CN109781826A

CN109781826A - 一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备及应用

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Publication number: CN109781826A
Application number: CN201910124264.0A
Authority: CN
Inventors: 莫尊理; 杨星; 牛小慧; 赵盼; 刘振宇; 郭瑞斌; 刘妮娟; 欧阳美璇
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明提供了一种rGO‑PTCA‑CS复合材料的制备，是先将氧化石墨超声分散于水中形成均匀悬浮液；向悬浮液加入3,4,9‑苝四羧酸，再加入肼和氨水溶液，在90~95℃下剧烈搅拌2~3h，静置，分离，水洗，干燥，得还原氧化石墨烯‑3,4,9‑苝四羧酸复合材料；再将还原氧化石墨烯‑3,4,9‑苝四羧酸溶于去离子水中，超声处理3~5h；然后向其中加入壳聚糖乙酸溶液，再加入交联剂EDC和NHS,在常温下反应24h，反应完成后过滤，干燥即得。以rGO‑PTCA‑CS修饰的电极为工作电极进行示差脉冲伏安进行识别。L‑色氨酸和D‑色氨酸与修饰电极作用时，峰电流大小不同，从而可以快速、灵敏的识别色氨酸异构体。

Description

一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备及应用

技术领域

本发明涉及一种具有优异电性能的还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖复合材料（rGO-PTCA-CS）复合材料的制备方法，本发明属于复合材料和电化学技术领域。

背景技术

色氨酸的化学名称为α-氨基-β-吲哚丙酸，有2种同分异构体：L型、D型。L-色氨酸是人体和动物所必需的8种必需氨基酸之一，不能通过自身合成。所以，人和动物只能通过食物来摄取L-色氨酸。D-色氨酸主要存在于植物和微生物之中，动物中含量极少，而且在人体内几乎不发生代谢作用，也无毒性。L-色氨酸又被称为第二必需氨基酸，目前广泛应用于医药、食品、饲料添加剂以及农业环境检测等行业。目前，L-色氨酸的重要性越来越受到人们的重视。而且L-色氨酸的应用不仅局限在传统的医药、食品、饲料添加剂行业，在一些新领域也逐渐有了更多应用。应该看到D-色氨酸和L-色氨酸的作用有着很大的差别，所以研究和开发一种简单，高效和灵敏的识别方法来区分D-色氨酸和L-色氨酸就尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于手性识别D-色氨酸/ L-色氨酸的rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供rGO-PTCA-CS复合材料在手性识别D-色氨酸/ L-色氨酸的具体应用。

一、还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖复合材料的制备

（1）还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸的制备：将氧化石墨（rGO）超声分散于去离子水中形成均匀悬浮液；向悬浮液加入3,4,9,10-苝四羧酸（PTCA），再加入还原剂水合肼和氨水溶液，在90~95℃下剧烈搅拌2~3h，静置30~40min，分离，水洗，干燥，即得还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸复合材料，标记为rGO-PTCA。

其中，氧化石墨与3,4,9,10-苝四羧酸的质量比为4:1~2:1；水合肼的加入量为氧化石墨质量的1%~1.5%；氨水溶液的浓度25％~28%，氨水的用量为氧化石墨质量的0.5%~1%。

（2）还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖复合材料的制备：将还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸溶于去离子水中，超声处理3~5h；将壳聚糖溶于乙酸中，再加入到还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸溶液中，然后加入交联剂EDC和NHS，在室温下反应22~24h，使壳聚糖与苝四羧酸形成酰胺键；反应完成后过滤，干燥，得到还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖，标记为rGO-PTCA-CS。

上述还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸与壳聚糖的质量比为1:2~1:3。

交联剂EDC（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）的加入量为壳聚糖质量的3~4倍；交联剂NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）的加入量为壳聚糖质量的2~3。

所述干燥是在冷冻干燥箱中干燥8~10h。

二、rGO-PTCA-CS的结构

图1为本发明制备的还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖复合材料的扫描电镜图。从图1可以看出，rGO-PTCA-CS具有三维结构，且具有很好的孔隙结构，其形貌规整，孔隙分布均匀，而这些孔隙在反应过程中有利于电子的传导这样会使得复合材料的导电性能有较大的上升。

三、rGO-PTCA-CS复合材料的电化学性能

电化学性能的测试：裸玻碳电极分别用1μm，0.3μm和0.05μm的Al₂O₃悬浊液进行抛光，分别在两支裸玻碳电极表面滴涂rGO-PTCA、rGO-PTCA-CS，制备成电极rGO-PTCA/GCE、rGO-PTCA-CS/GCE。然后分别置于5.0mM[Fe(CN)₆]^4-/3-溶液（包含0.1M的KCl），在扫速为50mV/s，扫描范围-0.2V~0.6V的条件进行循环伏安测试其导电性。

图2为rGO-PTCA、rGO-PTCA-CS复合材料的循环伏安曲线。从图2中可以看到，rGO-PTCA-CS复合材料的导电性能明显高于rGO-PTCA，这进一步说明还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖复合材料具有优异的电性能，随着苝四羧酸的加入更加的有利于电子的传输。

本发明的原理：苝四羧酸化合物都含有苝酐母体，具有特殊的稠环结构，大的共扼π电子体系赋于它强的荧光性能和光电性能。3,4,9,10-苝四羧酸（PTCA）可以共价以及非共价修饰石墨烯，将石墨烯层有效的分开，使石墨烯成功的剥离；此外，PTCA还能在还原后引入更多的羧基，能够有效的对石墨烯进行修饰。苝四羧酸上的羧基与壳聚糖上的氨基在交联剂存在的条件下共价接枝形成酰胺键，使得壳聚糖与rGO-PTCA连接的更加牢固，更加有利于壳聚糖的接枝。因此，形成的复合材料rGO-PTCA-CS具有良好的导电性，是一种良好的导电材料。

四、rGO-PTCA-CS手性识别D-色氨酸

修饰电极RGO-PTCA-CS/GCE的构建：将上述制备的复合材料RGO-PTCA-CS分散在蒸馏水中，超声60~70min 得到均相分散液；然后将均相分散液滴涂在经清洁处理的裸玻碳电极表面，在室温下放置使电极表面的溶剂完全蒸发，得到修饰电极RGO-PTCA-CS/GCE。

通过电化学工作站来识别D-色氨酸：将修饰电极RGO-PTCA-CS/GCE作为工作电极，置于含有色氨酸的PBS溶液（包含0.1M的KCl），在扫速为50mV/s，扫描范围0.3V~1.1V的条件进行示差脉冲伏安进行识别。在0.3V~1.1V的电压下D-色氨酸会沉积到工作电极表面，使得氧化还原反应不能顺利的进行；而L-色氨酸基本不会沉积到工作电极的表面。紧接着，工作电极被施加从负到正的反向电位进行示差脉冲溶出过程。L-色氨酸和D-色氨酸与修饰电极作用时，峰电流大小不同，从而可以快速、灵敏的识别色氨酸异构体。图3为修饰电极rGO-PTCA-CS/GCE对于D-色氨酸检测的示差脉冲溶出伏安曲线。由图3可以看到，D-色氨酸的溶出峰电流值较大，L-色氨酸的溶出峰电流值较小。

图4为修饰电极rGO-PTCA-CS/GCE对于D-色氨酸检测的示差脉冲伏溶出峰电流的大小与色氨酸浓度的呈线性关系。从图4可以看出，结果显示随着复合材料的浓度增大，峰电流值越越大，这说明吸附的D-色氨酸越多，从而达到识别出D-色氨酸。D-色氨酸在1μM~10μM浓度范围内，随着D-色氨酸浓度的增大峰电流增大，示差脉冲溶出峰电流的大小也在增大，而且溶出峰电流的大小与色氨酸浓度的呈如下线性关系：

ΔI=(6.27±0.15)+(4.54±0.17)c _D-Trp

ΔI——示差脉冲溶出峰电流：μA

c _D-Trp——D-色氨酸浓度：μM/L。

附图说明

图1为rGO-PTCA-CS复合材料的扫描电镜图。

图2为rGO-PTCA-CS复合材料的循环伏安曲线。

图3为修饰电极rGO-PTCA-CS/GCE对于D-色氨酸检测的示差脉冲伏安曲线。

图4为修饰电极rGO-PTCA-CS/GCE对于D-色氨酸检测在示差脉冲伏安曲线下的线性关系图。

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明rGO-PTCA-CS复合材料的制备、性能等作进一步说明。

实施例 1、rGO-PTCA-CS的制备

（1）氧化石墨的制备：第一步预氧化的过程:在磁力搅拌下将1.25gK₂S₂O₈和1.25gP₂O₅一次性加入到12.5mL浓H₂SO₄中，然后再加入1g石墨粉，将改混合溶液加热到80℃，在磁力搅拌下加热回流5h，冷却后，往溶液中加入200mL水稀释，然后过滤、洗涤之中性，在60℃真空条件下干燥。第二步进一步氧化过程：把上述干燥的氧化石墨称取1g，在冰浴条件下分散于120mL浓硫酸与磷酸的混酸（浓硫酸与磷酸的体积比为3:1）中，保持温度为0~5℃并不断搅拌下加入9g高锰酸钾，而后将温度升至50℃搅拌12h。将体系温度冷却至室温，分别加入200mL冰水5mL30％的过氧化氢，并不断搅拌，再加入5mL5%的HCl，最后洗涤，过滤，干燥，得到氧化石墨rGO；

（2）rGO-PTCA的制备：取100mg氧化石墨分散在100mL去离子水中，超声处理形成均匀的悬浮液；向悬浮液快速加入25mg的3,4,9,10-苝四羧酸，再加入1ml的水合肼和0.5g的氨水，并在95℃下剧烈搅拌2~3h，静置30~40min；过滤，水洗，冷冻干燥，得到115mg rGO-PTCA；

（3）rGO-PTCA-CS的制备：取40mg还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸溶于40mL去离子水中，超声处理5~6小时；将80mg壳聚糖溶于40mL乙酸溶液（0.1mol/L）中，然后加入到还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸溶液中，再加入0.32gEDC和0.16gNHS，在室温下搅拌反应22~24小时；反应完成后，过滤，冷冻干燥，得到黑色固体rGO-PTCA-CS；

（4）修饰电极（rGO-PTCA-CS/GCE）的制备：将上述制备得到5mg的rGO-PTCA-CS分散在5mL去离子水中，超声1~2h得到均相分散液。用微量进样器取8μL此分散液直接滴涂在直径为3mm的裸玻碳电极表面（裸玻碳电极在被修饰之前，在麂皮上分别用0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉末抛光成镜面，洗涤表面污物后，转移到超声水浴中依次用无水乙醇、硝酸（1:1，V/V）及超纯水连续洗涤2min），最后，将修饰电极在室温下放置6min使电极表面的溶剂完全蒸发，得到复合材料修饰的电极rGO-PTCA/GCE、rGO-PTCA-CS/GCE；

（5）电性能测试：以修饰电极rGO-PTCA/GCE、rGO-PTCA-CS/GCE为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，建立电化学工作站；将修饰电极rGO-PTCA/GCE、rGO-PTCA-CS/GCE分别置于5.0mM[Fe(CN)₆]^4-/3-包含0.1M的KCl溶液中，在扫速为50mV/s，扫描范围-0.2V~0.6V下进行循环伏安测试其导电性。结果显示，复合材料rGO-PTCA-CS的电流74μA，rGO-PTCA的电流45.74μA。

实施例2、rGO-PTCA-CS的制备

（1）rGO的制备：同实施例1；

（2）rGO-PTCA的制备：取100mg氧化石墨分散在50mL去离子水中（浓度2mg/ml），超声处理形成均匀的悬浮液；向悬浮液快速加入50mg PTCA，再加入1ml的水合肼和0.5g的氨水，并在95℃下剧烈搅拌2~3h，静置30~40min；过滤，水洗，冷冻干燥，得到132mg rGO-PTCA；

（3）rGO-PTCA-CS的制备：取40mg rGO-PTCA，溶于40mL去离子水中，超声处理5~6小时；取120mg壳聚糖溶于60mL乙酸溶液（0.1mol/L）中，并加入到rGO-PTCA溶液中，再加入0.48gEDC和0.36gNHS，在室温下搅拌反应22~24小时；反应完成后，过滤，冷冻干燥8~10h，得到黑色固体复合材料rGO-PTCA-CS；

（4）修饰电极rGO-PTCA /GCE、rGO-PTCA-CS/GCE的制备：同实施例1；

（5）rGO-PTCA-CS电性能测试：测试方法同实施例1。结果显示，复合材料rGO-PTCA-CS的电流87.12μA，rGO-PTCA的电流61.04μA。

实施例3、D-色氨酸的识别

修饰电极rGO-PTCA-CS/GCE的制备：将实施例1制备的5mg rGO-Fc-CS分散在5mL蒸馏水中，超声60~70min得到均相分散液。然后，用微量进样器取8μL此分散液直接滴涂在直径为3mm的裸玻碳电极表面（裸玻碳电极在被修饰之前，在麂皮上分别用0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉末抛光成镜面，洗涤表面污物后，转移到超声水浴中依次用无水乙醇、硝酸（1:1，V/V）及超纯水连续洗涤2min），最后，将修饰电极在室温下放置7~9min使电极表面的溶剂完全蒸发，得到复合材料修饰的电极rGO-PTCA-CS/GCE，即工作电极。

D-色氨酸的识别：将修饰电极RGO-PTCA-CS/GCE作为工作电极，置于含有色氨酸的PBS溶液（包含0.1M的KCl），在扫速为50mV/s，扫描范围0.3V~1.1V的条件进行示差脉冲伏安进行识别。溶出峰电流值较大的为D-色氨酸，溶出峰电流值较小的为L-色氨酸。

实施例4、D-色氨酸的检测

（1）样品溶液的配制：配制rGO-PTCA-CS浓度为5mg/mL的样品溶液；配制浓度为1~10μM/L的色氨酸溶液；

（2）电化学识别：修饰电极rGO-PTCA-CS/GCE作为工作电极置于含有50μM/L的D-色氨酸溶液，在扫速为50mV/s，扫描范围0.3V~1.1V的条件进行示差脉冲伏安进行识别。结果显示，示差脉冲伏安图的溶出峰电流为14.6 μA。根据示差脉冲溶出峰电流的大小随着色氨酸浓度的线性关系（ΔI=(6.27±0.15)+(4.54±0.17)c _D-Trp），计算出检测的D-色氨酸浓度为15.2.μM/L，和理论值相差很小，这说明复合材料rGO-PTCA-CS对D-色氨酸有非常好的检测性。

Claims

1.一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸的制备：将氧化石墨超声分散于去离子水中形成均匀悬浮液；向悬浮液加入3,4,9-苝四羧酸，再加入还原剂水合肼和氨水溶液，在90℃~95℃下剧烈搅拌2~3h，静置30~40min，分离，水洗，干燥，即得还原氧化石墨烯-3,4,9-苝四羧酸复合材料；

（2）还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸-壳聚糖复合材料的制备：将还原氧化石墨烯-3,4,9-苝四羧酸溶于去离子水中，超声处理3~5h；将壳聚糖溶于乙酸中，再加入到还原氧化石墨烯-3,4,9-苝四羧酸溶液中，然后加入交联剂EDC和NHS使壳聚糖与苝四羧酸形成酰胺键，在室温下反应22~24h，反应完成后过滤，干燥，得到黑色固体还原氧化石墨烯-3,4,9-苝四羧酸-壳聚糖。

2.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，氧化石墨与3,4,9,10-苝四羧酸的质量比为4:1~2:1。

3.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，水合肼的加入量为氧化石墨质量的1%~1.5%。

4.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，氨水溶液的浓度25％~28%，其用量为氧化石墨质量的0.5%~1%。

5.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四羧酸与壳聚糖的质量比为1:2~1:3。

6.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，交联剂EDC的加入量为壳聚糖质量的3 ~4倍。

7.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，交联剂NHS的加入量为壳聚糖质量的2~3倍。

8.如权利要求1所述一种rGO-PTCA-CS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）、（2）中，所述干燥是在冷冻干燥箱中干燥8~10h。

9.如权利要求1所述方法制备的rGO-PTCA-CS/GCE复合材料用于检测识别D-色氨酸，其特征在于：将RGO-PTCA-CS复合材料分散在蒸馏水中，超声60~70min得到均相分散液；再将均相分散液滴涂在经清洁处理的裸玻碳电极表面，室温下放置使电极表面的溶剂完全蒸发，即得复合材料修饰的电极；然后以复合材料修饰的电极为工作电极，置于含有色氨酸的PBS溶液中，在扫速为50mV/s，扫描范围0.3V~1.1V的条件进行示差脉冲伏安进行识别：溶出峰电流值较大的为D-色氨酸，溶出峰电流值较小的为L-色氨酸。

10.如权利要求9所述rGO-PTCA-CS/GCE复合材料用于检测识别D-色氨酸，其特征在于：D-色氨酸在1μM~10μM浓度范围内，示差脉冲溶出峰电流的大小与D-色氨酸浓度的呈如下线性关系：

ΔI=(6.27±0.15)+(4.54±0.17)c _D-Trp

ΔI——示差脉冲溶出峰电流：μA

c _D-Trp——D-色氨酸浓度：μM/L。