峰之外，仅能在m/z为173.043和527.159位置处观察到木糖和棉子糖的[M+Na]⁺峰。然而以N, P-G/C复合物作为MALDI基质时，在正离子模式下所有糖的特征碱金属加合的[M+Na]⁺峰分别在m/z为173.050、203.059，365.107和527.152位置和棉子糖的[M+K]⁺峰在m/z为543.123位置能够获得强的质谱峰并且具有低的背景信号干扰峰。因此表明N, P-G/C复合物可以作为MALDI新基质在正离子模式下用于糖混合物的分析。

实施例9

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为0.5 mM 的菲醌、4-硝基邻苯二酚和硝基愈创木酚混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行小分子环境污染物混合物的质谱分析。

从附图10中可以看出，以传统有机小分子HCCA作为基质在负离子模式下检测小分子环境污染物混合物时，除了大量基质背景峰之外，观察不到任何一种环境污染物的去质子峰，因此表明HCCA基质不适合环境污染物分子的检测。然而以N, P-G/C复合物作为MALDI基质时，在负离子模式下所有环境污染物的特征去质子峰分别在m/z为153.942，167.968和208.020位置能够获得强的质谱峰并且具有低的背景信号干扰峰。因此表明N, P-G/C复合物可以作为MALDI新基质在负离子模式下用于小分子环境污染物混合物的分析。

实施例10

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为0.5 mM 的鞣花酸和5-氟尿嘧啶混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下可以进行抗癌药物混合物的质谱分析。

实施例11

取1 mg上述实施例1中的氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳（N, P-G/C）复合物分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理30分钟得到1 mg/mL的N, P-G/C基质溶液。将1 μL基质溶液滴涂于MALDI不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1 μL终浓度为0.5 mM 的姜黄素和芸香苷混合溶液点样于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下可以进行传统中药材混合物的质谱分析。

Claims

1.一种双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备方法，其特征在于：复合物中的双杂原子是指氮和磷原子；复合物组成为：石墨烯/多孔碳的含量为75 wt%~92.0 wt%；氮原子的含量为3 wt%~10.0 wt%；磷原子的含量为1 wt%~5.0 wt%；氧原子的含量为4 wt%~10.0wt%；

所述的双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）具体工艺包括如下：

首先通过电化学剥离法预先合成石墨烯溶液，浓度为1 mg/mL~6 mg/mL；然后，在搅拌且冰浴条件下先后将植酸溶液与苯胺溶液以10滴/分钟的速度加入至石墨烯溶液中，植酸溶液对应物质的量为0.462 mmol~1.842 mmol，苯胺溶液对应物质的量为0.229 mmol~0.916 mmol；

（2）在步骤（1）所得混合溶液中，在搅拌条件下快速加入过硫酸铵溶液，随后继续在冰浴条件下保持12小时获得石墨烯/聚苯胺凝胶，然后采用透析洗涤和冷冻干燥处理得到石墨烯/聚苯胺固体粉末；

步骤（2）具体工艺包括如下：

所述的混合溶液中，在搅拌条件下快速加入过硫酸铵溶液，过硫酸铵溶液对应物质的量为0.41 mmol~2.5 mmol，继续在冰浴条件下保持12小时，待石墨烯/聚苯胺凝胶初步形成之后，进一步采用分子量为10,000 MW~14,000 MW的透析袋透析掉未反应的苯胺和植酸溶液，获得纯净的石墨烯/聚苯胺凝胶，最后采用在液氮下冷冻干燥处理得到石墨烯/聚苯胺的固体粉末；

（3）将步骤（2）所得石墨烯/聚苯胺固体粉末，在氩气保护下，高温碳化即可获得三维网状结构的氮和磷共掺杂的石墨烯/多孔碳复合物；

步骤（3）具体工艺包括如下：

将石墨烯/聚苯胺固体粉末在氩气气氛下采用2 °C/min~5 °C/min的升温速率加热至800 °C~1000 °C热处理1~3 h，随后降至室温获得氮和磷共掺杂的三维石墨烯/多孔碳复合物；

所述的双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物为三维网状结构，以介孔为主要存在方式，比表面积为100 m²/g~700 m²/g，孔径分布为0.1-2 nm、2-50 nm和50-100 nm多级孔，双杂原子为氮和磷两种原子。

2.一种权利要求1所述的制备方法制得的双杂原子掺杂的石墨烯/多孔碳复合物可作为新基质在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱中用于小分子量化合物的检测。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述的小分子量化合物是指m/z﹤1000 Da的化合物。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述的小分子量化合物为氨基酸类、小分子肽类、糖类、环境污染物类、抗癌药物类、传统中药类中的一种。

5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：当以氮和磷共掺杂的石墨烯/多孔碳复合物作为MALDI新基质时，基质溶液的浓度为0.1 mg/mL~10 mg/mL；待测分析物的浓度为0.01mM~1 mM。

6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：应用时，取基质溶液0.5 μL~1 μL滴涂于基质辅助激光解吸电离靶板上，在室温下自然晾干，得到薄层基质；再取0.5 μL~1 μL的分析物溶液点样于基质层表面后，使样品与基质形成的混晶进行二次结晶，在室温下自然风干，待干燥后进行激光解吸离子化质谱分析。

7.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：应用时，将基质溶液和待测分析物溶液均匀混合，直接取1 μL~2 μL混合溶液滴涂于基质辅助激光解吸电离靶板上，在室温下自然风干，待干燥后进行质谱分析。