CN113295749A - 氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极、其制备方法及肾上腺素定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极、其制备方法及肾上腺素定量检测方法，属于电化学分析技术领域。将氮掺杂石墨烯均匀分散在体积浓度1%的羟基功能化的离子液体（1‑羟乙基‑3‑甲基咪唑四氟硼酸盐）的水溶液中，制备复合材料，然后将复合材料滴涂在经打磨抛光处理的玻碳电极上，制备氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极，制备方法简单。所制备的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极用于定量检测肾上腺素时，响应快速，具有良好的选择性、重现性和稳定性，检测限为1.0μM。

Description

氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极、其制备方法 及肾上腺素定量检测方法

技术领域

本发明涉及电化学分析技术领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极、其制备方法及肾上腺素定量检测方法。

背景技术

肾上腺素(EP)是中枢神经系统中的一种儿茶酚胺类神经递质，是肾上腺髓质分泌的激素，在生理、药理、临床上有着重要的功能。目前测定肾上腺素的方法主要有高效液相色谱法、毛细管电泳法、电化学分析法等。电化学分析法由于其操作简单、成本低廉、分析速度快、灵敏度高、选择性好以及仪器可集成化、微型化，适合于微量和痕量物质的分析等优点，被越来越多的应用于肾上腺素的检测中。

其中，石墨烯修饰的玻碳电极被广泛研究，例如，专利号为201910958357.3 的中国发明专利公开了一种功能化石墨烯修饰玻碳电极的制备方法及其用途，采用DMF和壳聚糖溶液来分散修饰剂锰掺杂γ-脲丙基三乙氧基硅烷功能化氧化石墨烯，其修饰剂分散效果较差，导致其导电性较差。再如，专利号为 201911177873.9的中国发明专利公开了一种石墨烯修饰玻碳电极的制备方法及其应用，将BiMoO₆中空微球分散于0.5％Nafion的去离子水溶液中，并滴涂在经石墨烯修饰的玻碳电极表面，晾干得到BiMoO₆中空微球/石墨烯修饰玻碳电极，由于其在玻碳电极上分别进行石墨烯和BiMoO₆中空微球的修饰，导致石墨烯和BiMoO₆中空微球的分散效果较差。论文《氮掺杂三维多孔石墨烯修饰电极作为电化学传感器的应用研究》(杨奇等)采用滴涂法制备了氮掺杂三维多孔石墨烯修饰电极(NG/CS/GCE)，对肾上腺素、变肾上腺素进行了定量分析。该论文中采用乙醇溶液来分散氮掺杂三维多孔石墨烯，分散效果较差，且用壳聚糖来固定石墨烯，固定效果有待加强。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，以解决现有技术中存在的石墨烯修饰玻碳电极修饰剂分散效果较差的技术问题。

本发明还提供一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极。

本发明还提供一种肾上腺素定量检测方法，应用上述氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极，响应快速，具有良好的选择性以及重现性和稳定性。

本发明还提供一种用于定量检测肾上腺素的电化学传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，包括以下步骤：

a.玻碳电极预处理：玻碳电极打磨抛光，并清洗，干燥后备用；

b.复合材料制备：称取氮掺杂石墨烯，并使氮掺杂石墨烯均匀分散在体积浓度为1％的1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的水溶液中，得到复合材料；

c.定量移取所述复合材料，滴涂于干燥后的玻碳电极表面，自然干燥后，得氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极。

优选地，步骤b中，所述复合材料中，氮掺杂石墨烯的含量为0.1mg/mL～ 1.0mg/mL。

优选地，步骤b中，所述复合材料中，氮掺杂石墨烯的含量为0.5mg/mL～1.0mg/mL。

优选地，步骤b中，所述复合材料中，氮掺杂石墨烯的含量为0.5mg/mL。

优选地，步骤c中，所述“定量移取所述复合材料，滴涂于干燥后的玻碳电极表面”中，每单位玻碳电极有效表面积用的复合材料的量为0.5μL/mm²～1.2 μL/mm²。

一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极，由上所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法制备。

一种肾上腺素定量检测方法，使用如上所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极定量检测溶液中的肾上腺素。

优选地，定量检测溶液中的肾上腺素时，溶液的pH值为5～9。

优选地，定量检测溶液中的肾上腺素时，溶液中存在K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Cu²⁺、 Zn²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO^2- ₄、多巴胺、尿酸、抗坏血酸、L-赖氨酸、 L-异亮氨酸、L-组氨酸、葡萄糖、蔗糖中的一种或多种。

一种用于定量检测肾上腺素的电化学传感器，包括如上所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极。

由上述技术方案可知，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极及其制备方法，其有益效果是：将氮掺杂石墨烯均匀分散在体积浓度1％的1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的水溶液中，制备复合材料，然后将复合材料滴涂在经打磨抛光处理的玻碳电极上，制备氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极，制备方法简单。所制备的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极用于定量检测肾上腺素时，响应快速，具有良好的选择性、重现性和稳定性，检测限为1.0μM。

本发明还提供一种肾上腺素定量检测方法，具有良好的重现性、选择性和稳定性，能用于实际样品中肾上腺素简单、快速的测定，检测限为1.0μM。

附图说明

图1是N-GE-1％IL的TEM图像。

图2是(a)GCE、(b)1％IL/GCE、(c)N-GE-1％IL/GCE在含有0.1M KCl的 1mM Fe[(CN)₆]^3-/4-溶液中的循伏安图(扫速：50mV s^-1)。

图3是100μM EP在(a)GCE、(b)1％IL/GCE、(c)N-GE-1％IL/GCE上的差分脉冲伏安图。

图4是100μM EP在N-GE-1％IL/GCE上不同扫描速率下的循环伏安图，从内到外扫描速率分别为：25，50，100，150，200，250，300mV·s^-1。

图5是阳极峰电流与扫描速率的平方根的线性关系图。

图6是100μM EP在N-GE-1％IL/GCE上在不同pH的0.1M PBS中的差分脉冲伏安图(pH:a-g分别为5，6，7，8，9，10，11)。

图7是pH值对100μM EP在N-GE-1％IL/GCE上峰电位和峰电流的影响 (E-pH和E-pH)。

图8是不同含量的修饰剂N-GE对100μM EP峰电流的影响。

图9是富集时间对100μM EP峰电流的影响曲线。

图10是不同浓度的EP在N-GE-1％IL/GCE上的差分脉冲伏安图，从下到上EP的浓度分别为0，1，3，5，10，50，100，150，200，250，300，350， 400，450，500μM；插图为EP峰电流与浓度的线性关系图。

具体实施方式

以下结合本发明的附图，对本发明的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。

请参看图1，一具体实施方式中，一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，包括以下步骤：

a.玻碳电极预处理：玻碳电极打磨抛光，并清洗，干燥后备用。

例如，将玻碳电极在金相砂纸(800号)上用Al₂O₃(1μm、0.3μm)悬糊打磨，然后移入超声波清洗仪中超声清洗；再用Al₂O₃(0.05μm)悬糊在麂皮上进行抛光处理，用相同方法超声清洗，通氮使电极表面干燥。

b.复合材料制备：称取氮掺杂石墨烯，并使氮掺杂石墨烯均匀分散在体积浓度为1％的1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的水溶液中，得到复合材料。

具体地，首先配制体积浓度为1％的1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的水溶液(以下记作1％IL)，然后定量称取氮掺杂石墨烯(N-GE)，并使N-GE均匀分散在1％IL中，形成以N-GE-1％IL和水为主要成分的复合材料。

c.定量移取所述复合材料，滴涂于干燥后的玻碳电极表面，自然干燥后，得氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极(以下记作N-GE-1％IL/GCE)。

采用以上方法制备N-GE-1％IL/GCE，制备过程简单。请参看图1，由 N-GE-1％IL的透射电镜图可以看出，修饰剂N-GE均匀分散在IL中。

请一并参看图2，用循环伏安法(CV)对制备的N-GE-1％IL/GCE进行表征，在裸GCE(曲线a)上观察到峰电流较小的氧化还原峰，当用离子液体修饰玻碳电极(1％IL/GCE)(曲线b)时，电极上氧化峰电流有所增加，说明离子液体良好的导电性能在很大程度上促进Fe(CN)₆ ^3-/4-和电极之间的电子转移。在 N-GE-1％IL/GCE(曲线c)上，可以观察到峰形很好的可逆的氧化还原峰，峰电流也进一步增大，这是氮掺杂石墨烯较大的比表面积和离子液体良好的导电性共同作用的结果。

请一并参看图3，从100μM EP在裸电极GCE、1％IL/GCE、N-GE-1％IL/GCE 上的差分脉冲伏安图中可以看出，EP在三种电极上均有一个氧化峰，但EP在裸电极GCE上响应微弱。1％IL/GCE相较于裸电极GCE响应较大且氧化还原峰电位发生负移。EP在N-GE-1％IL/GCE上响应进一步增加，且氧化还原峰电位明显负移。结果表明，N-GE-1％IL/GCE对EP有显著的催化作用，具有快速的电子传递速率。

请一并参看图4与图5，从不同扫描速率下100uM EP在0.1M pH 9.0磷酸盐缓冲溶液中的循环伏安图中，可以看出，EP在电极上的反应为不可逆的氧化还原过程，氧化峰电流随扫速的增加而增加，峰电位正移。在扫速25-300mV s^-1范围内，阳极峰电流与扫速的平方根成正比，线性回归方程为：I(μA)＝0.3845 v^1/2(mV^1/2s^-1/2)+0.5780，相关系数R²＝0.9995；结果表明EP在修饰电极上的电极反应为扩散控制的过程。

请一并参看图6与图7，不同溶液pH值对100μM EP响应的影响不同，结果表明，在pH值5.0～9.0PBS溶液中，EP氧化峰电流随pH增大而增大，在 pH 9.0时达到最大，之后随着pH的增加而降低。EP的氧化峰电位与溶液pH的关系表明，随着溶液pH的增加，氧化峰电位不断地负移，在pH 5.0～11.0范围内，峰电位与PBS的pH值成线性关系，线性回归方程为E(v)＝-0.0714pH+0.6827，相关系数R²＝0.9909。所得的斜率为71.4mV/pH，与理论值接近，说明参与反应的电子数和质子数相等。

N-GE的用量对制得的N-GE-1％IL/GCE的性能具有显著影响。一实施例中，先将玻碳电极在金相砂纸(800号)上用Al₂O₃(1μm、0.3μm)悬糊打磨，然后移入超声波清洗仪中超声30s；再用Al₂O₃(0.05μm)悬糊在麂皮上进行抛光处理，用相同方法超声清洗30s。用移液管移取1mL离子液体(1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)至100mL容量瓶中，用实验用超纯水稀释定容至容量瓶刻度线，混匀，制备1％IL，备用。用精密电子天平称量0.5mg的氮掺杂石墨烯并使之均匀分散在1％IL的1mL的离心管中，制备N-GE-1％IL复合材料。将已打磨并清洁的玻碳电极，通氮使电极表面干燥，用移液枪移取分散均匀的5μL复合材料，滴涂至玻碳电极表面，在室温下自然干燥。干燥之后即制得 N-GE-1％IL/GCE。离子液体修饰玻碳电极(1％IL/GCE)用相同的方法制备。

又一实施例中，用精密电子天平称量0.1mg的氮掺杂石墨烯，并使之均匀分散在1％IL的1mL的离心管中，制备N-GE-1％IL复合材料。其他同上述实施例。

又一实施例中，用精密电子天平称量0.2mg的氮掺杂石墨烯，并使之均匀分散在1％IL的1mL的离心管中，制备N-GE-1％IL复合材料。其他同上述实施例。

又一实施例中，用精密电子天平称量0.7mg的氮掺杂石墨烯，并使之均匀分散在1％IL的1mL的离心管中，制备N-GE-1％IL复合材料。其他同上述实施例。

又一实施例中，用精密电子天平称量1.0mg的氮掺杂石墨烯，并使之均匀分散在1％IL的1mL的离心管中，制备N-GE-1％IL复合材料。其他同上述实施例。

考察在pH＝9.0的PBS溶液，开路富集时间10s条件下，氮掺杂石墨烯含量对100μMEP氧化峰电流的影响。请参看图8，实验表明氮掺杂石墨烯含量从 0.1mg/mL逐渐增加到0.5mg/mL时，EP氧化峰电流几乎线性增加。随着氮掺杂石墨烯含量的增加，修饰电极对EP的富集效率增加，即能够提供的活性位点逐渐增加，相应的EP的表面浓度提高，使得氧化峰电流大幅提高。当氮掺杂石墨烯含量进一步增加时，峰电流增速减缓。因为涂层厚度随着修饰剂含量的增加而增加，会影响EP的电子传递，从而影响EP的氧化峰电流增加。

同时，涂层厚度随着N-GE-1％IL复合材料的用量的增加而增加，作为优选，涂层厚度即复合材料的移取量为0.5μL/mm²～1.2μL/mm²。

请一并参看图9，当富集电位在-0.2V到0.4V范围变化时，EP的电流响应变化不明显，且与在开路条件下富集的峰电流相差不大。开路搅拌富集10s就能达到很好的效果，随着富集时间的增加，峰电流没有明显变化，说明在很短的富集时间就能达到很好的富集效果，具有良好的实验灵敏度和分析效率。

请一并参看图10，在最优的实验条件下(复合材料中，N-GE的含量为0.5 mg/mL，涂层厚度为0.72μL/mm²，测试pH为9，开路搅拌富集10s)，采用 N-GE-1％IL/GCE构建的电极，对不同浓度的肾上腺素进行了检测，实验表明： EP的氧化峰电流随其浓度的增加而增大，在3×10^-6～4×10^-4mol/L范围内，EP 的氧化峰电流与其浓度成正比，线性回归方程为：I(μA)＝0.0186c(μM)+0.0590，相关系数R²＝0.9976，检测限为1.0×10^-6mol/L(S/N＝3)。当EP的浓度大于450 μM，峰电流增加缓慢。

重现性研究表明，在含有50μM EP的0.1M pH 9.0的磷酸盐缓冲溶液中，用差分脉冲伏安法(DPV)对一支由N-GE-1％IL/GCE构建的电极进行6次重复测量，其响应电流的相对标准偏差(RSD％)为1.15％，而在同一溶液中用6支以同样方法制备的N-GE-1％IL/GCE构建的电极分别进行测量，其响应电流的 RSD％为3.04％。结果显示该N-GE-1％IL/GCE构建的电极具有良好的重现性。

表1所示为潜在干扰物质对20μM EP峰电流的影响，结果表明：注入相同量的DA；2.5倍的UA；5倍的AA；100倍的L-赖氨酸、L-异亮氨酸、Pb²⁺、 Fe³⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、SO^2- ₄；200倍的L-组氨酸、葡萄糖、蔗糖、K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Zn²⁺、Cl^-对EP的检测几乎没有影响(峰电流变化均在±5％以内)，说明该传感器具有很好的抗干扰能力。

表1 潜在干扰物对EP响应的影响(C_EP＝20μΜ)

取三个不同个体的尿液，分别取1mL于100mL容量瓶中，并用0.1mol/L pH＝9.0的PBS稀释100倍，用标准加入法进行回收率实验，结果如下表2：

表2 N-GE-1％IL/GCE测定尿样中的EP(n＝3^a)

a测量三次的平均值；ND：未检测到

以上三组样品检测，回收率的范围为95.7％～101.2％；相对标准偏差RSD％的范围为0.92％～2.89％。结果表明：构建的传感器能用于实际样品的检测，并获得了满意的结果。

以上实验过程均采用常规手段进行，本发明提供一种具体的实验过程：用 10mL小烧杯量取5mL的pH 9.0的PBS，加入一定量的肾上腺素，以 N-GE-1％IL/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。在-0.2～0.6V电位范围内以50mV s^-1的扫描速度扫描，记录裸玻碳电极(GCE) 1％IL/GCE、N-GE-1％IL/GCE在含有0.1M KCl的1mM Fe[(CN)₆]^3-/4-溶液中的循环伏安图以进行电极表征。在-0.2～0.4V的开路电位范围内，搅拌富集10 s后，记录一定量的EP在不同电极上的差分脉冲伏安图，每次实验扫描至少进行3次，以确保实验的重现性。实验均在室温下进行。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.玻碳电极预处理：玻碳电极打磨抛光，并清洗，干燥后备用；

b.复合材料制备：称取氮掺杂石墨烯，并使氮掺杂石墨烯均匀分散在体积浓度为1％的1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的水溶液中，得到复合材料；

c.定量移取所述复合材料，滴涂于干燥后的玻碳电极表面，自然干燥后，得氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极。

2.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述复合材料中，氮掺杂石墨烯的含量为0.1mg/mL～1.0mg/mL。

3.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述复合材料中，氮掺杂石墨烯的含量为0.5mg/mL～1.0mg/mL。

4.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述复合材料中，氮掺杂石墨烯的含量为0.5mg/mL。

5.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，步骤c中，所述“定量移取所述复合材料，滴涂于干燥后的玻碳电极表面”中，复合材料的移取量为0.5μL/mm²～1.2μL/mm²。

6.一种氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极，其特征在于，由权利要求1～5中任意一项所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极的制备方法制备。

7.一种肾上腺素定量检测方法，其特征在于，使用如权利要求6所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极定量检测溶液中的肾上腺素。

8.如权利要求7所述的肾上腺素定量检测方法，其特征在于，定量检测溶液中的肾上腺素时，溶液的pH值为5～9。

9.如权利要求7所述的肾上腺素定量检测方法，其特征在于，定量检测溶液中的肾上腺素时，溶液中存在K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO^2- ₄、多巴胺、尿酸、抗坏血酸、L-赖氨酸、L-异亮氨酸、L-组氨酸、葡萄糖、蔗糖中的一种或多种。

10.一种用于定量检测肾上腺素的电化学传感器，其特征在于，包括如权利要求6所述的氮掺杂石墨烯/离子液体复合材料修饰玻碳电极。

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