CN111257381A - 一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Au‑Hg‑rGO纳米复合材料的制备方法及其应用，配置氯金酸溶液和柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲液；取氯金酸溶液与柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲液混合均匀，迅速加入新配置的硼氢化钠，加热搅拌得金纳米粒子；将硫酸汞溶液加入金纳米粒子溶液中，搅拌得金‑汞纳米粒子；将氧化石墨烯置于去离子水中，超声1h得1mg/mL石墨烯的悬浮液；取金‑汞纳米粒子加入石墨烯的悬浮液中，超声搅拌混合均匀后，再用磁力搅拌器搅拌，紫外照射1‑3h后，即得Au‑Hg/rGO纳米复合材料。本发明纳米复合材料对过氧化氢的催化性能好，线性范围是：5‑100μM，检测限为3.25μM (S/N=3)，具有良好的应用前景。

Description

一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及纳米复合材料领域，具体涉及一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法及其应用。
背景技术
过氧化氢(H2O2)和水能够以任意比例相混合，在浓度较低的条件下，可作为医用消毒剂，具有氧化性，还可以用来除去少量的臭味，因此在食品、制药、工业、生物、临床应用和环境工程等许多领域都发挥着重要的作用。但是，过氧化氢作为一种大气污染物，是酸雨形成因素之一，且当浓度相对较高时，则会给人体带来部分伤害。目前，检测过氧化氢的方法有滴定法、分光光度法、化学发光法、荧光测定法以及电化学方法，但是都存在各自的缺点，如何快速、灵敏地检测过氧化氢是过氧化氢领域值得关注的问题。
石墨烯材料随着科技的发展，应用领域越来越广，通过制备修饰的金属石墨烯纳米复合材料，拓宽其应用，具有良好的市场前景。
申请号201210079336.2公开了一种检测过氧化氢的生物电化学传感器及其制备方法。该新型生物电化学传感器为三电极体系传感器，其中对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，工作电极为金电极。本发明基于一种序列特异的多肽对辣根过氧化物酶的定向结合及其对该酶活性的促进作用，以及电化学检测方法高灵敏度的特点，有效地提高了过氧化氢传感器的灵敏度，取得了满意的结果。但是检测范围有限，检测最低浓度没有足够的提升。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法及其应用，本发明采用紫外光照法首先制备了金-汞/还原氧化石墨烯 (Au-Hg/rGO)纳米复合材料，制备过程简单，所得复合材料对过氧化氢检测的灵敏度高，受环境或其他因素的影响小。
一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，配置质量分数为1％的氯金酸溶液，配置柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液；
步骤2，取1-3mL氯金酸溶液与57-59mL柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液混合均匀，迅速加入1-3mL新配置的浓度为10mg mL-1的硼氢化钠，加热搅拌得金纳米粒子；
步骤3，将100-500μL、1mM硫酸汞溶液加入金纳米粒子溶液中，搅拌30min 得金-汞纳米粒子；
步骤4，将氧化石墨烯置于去离子水中，超声1h得1mg/mL石墨烯的悬浮液；
步骤5，取金-汞纳米粒子加入石墨烯的悬浮液中，超声搅拌混合均匀后，再用磁力搅拌器搅拌，紫外照射1-3h后，即得Au-Hg/rGO纳米复合材料。
上述Au-Hg/rGO纳米复合材料在检测过氧化氢上的应用。
作为改进的是，所述检测过氧化氢的温度为20℃。
作为改进的是，所述检测过氧化氢的pH为5。
作为改进的是，所述检测过氧化氢的线性范围为5-100μM，检测限为 3.25μM(S/N＝3)。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法及其应用的优势如下：
1、本发明采用紫外光照法制备了金-汞/还原氧化石墨烯(Au-Hg/rGO)纳米复合材料。制备过程简单，绿色环保，不需要其他的有毒有害试剂，对环境的友好度高；
2、所得复合材料对过氧化氢检测的灵敏度高，能够直接用肉眼观察，受环境或其他因素的影响小。
附图说明
图1为Au-Hg/rGO纳米复合材料的XPS表征图,(a)为金的XPS图谱，(b) 为Hg的XPS图谱，(c)为C的XPS图谱，(d)为O的XPS图谱；
图2为100nm比例尺寸下Au-Hg/rGO纳米复合材料的TEM图；
图3为Au-Hg/rGO纳米复合材料的XRD表征图；
图4为Au-Hg/rGO纳米复合材料的类过氧化酶活性测试；
图5为缓冲溶液pH值对Au-Hg/rGO纳米复合材料的影响情况；
图6为Au-Hg/rGO纳米复合材料温度条件优化图；
图7为Au-Hg/rGO纳米复合材料稳态动力学图，(A)为H2O2的浓度不变， TMB浓度改变，(B)为TMB浓度不变，H2O2浓度改变，(C)为TMB浓度改变的双倒数曲线，(D)H2O2为浓度改变的双倒数曲线；
图8为Au-Hg/rGO纳米复合材料在652nm处测定不同浓度的H2O2的情况图， (a)为吸收强度图，(b)为线性关系图；
图9为Au-Hg/rGO纳米复合材料检测H2O2的干扰测试图。
具体实施方式
实施例1
1g的氯金酸粉末溶解在100mL的棕色容量瓶中，得到质量分数为1％的氯金酸溶液，用分析天平称量少许柠檬酸-柠檬酸钠粉末配成pH＝5缓冲溶液，取氯金酸1mL放入100mL pH值为5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，搅拌混匀后，迅速加入1mL浓度为10mg mL-1的硼氢化钠(新配制的)，然后搅拌4小时，制得金纳米粒子。然后将制得的金纳米粒子加入100μL的1mM硫酸汞溶液，搅拌 30min，制取得金-汞纳米粒子，在将10mg的氧化石墨烯材料放入到10mL去离子水中，再超声1h，让石墨烯材料均匀的分散在去离子水溶液中，得到石墨烯的悬浮液。再取上述金-汞纳米粒子10mL加入溶液中，超声搅拌30min，使溶液充分混合，再利用磁力搅拌器搅拌，旁边放入紫外灯照射溶液2小时，停止照射，制得金-汞/还原氧化石墨烯纳米粒子。
实施例2
将实施例1中所得的Au-Hg/rGO纳米复合材料、乙酸-乙酸钠、H2O2、TMB溶液进行混合，颜色由浅褐色变成蓝绿色，证明该纳米复合材料可以用于H2O2的检测。
取制得的Au-Hg/rGO纳米粒子100μL放入比色管中，用移液管将乙酸-乙酸钠取出，调制成pH＝5的缓冲溶液，取其中的1.7mL加入比色管中，轻微震荡，静置一会，再加入100μL、1mM TMB作为显色底物，再加入100μL、1M H2O2，震荡摇匀，静至10min后，溶液的颜色从浅褐色变成蓝绿色，测量其吸光度的大小。
实施例3 Au-Hg/rGO纳米复合材料的XPS表征
采用XPS来测定纳米复合材料的表面组成如图1所示。由图1(a)可以看出在80-90eV出现了金的特征峰，证明我们成功的制备了金纳米粒子。从图1 (b)可以看出在102eV左右出现了汞的特征峰，显示出材料中含有金属汞，图1(c)为C元素的XPS谱图。图1(d)为O元素的XPS谱图。图1(e)是Au、 C、Hg、O元素的总谱图，从XPS的测试结果可以看出我们成功的制备了Au-Hg/rGO 纳米复合材料。
Au-Hg/rGO纳米复合材料的TEM表征，结果如图2所示。
此图是在100nm比例条件下扫描得到的TEM图，由图2我们可以看出Au-Hg 纳米复合材料呈现出球形，并附着在具有褶皱的片状rGO的表面，粒径在30nm 左右，说明我们成功地制备出了Au-Hg/rGO纳米复合材料。
Au-Hg/rGO纳米复合材料的XRD表征，测试时采用范围是10-80°，结果如图3所示，从图中可以看出在38.2°和64.6°处出现了金的(111)和(220) 的晶面峰。汞的(220)晶面峰出现在44.5°。通过XRD的表征分析可以看出我们制备出了Au-Hg/rGO纳米复合材料。
实施例4 Au-Hg/rGO类过氧化酶活性的探究
首先对材料类过氧化酶的活性进行了探究，实验步骤是：取100μL的 Au-Hg/rGO纳米复合材料加入到1700μL乙酸-乙酸钠缓冲溶液中(pH＝5)，接着再加入100μL TMB、100μLH2O2，混合均匀，按照表1的配置，进行试验，然后测定其吸光度，绘制成图4所示。
表1不同试管中所加入的试剂
编号 a b c d e f g h i
GO - + - + + + - + -
Au-Hg/rGO - - + - - + - - +
HAc-NaAc + + + + + + + + +
TMB+H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> - - - - - - + + +
由图4可以看出，与其他条件相比较，在所有材料都加的情况下，Au-Hg/rGO 纳米材料在波长为652nm对过氧化氢的催化性能最好。
实施例5缓冲溶液pH值的优化
探究Au-Hg/rGO纳米复合材料对H2O2的催化性能，缓冲溶液的pH值优化有着重要的作用。随着缓冲溶液的酸碱度的不同，材料催化的性能会有很大的影响，我们首先对乙酸-乙酸钠缓冲溶液的酸碱度做了等梯度的改变：2，3，4，5，6，7，8。在将Au-Hg/rGO纳米复合材料100μL分别加入不同的pH溶液中(乙酸- 乙酸钠取1700μL)，分别加入100μL H2O2溶液(1mM)、100μL TMB。稍微搅拌，静置一会，立即用紫外分光光度计测定其吸光度并记录。得到的数据我们采用origin软件绘如图5所示，从图中可以看出Au-Hg/rGO纳米复合材料在缓冲溶液pH＝5的条件效果最佳。
实施例6温度条件的优化
探究了温度对其测定的影响。我们选择温度范围为15℃、20℃、25℃、30℃、 35℃、40℃。步骤如下：首先取原材料Au-Hg/rGO纳米复合材料100μL加入 1800μL的乙酸-乙酸钠(pH＝5)的缓冲溶液中，倒入100μL的H2O2(1mM)、 100μL TMB。稍微震荡，静置1min。放入调好了相对应温度的恒温水浴锅中静置5min，随后立即用紫外分光光度计测定其吸光度。再用所得到的数据，使用Origin软件绘制成如图6。
由图6我们可以看出，随着温度的升高，Au-Hg/rGO纳米复合材料对H2O2的催化性能先增加后减弱，在20℃时催化性能最优，由此可以得出Au-Hg/rGO纳米复合材料对H2O2催化的最佳温度为20℃。
实施例7稳态动力学研究
通过改变TMB的浓度和H2O2的浓度，来测定稳态动力学实验，再通过测定其吸光度制作了如下图7。
我们运用Michaelis-Menten方程：V＝Vmax×[S]/(Km+[S])做出倒数得到1/V的方程，绘制成图7，本实验是测定Au-Hg/rGO纳米复合材料的稳态动力学，实验研究是采用100μLAu-Hg/rGO，1800ul乙酸-乙酸钠缓冲溶液(pH＝5)， 20℃时我们把TMB或者H2O2其中一种底物浓度固定，另一种发生改变时，可以得出1/TMB和1/H2O2双倒数图。酶的催化特性可以用米氏常数Km来表示，它和酶的物理化学性质、反应条件、底物的浓度存在一定关系，和酶浓度的高低是没有关系的。不同种类的酶的Km常数是不一样的，同一种酶和不同底物参加反应时，它的Km也不一样。Km值越大，那么酶和底物的亲和力越小；于此同理Km值越小，酶和底物的亲和力越大。由表2得到了H2O2和TMB的Km值，为此我们和其他材料做了对比如表2。
表2 Au-Hg/rGO与其他材料对比表
Figure RE-GDA0002379034990000061
由表2可以看出，Km值有很大的变化，与其他类型的过氧化物酶相比 Au-Hg/rGO纳米材料的TMB的Km值为3.24，比其他的Km值大，所以亲和力较小。
而过氧化氢的Km值为1.25，相对于其他的过氧化物酶的值都小，具有较高的亲和力，动力学越稳定。
实施例8线性范围、检出限的探究
用Au-Hg/rGO纳米复合材料来对不同浓度的H2O2进行检测，测定结果如图8 所示。
实验中不断地提高H2O2溶液的浓度，TMB显色剂的显色能力会慢慢变强，溶液的颜色会逐渐加深。由图8(a)我们可以看出，随着H2O2溶液的浓度的不断增加，吸光度值不断增加，在5-100μM之间，H2O2溶液的浓度和吸光度值呈现出良好的线性关系。
图8(b)，线性方程：A＝0.00113C+0.03682，式子中A表示实验反应Au-Hg/rGO 纳米材料对一定的H2O2溶液反应后的溶液的吸光度，C指示H2O2的浓度，R2＝0.9912，检出限为3.25μM。检测的重要指标为稳定性与重现性。由此，我们用5μM和100μM，反复多次研究。结果表明出这两个浓度点出现的相对标准偏差分别为 3.86％和5.78％，由此说明本体系对H2O2的检测有良好的重现性和稳定性。
实施例9干扰实验
在pH＝5，温度为20℃的条件下分别加入了1mM的谷氨酸、色氨酸、半胱氨酸、槲皮素、吲哚、钾离子、钠离子。再根据实施例2的吸光度，绘制成如图9。
由图9我们可以看出，这些物质的吸光度相对过氧化氢而言，都是很微小的，由此我们可以得出对H2O2的检测没有干扰。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种Au-Hg-rGO纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，配置质量分数为1%的氯金酸溶液，配置柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液；
步骤2，取1-3mL氯金酸溶液与57-59mL柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液混合均匀，迅速加入1-3mL新配置的浓度为10 mg mL-1的硼氢化钠，加热搅拌得金纳米粒子；
步骤3，将100-500μL、1mM硫酸汞溶液加入金纳米粒子溶液中，搅拌30min得金-汞纳米粒子；
步骤4，将氧化石墨烯置于去离子水中，超声1h得1mg/mL石墨烯的悬浮液；
步骤5，取金-汞纳米粒子加入石墨烯的悬浮液中，超声搅拌混合均匀后，再用磁力搅拌器搅拌，紫外照射1-3h后，即得Au-Hg/rGO纳米复合材料。
2.根据权利要求1制备的Au-Hg-rGO纳米复合材料在检测过氧化氢上的应用。
3.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述检测过氧化氢的温度为20℃。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述检测过氧化氢的pH为5。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述检测过氧化氢的线性范围为5-100 μM，检测限为3.25 μM (S/N=3)。
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