CN109553797B - 一种功能化三维石墨烯复合材料的制备及其传感应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能化三维石墨烯复合材料的制备及其在化学发光传感器中的应用技术。主要技术特征是：制备了β‑环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，并在其表面修饰上适配体，得到对链霉素分子有高特异性识别能力的功能化三维石墨烯复合材料，制备过程简单，条件易于控制，生产成本低；本发明同时提供了一种检测链霉素的新方法，将适配体功能化β‑环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶应用于化学发光传感器检测链霉素中，具有灵敏度高、选择性好、操作方便、仪器简单等优点，并且成功用于黄瓜样品中链霉素的检测，表现出高的准确度和精密度，为应用于实际检测提供了可能，在食品安全和人类健康方面具有重要的生物学意义。

Description

一种功能化三维石墨烯复合材料的制备及其传感应用
技术领域
本发明涉及的是一种功能化三维石墨烯复合材料的制备及其在化学发光传感器中的应用技术，属于光化学传感器技术领域，具体涉及适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料的制备及其在化学发光传感器检测链霉素中的应用。
背景技术
石墨烯是由碳原子组成的二维（2D）单层碳材料，作为一种较新型的碳材料，石墨烯在医药、传感、储能等领域应用较为广泛。但是由于二维石墨烯薄片层间存在范德华力，石墨烯极易发生聚集和堆积，使得其比表面积降低并限制了其进一步的应用。为了进一步解决这一问题，科研工作者设计合成了各种三维（3D）石墨烯网状结构材料，如3D石墨烯泡沫、海绵、水凝胶、气凝胶等多孔结构材料，以改善其表面性能。3D石墨烯及其复合材料因其优异的性能，如柔韧性好、比表面积大、功率密度高、机械性能稳定、离子转移快等性能，在材料科学领域备受关注。因此，基于3D石墨烯的复合纳米材料已经被广泛研究并应用于催化、储能装置、光子和电子、生物材料和传感器领域。
链霉素（STR）是一种氨基糖苷类抗生素，是继青霉素后应用于生产和临床的第二种抗生素。链霉素可以抑制细菌蛋白质的合成，并且可以通过与原核生物的核糖体结合来抑制或杀死细菌。由于链霉素的生产成本低、可以有效杀灭革兰氏阴性菌和结核分枝杆菌，因此常被作为饲料添加剂或治疗剂广泛应用于水产养殖和农业生产中。然而，近年来，生物性疾病变得越来越复杂，链霉素的滥用使得残留问题日益严重，长期摄入这些残留物会危害人体健康，例如引起人体肠道菌群失调、敏感人群的休克和婴儿的肾脏损害等。目前，已经存在一些检测链霉素的方法，如电化学传感器、酶联免疫法、光电传感器、荧光传感器等，但是这些方法存在着各自的一些问题，如电化学方法的重现性差、操作复杂，酶联免疫法的价格昂贵等。因此，迫切需要建立一种高灵敏度和高选择性的检测链霉素的方法。
流动注射-化学发光技术集合了流动注射的可自动进样、操作方便和化学发光分析方法的灵敏度高、仪器简单、线性范围宽、分析速度快、无污染等优点，在分析领域中应用广泛。但是化学发光方法存在一个较大的缺点 — 选择性差，因为各类共存物质容易引起化学发光强度的变化，而这个缺点可以通过引进一些特异性识别材料来克服，如分子印迹材料、抗原-抗体材料、适配体材料等。
本专利中，制备了β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料，并且在β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶表面修饰上链霉素适配体，得到易于分离、优异固定性能、高特异性识别能力的功能化三维石墨烯复合材料。将该功能化三维石墨烯复合材料与流动注射-化学发光技术连用，构建了高灵敏、高选择性地检测链霉素的化学发光传感器，发明了一种简单、灵敏度高、选择性好的检测链霉素的新方法。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，主要是制备β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，并在其表面修饰适配体，得到对链霉素分子有高特异性识别能力的功能化三维石墨烯复合材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
（1）离子液体@石墨烯的制备：称取0.10~0.15 g 氧化石墨烯于100 mL超纯水中，超声15~20 min至分散均匀，随后向其中加入0.15~0.20 g 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐和0.15~0.20 g N-羟基琥珀酰亚胺，超声20~30 min至分散均匀；然后向该分散液中加入0.10~0.15 g 离子液体，相继超声20~30 min、磁力搅拌20~30 min至混合均匀；将该混合液在80˚C油浴下磁力搅拌2~3 h；随后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液；最后在50˚C下真空干燥，得到离子液体@石墨烯；
（2）β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.25~0.30 g离子液体@石墨烯于50 mL超纯水中，超声15~20 min至分散均匀；称取0.35~0.50 g β-环糊精和0.10~0.15g十二烷基硫酸钠加入到50 mL超纯水中，超声20~30 min至分散均匀；然后将β-环糊精和十二烷基硫酸钠的分散液逐滴加入离子液体@石墨烯分散液中，继续超声20~30 min至分散均匀；随后旋转蒸发去除分散液中多余的水分，获得质量分数为3%的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液；选择0.35~0.50 g聚乙烯醇1788型粘结剂，加入17~20 mL超纯水，在90˚C的油浴锅中磁力搅拌10~15 min使其溶解；然后向该粘结液中缓慢地滴加上述的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液，并持续搅拌20~30 min以获得均匀的浆料，随后静置；最后经冷冻干燥，得到β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶；
（3）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.01~0.05 gβ-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶于50 mL离心管中，向该离心管中加入30 mL 0.02 mol/L的磷酸盐缓冲液（PH=7.4），然后将5~25 nmol 链霉素适配体加入到该离心管中；将该离心管震荡20~30 min，随后在25˚C室温下孵化24 h；最后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液，得到适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶。
本发明的另一个目的是适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶应用于化学发光传感器检测链霉素。将制备好的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶用于固定G四链体过氧化物酶，当链霉素存在时，链霉素分子与其适配体特异性识别而结合在一起，使得过氧化物酶得到释放，释放的过氧化物酶催化鲁米诺-过氧化氢化学发光体系，引起化学发光强度的变化，实现对链霉素的检测。该化学发光化学传感器检测链霉素的特征为：灵敏度高、选择性好、操作方便、仪器简单。在该化学发光化学传感器的构建中，研究了合成材料的固定性能，优化了化学发光条件，绘制了工作曲线，研究了抗干扰能力，最后用于黄瓜样品中链霉素的检测。
本发明的优点及效果是：
（1）本发明制备了β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，通过水热反应将石墨烯和离子液体键联在一起，然后和β-环糊精复合，经冷冻干燥制得β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶。该复合材料有比表面积大、官能团和离子键丰富等优势，为适配体提供了大量的作用位点，β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶对链霉素适配体的饱和固定量为6.20×10-7mol/g；
（2）本发明制备了适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，制备过程简单，条件易于控制，可明显提高该复合材料的特异性识别能力；
（3）本发明制备的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶应用于化学发光传感器检测链霉素中，该传感器检测链霉素表现出宽的线性范围和低的检出限，用于黄瓜样品中链霉素的检测，表现出高的准确度和精密度，为应用于实际检测提供了可能，在食品安全和人类健康方面具有重要的生物学意义。
具体实施方式
实施例1
（1）离子液体@石墨烯的制备：称取0.10 g 氧化石墨烯于100 mL超纯水中，超声15min至分散均匀，随后向其中加入0.15 g 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐和0.15g N-羟基琥珀酰亚胺，超声20 min至分散均匀；然后向该分散液中加入0.10 g 离子液体，相继超声25 min、磁力搅拌25 min至混合均匀；将该混合液在80˚C油浴下磁力搅拌2 h；随后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液；最后在50˚C下真空干燥，得到离子液体@石墨烯；
（2）β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.25 g离子液体@石墨烯于50mL超纯水中，超声15 min至分散均匀；称取0.35 g β-环糊精和0.10 g十二烷基硫酸钠加入到50 mL超纯水中，超声20 min至分散均匀；然后将β-环糊精和十二烷基硫酸钠的分散液逐滴加入离子液体@石墨烯分散液中，继续超声20 min至分散均匀；随后旋转蒸发去除分散液中多余的水分，获得质量分数为3%的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液；选择0.35g聚乙烯醇1788型粘结剂，加入17 mL超纯水，在90˚C的油浴锅中磁力搅拌10 min使其溶解；然后向该粘结液中缓慢地滴加上述的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液，并持续搅拌20 min以获得均匀的浆料，随后静置；最后经冷冻干燥，得到β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶；
（3）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.01 g β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶于50 mL离心管中，向该离心管中加入30 mL 0.02 mol/L的磷酸盐缓冲液（PH=7.4），然后将5 nmol 链霉素适配体加入到该离心管中；将该离心管震荡20min，随后在25˚C室温下孵化24 h；最后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液，得到适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶。
实施例2
（1）离子液体@石墨烯的制备：称取0.12 g 氧化石墨烯于100 mL超纯水中，超声20min至分散均匀，随后向其中加入0.18 g 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐和0.18g N-羟基琥珀酰亚胺，超声25 min至分散均匀；然后向该分散液中加入0.12 g 离子液体，相继超声25 min、磁力搅拌25 min使混合均匀；将该混合液在80˚C油浴下磁力搅拌2.5 h；随后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液；最后在50˚C下真空干燥，得到离子液体@石墨烯；
（2）β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.28 g离子液体@石墨烯于50mL超纯水中，超声20 min至分散均匀；称取0.40 g β-环糊精和0.12 g十二烷基硫酸钠加入到50 mL超纯水中，超声25 min至分散均匀；然后将β-环糊精和十二烷基硫酸钠的分散液逐滴加入离子液体@石墨烯分散液中，继续超声25 min至分散均匀；随后旋转蒸发去除分散液中多余的水分，获得质量分数为3%的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液；选择0.40g聚乙烯醇1788型粘结剂，加入18 mL超纯水，在90˚C的油浴锅中磁力搅拌15 min使其溶解；然后向该粘结液中缓慢地滴加上述的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液，并持续搅拌25 min以获得均匀的浆料，随后静置；最后经冷冻干燥，得到β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶；
（3）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.02 g β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶于50 mL离心管中，向该离心管中加入30 mL 0.02 mol/L的磷酸盐缓冲液（PH=7.4），然后将10 nmol 链霉素适配体加入到该离心管中；将该离心管震荡20 min，随后在25˚C室温下孵化24 h；最后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液，得到适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶。
实施例3
（1）离子液体@石墨烯的制备：称取0.15 g 氧化石墨烯于100 mL超纯水中，超声20min至分散均匀，随后向其中加入0.20 g 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐和0.20g N-羟基琥珀酰亚胺，超声30 min至分散均匀；然后向该分散液中加入0.15 g 离子液体，相继超声30 min、磁力搅拌30 min至混合均匀；将该混合液在80˚C油浴下磁力搅拌3 h；随后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液；最后在50˚C下真空干燥，得到离子液体@石墨烯；
（2）β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.30 g离子液体@石墨烯于50mL超纯水中，超声20 min至分散均匀；称取0.50 g β-环糊精和0.15 g十二烷基硫酸钠加入到50 mL超纯水中，超声30 min至分散均匀；然后将β-环糊精和十二烷基硫酸钠的分散液逐滴加入离子液体@石墨烯分散液中，继续超声30 min至分散均匀；随后旋转蒸发去除分散液中多余的水分，获得质量分数为3%的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液；选择0.45g聚乙烯醇1788型粘结剂，加入20 mL超纯水，在90˚C的油浴锅中磁力搅拌15 min使其溶解；然后向该粘结液中缓慢地滴加上述的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液，并持续搅拌30 min以获得均匀的浆料，随后静置；最后经冷冻干燥，得到β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶；
（3）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.05 g β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶于50 mL离心管中，向该离心管中加入30 mL 0.02 mol/L的磷酸盐缓冲液（PH=7.4），然后将25 nmol 链霉素适配体加入到该离心管中；将该离心管震荡30 min，随后在25˚C室温下孵化24 h；最后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液，得到适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶。
实施例4
适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶应用于化学发光传感器检测链霉素的方法：将该复合材料与流动注射-化学发光技术连用，不同浓度的链霉素引起的化学发光强度的变化，对链霉素进行定量检测，该化学发光传感器的构建过程如下：
（1）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的固定性能研究：准确移取等量的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，放入50 mL比色管中，加入适量已知浓度的G四链体过氧化物酶溶液，用流动注射-化学发光仪测定化学发光强度，根据化学发光强度突然变化时的G四链体过氧化物酶溶液的浓度，可计算出适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶对G四链体过氧化物酶的饱和固定量Q；
（2）化学发光条件优化：通过控制单一变量的方法，分别对泵速，鲁米诺、过氧化氢、氢氧化钠溶液的浓度进行条件优化实验，根据化学发光强度最高点下的泵速或浓度，得到最优的泵速或浓度；
（3）工作曲线绘制：配制一系列标准浓度的链霉素溶液，均加入相同质量的固定有G四链体过氧化物酶的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，在最佳实验条件下（即实验得出的最优的泵速，最优的鲁米诺、过氧化氢、氢氧化钠溶液浓度），测定系列标准浓度链霉素的化学发光强度，以链霉素的浓度为横坐标、化学发光强度为纵坐标绘制工作曲线；
（4）抗干扰性能研究：分别研究了四环素、氯霉素、肾上腺素、牛血清白蛋白、Na+、Cl-等物质对链霉素检测的干扰情况，在最佳实验条件下，分别测定不同干扰物质存在下链霉素标准溶液的化学发光强度，研究该传感器的抗干扰能力；
（5）实际样品检测：在最佳实验条件下，对黄瓜样品中的链霉素含量进行检测，并且进行加标回收实验，黄瓜购自当地超市，黄瓜样品处理如下，取一份黄瓜样品，用研钵研压出汁，准确移取5.00 mL黄瓜汁放入10 mL离心管中，在8000 r/min的转速下离心8 min，准确移取0.05 mL上清液，放入50 mL比色管中定容，测定其中链霉素的含量。
适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶应用于化学发光传感器检测链霉素，得到适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶对G四链体过氧化物酶的饱和固定量为5.0×10-7 mol/g；最佳实验条件为：35 r/min的主泵泵速，25 r/min的副泵泵速，0.10 mol/L的NaOH溶液，0.05 mol/L的H2O2溶液和7.5×10-5 mol/L的鲁米诺溶液；工作曲线的线性方程为ΔI=11715.40+906.79lgc（R=0.9982），线性范围为1.4×10-12~2.8×10- 9mol/L，检出限为9.17×10-14 mol/L；同时表现出强的抗干扰能力；进行黄瓜样品中链霉素的检测时回收率在100.6%~102.2%之间，相对标准偏差在较小的范围内，说明该测定方法具有较高的准确度和精密度，为应用于实际样品检测提供了可能。

Claims (4)

1.一种适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征是，在于该方法具有以下工艺步骤：
（1）离子液体@石墨烯的制备：称取0.10~0.15 g 氧化石墨烯于100 mL超纯水中，超声15~20 min至分散均匀；随后向其中加入0.15~0.20 g 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐和0.15~0.20 g N-羟基琥珀酰亚胺，超声20~30 min至分散均匀；然后向该分散液中加入0.10~0.15 g 离子液体，继续超声20~30 min、磁力搅拌20~30 min使混合均匀；将该混合液在80˚C油浴下磁力搅拌2~3 h；随后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液；最后在50˚C下真空干燥，得到离子液体@石墨烯；
（2）β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.25~0.30 g离子液体@石墨烯于50 mL超纯水中，超声15~20 min至分散均匀；称取0.35~0.50 g β-环糊精和0.10~0.15 g十二烷基硫酸钠加入到50 mL超纯水中，超声20~30 min至分散均匀；然后将β-环糊精和十二烷基硫酸钠的分散液逐滴加入离子液体@石墨烯分散液中，继续超声20~30 min至分散均匀；随后旋转蒸发去除分散液中多余的水分，获得质量分数为3%的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液；选择0.35~0.50 g聚乙烯醇1788型粘结剂，加入17~20 mL超纯水，在90˚C的油浴锅中磁力搅拌10~15 min使其溶解；然后向该粘结液中缓慢地滴加上述的β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶分散液，继续搅拌20~30 min以获得均匀的浆料，随后静置；最后经冷冻干燥，得到β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶；
（3）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的制备：称取0.01~0.05 g β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶于50 mL离心管中，向该离心管中加入30 mL 0.02 mol/L的PH=7.4的磷酸盐缓冲液，然后将5~25 nmol 链霉素适配体加入到该离心管中；将该离心管震荡20~30 min，随后在25˚C室温下孵化24 h；最后在8000 r/min的转速下离心8 min，移除上清液，得到适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶。
2.根据权利要求1所述的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征是：向步骤（1）的混合液中加入0.15~0.20 g 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐和0.15~0.20 g N-羟基琥珀酰亚胺促进氧化石墨烯和离子液体间的反应。
3.根据权利要求1所述的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征是：在步骤（3）中对β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶进行适配体功能化修饰，得到了对链霉素分子有高特异性识别能力的功能化三维石墨烯复合材料。
4.适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶复合材料用于化学发光传感器检测链霉素的方法，其特征是采用流动注射-化学发光法，该化学发光传感器的构建过程如下：
（1）适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶的固定性能研究：准确移取等量的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，放入50 mL比色管中，加入适量已知浓度的G四链体过氧化物酶溶液，用流动注射-化学发光仪测定化学发光强度，根据化学发光强度突然变化时的G四链体过氧化物酶溶液的浓度，可计算出适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶对G四链体过氧化物酶的饱和固定量Q；
（2）化学发光条件优化：通过控制单一变量的方法，分别对泵速，鲁米诺、过氧化氢、氢氧化钠溶液的浓度进行条件优化实验，根据化学发光强度最高点下的泵速或浓度，得到最优的泵速或浓度；
（3）工作曲线绘制：配制一系列标准浓度的链霉素溶液，均加入相同质量的固定有G四链体过氧化物酶的适配体功能化β-环糊精/离子液体@石墨烯气凝胶，在最佳实验条件下，即，实验得出的最优的泵速，最优的鲁米诺、过氧化氢、氢氧化钠溶液浓度，测定系列标准浓度链霉素的化学发光强度，以链霉素的浓度为横坐标、化学发光强度为纵坐标绘制工作曲线；
（4）抗干扰性能研究：分别研究了四环素、氯霉素、肾上腺素、牛血清白蛋白、Na+、Cl-等物质对链霉素检测的干扰情况，在最佳实验条件下，分别测定不同干扰物质存在下链霉素溶液的化学发光强度，研究该传感器的抗干扰能力；
（5）实际样品检测：在最佳实验条件下，对黄瓜样品中的链霉素含量进行检测并且进行加标回收实验，黄瓜购自当地超市，黄瓜样品处理如下，取一份黄瓜样品，用研钵研压出汁，准确移取5.00 mL黄瓜汁放入10 mL离心管中，在8000 r/min的转速下离心8 min，准确移取0.05 mL上清液，放入50 mL比色管中定容，测定其中链霉素的含量。
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