专利名称：一种富集检测1-羟基芘于一体的电化学传感器电极及制备方法
技术领域：
本发明属于传感器领域，涉及一种用于富集检测1-羟基芘于一体的电化学传感器电极及制备方法。
背景技术：
多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)是一类典型的持久性有机污染物，广泛分布于大气、水、土壤中，是重要的环境和食品污染物，长时间暴露可诱发肺癌、皮肤癌等癌症，已被各国列为优先控制的污染物。1-羟基芘是一种普遍存在的PAHs代谢产物，大量实验表明1-羟基芘(1-0HP)的浓度与人体接触PAHs剂量之间具有明显的剂量-效应关系，因此1-0HP作为PAHs暴露的生物标志物来综合评价人体对PAHs多途径的内暴露情况及风险程度已被国际研究广泛接受。然而当前我国对PAHs的研究主要集中在环境中PAHs的含量测定，而对人体PAHs 暴露水平评价研究却寥寥无几，1-0HP的检测技术是主要制约因素。从文献分析来看，1-0HP 的检测技术存在以下两方面问题一是缺乏对1-0HP具有选择性的富集材料；其二是1-0HP 的检测方法。在选择性富集材料方面，目前绝大多数研究采用C18小柱固相萃取，该方法虽然在一定程度上能提高检测水平，但缺乏选择性。为了提高选择性，通过制备OH-PAHs的抗体，利用免疫亲和柱富集技术，可在一定程度上提高吸附选择性，但假阳性和较高的费用问题使得抗体制备未能实际应用。在1-0HP检测方面，目前主要有高效液相色谱-荧光检测器法、同步荧光法、液质 /气质联用法、化学发光酶免疫测定法及酶联免疫分析法。高效液相色谱-荧光检测器法、 同步荧光法、液质/气质联用法虽然灵敏度高，但样品前处理复杂、耗时长。更重要的是这些仪器价格高昂，分析方法要求的门槛过高，使这些方法难以普及。而化学发光酶免疫测定法及酶联免疫分析法由于酶本身的不稳定性，复杂样品受干扰，检测准确度不高。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种基于氧化石墨烯-笼状六面倍半硅氧烷复合膜修饰电极用于1-羟基芘选择性富集并原位测定的电化学传感器电极。本发明的另一个目的在于提供一种基于氧化石墨烯-笼状六面倍半硅氧烷复合膜修饰电极用于富集检测ι-羟基芘的电化学传感器电极的制备方法。本发明的这些目的将通过下列详细描述和说明来进一步体现和阐述。石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，是其它所有维度石墨材料的基本构建模块，是继碳纳米管发现后碳家族又一纳米级功能性材料。据悉石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，其良好的导电性能及宏观隧道效应能使其成为固定化物和电极之间有效的电子介体，可以提高传感器的灵敏度和响应电流，缩短响应时间，提高检出限，因此石墨烯在传感器领域具有很大的应用前景。另外，石墨烯含有大量的η体系，因此可以通过η-η 堆积作用与其他的η体系(如ι-羟基芘)很好地结合在一起，从而达到高效、选择性的富集吸附效果。除此之外，石墨烯还具有超大的比表面积，因此具有很大的吸附容量。氧化石墨烯是石墨烯重要的派生物，除了与石墨烯一致的性质外，由于其表面连有大量的羟基、羧基、环氧基等官能团，因而具有更好的分散性、亲水性和兼容性。此外，石墨烯类物质的制备成本较低，这为其实际应用提供了很好的基础。本发明主要通过可控复合的方法在电极上制备1-羟基芘的富集材料，形成氧化石墨烯-笼状六面倍半硅氧烷复合膜修饰电极，采用电化学传感技术对1-羟基芘进行原位测定。技术方案发明的目的是通过下述技术方案来实现的1、氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极的制备方法，制备步骤如下(1)将氧化石墨加到水或碱性溶液中超声分散，形成以单片层均勻分散的氧化石墨烯溶液，备用；(2)选择合适的聚阳离子电解质配制成水溶液，将支撑体电极进行预处理，然后浸入到聚阳离子电解质中，使支撑体电极表面带上正电荷；(3)将经上述步骤处理后带上正电荷的支撑体电极反复交替浸泡氧化石墨烯溶液和笼状六面体倍半硅氧烷溶液(1-100次)，即可得到氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极。2、氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极原位电化学传感1-羟基芘，其步骤如下(1)将制备好的氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极浸泡于含有 1-羟基芘的溶液中，通过η-η堆积作用达到富集1-羟基芘的效果。(2)以富集1-羟基芘后的氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极为工作电极，以Ag/AgCl电极或甘汞电极为参比电极，钼丝电极为对电极构筑三电极体系，利用电化学工作站对1-羟基芘进行测定。其中所述的氧化石墨烯溶液浓度为0. 01-5mg/mL,笼状六面体倍半硅氧烷溶液浓度为 0. 01-5mg/mL。其中所述的聚阳离子电解质为聚烯丙基胺盐、聚二丙烯基二甲基氯化铵、聚联丙烯基二甲基铵氯化物、聚乙烯醇、胶原、壳聚糖、多聚赖氨酸或聚乙烯基亚胺盐酸盐中的一种或其中任意两种的混合物。聚阳离子电解质配制成水溶液，浓度为0. l-2wt%，支撑体电极在其水溶液中浸泡时间为l-30min。其中所述的支撑体电极交替浸泡氧化石墨烯溶液和笼状六面体倍半硅氧烷溶液的优选重复次数为5-40次，在氧化石墨烯溶液和笼状六面体倍半硅氧烷溶液中的浸泡时间分别为2-60min。其中所述的氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极浸泡于含有 1-羟基芘的溶液中吸附的时间为5-60min。
其中所述的支撑体电极为玻碳电极、石墨电极、铅笔芯电极或碳糊电极。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)充分利用以单片层稳定存在的氧化石墨烯的超大比表面积提高对1-羟基芘的电催化活性及吸附能力；(2)利用氧化石墨烯表面上所含羟基、羧基等含氧基团形成结合位点，通过静电吸附作用与带正电荷的笼状六面体倍半硅氧烷支撑骨架有机结合在一起，形成氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜，使得复合电极材料的各项性能大大提高，尤其是提高了传感器的灵敏度；(3)本发明基于静电层层自组装技术，其成膜驱动力来源于正负电荷之间的静电吸附作用，以离子键相互结合，作用力较强，可以通过控制循环交替浸泡成膜的次数及成膜材料浓度来控制膜厚，真正达到从分子水平上对膜材料和膜结构的控制；(4)利用氧化石墨烯表面所含π体系，通过π-π堆积作用可将其他η体系物质，如ι-羟基芘牢牢吸附达到富集作用，从而有效降低了检测限，提高了灵敏度及其稳定性。(5)本发明制备的复合膜，结合了氧化石墨烯、笼状六面体倍半硅氧烷以及纳米材料的特性，且所需成本较低。(6)本发明修饰电极具有优异的电催化性能。在富集1-羟基芘后，对1-羟基芘的峰电流响应很高，是裸玻碳电极峰电流响应的125倍，如此高的峰电流响应在其他修饰电极上是看不到的。(7)检测过程简单，灵敏度高。
图1为不同循环次数所得到氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜的紫外图
■i並曰ο图2为所制得的氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极对不同浓度 1-羟基芘的差分脉冲伏安曲线图，其中横坐标为电化学扫描电位(E/V vs Ag/AgCl)，纵坐标为相应电位下的响应电流(单位为μΑ)。图3为所制得的氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极对不同浓度 1-羟基芘的响应曲线图，其中横轴代表1-羟基芘的浓度(单位为μΜ)，纵轴代表电流响应强度(单位为μ A)实施例1 1、氧化石墨烯的合成称取150mg多壁碳纳米管(丽CNTs)于150mL&H2S04中，超声悬浮。然后加入750mg KMnO4，室温下搅拌Ih后60°C水浴加热，直至反应完全得到棕褐色产物。当反应接近完全或完全时将温度提高至70°C，待温度稳定后将反应物拿出，冷却至室温，然后倒入400mL含有 5mL30% H2O2的冰中以终止反应。放入离心机，在6，OOOrpm转速下离心lOmin，去上清后用 150mL超纯水溶解，然后磁搅拌30min、超声20min后加入30mL 20%的HCl使其絮凝沉淀。 将该絮凝物放入离心机，在6，OOOrpm转速下离心lOmin，去上清后用150mL无水乙醇溶解， 然后磁搅拌30min、超声20min后加入150mL无水乙醚。放入离心机，在10，OOOrpm转速下离心lOmin，上清液用0. 45 μ m PTFE膜过滤，离心沉淀物及过滤后固体用50mL无水乙醚洗两次。最后将无水乙醚挥发后于40°C真空干燥箱内干燥12h，干燥器内保存待用。取一定量所得产物分散于水或碱性溶液中，然后超声 10-120min,使氧化产物片层剥落，即可获得稳定的氧化石墨烯分散液。2、笼状六面体倍半硅氧烷的合成在剧烈搅拌条件下，将20mL3_氨丙基三乙氧基硅烷与160mL甲醇混合。混合均勻后，加入27mL浓盐酸(36. 5%)0然后，在室温下搅拌一周直到笼状六面体倍半硅氧烷-NH3+ 沉淀为白色粉末状后停止反应。所得到的产物先过滤，然后用冰甲醇清洗，真空干燥箱内干燥。最后再用热甲醇对其进行重结晶，真空干燥后干燥器内保存待用。3、裸电极的处理在使用之前，玻碳电极依次用4000目砂纸和1. 0,0. 3,0. 05 μ m的氧化铝浆抛光， 然后用无水乙醇和超纯水超声清洗，随后用氮气中吹干备用。4、氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极的制备(1)将氧化石墨烯加到氨水中超声分散10-120min，形成以单片层均勻分散的氧化石墨烯溶液(lmg/mL)，备用；(2)将处理好的玻碳电极放入Iwt % PDDA的0. 5mol/L NaCl溶液中浸泡20min，取出后用大量超纯水仔细冲洗并红外灯下晾干；(3)电极反复交替浸泡氧化石墨烯溶液(lmg/mL，30min)和笼状六面体倍半硅氧烷水溶液(lmg/mL，30min) 20次，即可得到20层厚的氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极。其中，在每次换浸泡溶液之前需用超纯水冲洗，以除去未吸附的氧化石墨烯或笼状六面体倍半硅氧烷。5、基于氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极的富集检测1-羟基芘将氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极置于1-羟基芘溶液中吸附40min后，在50mM pH = 2. O的含0. 2M NaOH的磷酸盐缓冲液中，用CHI660c电化学工作站以三电极系统(氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰玻碳电极为工作电极，钼丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极)，在-0.3 0. 8V范围内进行差分脉冲伏安法(DPV)测定。与裸玻碳电极相比，氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极对1-羟基芘有着不同寻常的电催化能力，且对1-羟基芘具有很强的吸附能力。在 0. 1 12. 55 μ M范围内1-羟基芘的峰电流值与其浓度之间具有良好的线性关系，检测限为 0. 04 μ Mo用氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜电化学传感器对1-羟基芘反复测定13次，峰电流值几乎没发生变化，说明电极的重现性良好。实施例2 将氧化石墨烯和笼状六面体倍半硅氧烷分别配制成0. 5mg/mL的水溶液，用超声仪超声助溶；预处理好的玻碳电极于0. 5wt% PDDA的1. Omol/L NaCl溶液中浸泡15min， 取出后用大量超纯水仔细冲洗并红外灯下晾干；然后，电极反复交替浸泡氧化石墨烯溶液 (30min)和笼状六面体倍半硅氧烷水溶液(30min)25次。实施例3 将氧化石墨烯和笼状六面体倍半硅氧烷分别配制成2. Omg/mL的水溶液，用超声仪超声助溶；预处理好的玻碳电极于1. 5wt% PDDA的0. 5mol/L NaCl溶液中浸泡30min，取出后用大量超纯水仔细冲洗并于红外灯下晾干；然后，电极反复交替浸泡氧化石墨烯溶液 (45min)和笼状六面体倍半硅氧烷水溶液(45min) 15次。
权利要求
1.一种富集检测1-羟基芘于一体的电化学传感器电极，其特征在于基于石墨烯复合材料修饰电极，包括支撑体电极、聚阳离子电解质和石墨烯复合物修饰膜，其中石墨烯复合物膜为氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合物，复合物的层数为1-100层。
2.如权利要求1中所述的一种富集检测1-羟基芘于一体的电化学传感器电极，其特征在于(1)氧化石墨烯提供大η体系；(2)笼状六面体倍半硅氧烷作为建立三维骨架结构的支撑体，避免氧化石墨烯团聚，并且保持氧化石墨烯大比表面积；(3)1-羟基芘通过π-π堆积与氧化石墨烯发生相互作用，从而起到富集效果，吸附时间为 5-60min。(4)利用1-羟基芘的电活性，对通过π-π堆积作用富集在氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极上的1-羟基芘进行电化学原位检测。
3.一种氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极的制备方法，制备步骤如下(1)将氧化石墨加到水或碱性溶液中超声分散，形成以单片层均勻分散的氧化石墨烯溶液，备用；(2)选择合适的聚阳离子电解质配制成水溶液，将支撑体电极进行预处理，然后浸入到聚阳离子电解质中，使支撑体电极表面带上正电荷；(3)将经上述步骤处理后带上正电荷的支撑体电极反复交替浸泡氧化石墨烯溶液和笼状六面体倍半硅氧烷溶液(1-100次)，即可得到氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极。
4.如权利要求3中所述的制备方法，其特征在于所述的聚阳离子电解质为聚烯丙基胺盐、聚二丙烯基二甲基氯化铵、聚联丙烯基二甲基铵氯化物、聚乙烯醇、胶原、壳聚糖、多聚赖氨酸或聚乙烯基亚胺盐酸盐中的一种或其中任意两种的混合物。
5.如权利要求3中所述的制备方法，其特征在于所述的聚阳离子电解质配制成水溶液，浓度为0. l-2wt%，支撑体电极在其水溶液中浸泡时间为l-30min。
6.如权利要求3中所述的制备方法，其特征在于所述的支撑体电极为玻碳电极、石墨电极、铅笔芯电极或碳糊电极。
7.如权利要求3中所述的制备方法，其特征在于所述的氧化石墨烯溶液浓度为 0. 01-5mg/mL，笼状六面体倍半硅氧烷溶液浓度为0. 01-5mg/mL。
8.如权利要求3中所述的制备方法，其特征在于所述的支撑体电极交替浸泡氧化石墨烯溶液和笼状六面体倍半硅氧烷溶液的优选重复次数为5-40次，得到氧化石墨烯-笼状六面体倍半硅氧烷复合膜修饰电极。
9.如权利要求3中所述的制备方法，其特征在于所述的支撑体电极交替在氧化石墨烯溶液和笼状六面体倍半硅氧烷溶液中的浸泡时间分别为2-60min。
全文摘要
本发明涉及一种富集检测1-羟基芘于一体的电化学传感器电极及制备方法。采用笼状六面体倍半硅氧烷作为氧化石墨烯三维空间结构的支撑骨架，在电极上通过静电层层自组装技术实现可控合成石墨烯/六面体倍半硅氧烷三维立体复合材料，以避免石墨烯团聚同时提高复合材料的比表面积，通过π-π共轭集聚作用实现对1-羟基芘的选择性富集，采用电化学传感技术进行1-羟基芘的原位测定。该电极融1-羟基芘的富集、检测于一体，具有使用方便、稳定性好、灵敏度高、成本低等优点。
文档编号G01N27/333GK102305821SQ20111014169
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者崔燕, 庞月红, 李朝霞, 沈晓芳 申请人:江南大学