一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法，涉及高分子材料科学和化学传感器相结合的【技术领域】。石墨烯与乙烯基芳香化合物通过非共价作用得到乙烯基功能化的石墨烯，再通过自由基共聚制备石墨烯分子印迹聚合物(GR/MIPs)。GR/MIPs修饰的电极，与参比电极、对电极一起连接在电化学工作站上，形成基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器。本发明的优点：石墨烯与乙烯基芳香化合物只需按比例混合，即可通过非共价作用得到乙烯基功能化的石墨烯，操作简单、条件温和且不破坏石墨烯的结构，同时改善了石墨烯的分散性。基于该石墨烯分子印迹材料的电化学传感器对模板分子具有快速响应、选择性好、灵敏度高、稳定性好等优点。
【专利说明】一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及高分子材料科学和化学传感器相结合的【技术领域】，具体涉及一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法。
【背景技术】
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[0002]分子印迹技术是将模板分子(或离子)“烙印”到某种基质上，使得基质对模板分子具有特异的选择性及结合能力，从而可用于模板分子的分离、富集及检测等。然而，通过传统方法制备的分子印迹聚合物通常存在一些问题，例如:形状不规则；印迹位点包埋过深，受位阻影响，内部印迹空穴可接近性差，导致分子印迹聚合物与模板分子的结合困难，结合速率慢，同时致使内部模板分子不易洗脱。为了解决这些问题，表面分子印迹技术得到了发展。表面分子印迹通过将分子识别位点设计在印迹材料表面或接近表面的地方，从而提升了识别位点与目标分子之间的传质作用，有利于模板分子的洗脱和再结合。
[0003]石墨烯具有极高的比表面积、高热导率、快速的电子传递速率、良好的生物相容性及优良的机械性能等，是制备分子印迹材料很好的载体。以石墨烯为载体的分子印迹聚合物，功能单体的聚合过程发生在石墨烯片材的表面，制得的MIPs有极大的表面积，同时，识别位点分布于MIPs片层材料表面。因此以石墨烯为基质的表面印迹技术有以下优点:(I)通过石墨烯能够得到大小和形态可控的分子印迹聚合物；(2)石墨烯良好的机械性能和热学性能，因此以石墨烯为基质还能够提高MIPs的机械性能和耐用性；(3)石墨烯具有很大的比表面积和极小的厚度，与常用的载体材料相比，印迹只发生在石墨烯的表面，有利于减少“包埋”现象，对模板分子的洗脱和识别也是有利的，这样就提高了模板分子的利用率。
[0004]在载体表面制备分子印迹聚合物时，向载体表面引入双键的目的在于使载体表面的双键与其它单体共聚，使聚合发生在载体的表面，得到表面分子印迹聚合物。目前，向载体表面引入双键大多数是以化学键的方法，例如Wenhao Chi等以碳纳米管(MWCNTs)为载体，先用强酸处理得到羧基化的MWCNTs，再与SOCl2反应使其表面生成酰氯键，最后与HEMA反应得到乙烯基功能化的碳纳米管(Journal of Hazardous Materials227-228(2012)243-249)，Yanbo Zeng等以氧化石墨烯(GO)为载体，先与四乙氧基硅烷反应使GO表面生成S12层，再与γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷反应生成乙烯基功能化的 GO (B1sensors and B1electronics 45 (2013) 25-33),这种以化学键向载体表面引入双键的方法过程繁琐、费时，并且可能会破坏载体的结构。
[0005]以石墨稀为载体，向石墨稀表面引入双键，石墨稀表面的双键可与其它单体共聚，从而在石墨烯表面生成分子印迹聚合物。若以化学键方法制备乙烯基功能化的石墨烯，由于石墨烯表面基本无官能团，而氧化石墨烯表面含有大量含氧官能团，所以需先以化学键方法向氧化石墨烯表面引入双键，再将乙烯基功能化的氧化石墨烯还原成乙烯基功能化的石墨烯，这种方法过程繁琐、费时，且可能破坏石墨烯的共轭η结构。本发明是通过石墨烯与乙烯基芳香化合物之间的非共价作用共轭)复合，直接在石墨烯表面引入乙烯基团，相比于其它乙烯基功能化石墨烯的制备，这种方法只需将石墨烯和乙烯基芳香化合物按比例混合后超声处理即可，操作简单、条件温和、不费时，且不破坏石墨烯的结构，同时改善了石墨烯的分散性。以乙烯基功能化的石墨烯作为载体，然后加入共聚单体、交联齐U、引发剂、模板分子，在乙烯基功能化的石墨烯表面进行自由基共聚，制备出GR/MIPS，将GR/MIPs滴在电极表面，模板分子洗脱后得到GR/MIPs修饰的电极，该修饰电极与与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上，形成基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器，该传感器对印迹分子具有快速响应、选择性好、灵敏度高、稳定性好等优点。
【发明内容】
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[0006]本发明的目的在于提供一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器的制备方法。用乙烯基芳香化合物通过非共价作用(π-π共轭)修饰石墨烯，形成乙烯基功能化的石墨烯，以其作为载体，加入共聚单体、交联剂、引发剂、模板分子，在乙烯基功能化的石墨烯表面进行自由基共聚，制备出GR/MIPs，将GR/MIPs修饰的电极与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上，以形成基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器，实现对模板分子的快速分析检测，所述方法包括如下步骤:
[0007](I)将氧化石墨烯分散在DMF中，加入水合肼，加热还原成石墨烯分散液；
[0008](2)向第一步所得的石墨烯分散液中加入乙烯基芳香化合物，超声分散形成乙烯基功能化的石墨稀;
[0009](3)向乙烯基功能化的石墨烯溶液中加入共聚单体、交联剂、引发剂和模板分子，通N2后加热搅拌反应，多次离心洗涤后加水得到GR/MIPs分散液；
[0010](4)将第三步所得的GR/MIPs分散液滴在玻碳电极表面；电极晾干后，在洗脱液中浸泡一段时间以洗脱模板分子，取出电极用去离子水反复冲洗，得到不含模板分子的印迹聚合物膜修饰的电极；
[0011](5)将GR/MIPs修饰电极与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上，以形成基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器。
[0012]本发明的优点:1.采用石墨烯为载体，石墨烯导电性好，比表面积极大，适于表面分子印迹技术，且石墨烯合成简单，成本低。2.石墨烯与乙烯基芳香化合物之间通过非共价作用共轭)复合，从而直接在石墨烯表面引入了乙烯基团，相比于其它化学键法制备乙烯基功能化石墨烯，这种方法只需将石墨烯和乙烯基芳香化合物按比例混合后超声处理即可，操作简单、条件温和、不费时，且不破坏石墨烯的结构，同时改善了石墨烯的分散性。3.基于该石墨烯表面分子印迹聚合物的电化学传感器对印迹分子具有快速响应、选择性好、灵敏度高、稳定性好等优点。
【专利附图】
【附图说明】
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[0013]图1为石墨烯表面分子印迹聚合物的合成示意图。图2是以对硝基酚为模板分子所制备得到的石墨烯表面印迹聚合物(a)、不加石墨烯的印迹聚合物(b)和石墨烯表面非印迹聚合物(c)修饰电极洗脱后在0.2mM对硝基酚溶液中孵化2min的DPV曲线，d为石墨烯表面印迹聚合物修饰电极洗脱后的DPV曲线。【具体实施方式】:
[0014]以下所列实施例和应用例是为更具体的说明本发明，但本发明并不仅局限于该处所列实施例和应用例。
[0015]实施例1:
[0016]将80mg GO溶于80mLDMF中，超声Ih,形成稳定的浅棕色氧化石墨烯溶液,加入20μ L水合肼，70°C下反应2h，得到黑色均匀悬浮液。抽滤洗涤3次，加入一定量的DMF，得到GR/DMF溶液。向10mL 0.5mg/mL的GR/DMF溶液中加入40mg N-乙烯基咔唑，超声2h，得到石墨烯/N-乙烯基咔唑复合物。向石墨烯/N-乙烯基咔唑溶液中加入共聚单体苯乙烯，通1min N2，加入模板分子对硝基酚(20mg)，交联剂EGDMA(2mmol)、引发剂AIBN(1mg)，通15minN2,加热至70°C反应24h,产物反复离心洗漆多次后,得到石墨烯表面分子印迹聚合物。在干净的玻碳电极上滴加5μ L聚合物水溶液，自然晾干。用无水乙醇洗脱印迹分子，洗脱4小时，得到不含模板分子的印迹聚合物膜修饰的电极。将洗脱后的修饰电极在不同浓度的N-乙烯基咔唑溶液中孵化5min，然后将修饰电极与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上，以形成基于分子印迹电化学传感器，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为钼丝电极。采用方波伏安法(SWV)，测定孵化后的修饰电极在pH = 5的PBS缓冲溶液中的电流值。脉冲幅度为50mV，脉冲周期为0.2s，脉冲宽度为50ms，电压增量为4mV。所制备的GR/MIPs修饰电极对模板分子对硝基酚的线性检测范围分为两段，分别是为0.01?10yM和200?1000 μ Μ，邻硝基苯酚、2，4-二氯苯酚、对氨基苯酚和间氨基苯酚等干扰物的存在几乎没有影响到GR/MIPs传感器对模板分子4-NP的电流响应。
[0017]实施例2:
[0018]将50mg GO溶于10mLDMF中，超声Ih,形成稳定的浅棕色氧化石墨烯溶液,力口入20 μ L水合肼，90°C下反应4h，得到黑色均匀悬浮液。抽滤洗涤3次，加入一定量的甲醇，得到石墨烯溶液。向30mL lmg/mL的石墨烯溶液中加入1mg 9-乙烯基蒽,超声Ih,得到石墨烯/9-乙烯基蒽复合物。向石墨烯/9-乙烯基蒽溶液中加入共聚单体甲基丙烯酸,通1minN2,加入模板分子咖啡因(1mg)，交联剂EGDMA(4mmol)、引发剂AIBN(16mg)，通15minN2,加热至65°C反应12h,产物反复离心洗漆多次后,得到石墨烯表面分子印迹聚合物。在干净的玻碳电极上滴加1yL聚合物水溶液，自然晾干。用甲醇-乙酸(v/v =8: I)洗脱印迹分子，洗脱I小时，得到不含模板分子的印迹聚合物膜修饰的电极。将洗脱后的修饰电极在不同浓度的9-乙烯基蒽溶液中孵化5min，然后将修饰电极与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上，以形成基于分子印迹电化学传感器，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为钼丝电极。采用差分脉冲伏安法(DPV)，测定孵化后的修饰电极在PH= 7的PBS缓冲溶液中的电流值。脉冲幅度为50mV，脉冲周期为0.2s，脉冲宽度为50ms，电压增量为4mV。
【权利要求】
1.一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法，其特征在于制备步骤如下: 第一步，将氧化石墨烯分散在DMF中，加入水合肼，加热还原成石墨烯分散液； 第二步，向第一步所得的石墨烯分散液中加入乙烯基芳香化合物，超声分散形成乙烯基功能化的石墨稀; 第三步，向乙烯基功能化的石墨烯溶液中加入共聚单体、交联剂、引发剂和模板分子，通N2后加热搅拌反应，多次离心洗涤后加水得到GR/MIPs分散液； 第四步，将第三步所得的GR/MIPs分散液滴在玻碳电极表面；电极晾干后，在洗脱液中浸泡一段时间以洗脱模板分子，取出电极用去离子水反复冲洗，得到不含模板分子的印迹聚合物膜修饰的电极； 第五步，将GR/MIPs修饰电极与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上，以形成基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法，其特征在于:第一步中，水合肼还原温度为60?100°C，时间为6?12小时。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法，其特征在于:第二步中，可以选择以下一种或两种乙烯基芳香化合物与石墨烯通过非共价键复合:9_乙烯基蒽、N-乙烯基咔唑、苯乙烯及其衍生物、二乙烯苯、4-乙烯基吡啶、2-乙烯基吡啶、2-乙烯基萘等；石墨烯与乙烯基芳香化合物的质量比为2: 0.01?1: 200。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法，其特征在于:第三步中，可以选择以下一种或两种物质作为共聚单体:丙烯酸及其衍生物、苯乙烯及其衍生物、4-乙烯基卩比唆、2-乙烯基卩比唳等乙烯类单体；交联剂可选择乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯或N，N-亚甲基双丙烯酰胺；所述的模板分子选用食品安全检测、生物制药或环境检测领域的常见分子，食品安全检测选用:抗生素、激素、苏丹红、三聚氰胺、甲醛或咖啡因；生物制药选用:葡萄糖、肾上腺素、多巴胺、抗坏血酸、嘌呤碱基、扑热息痛、嘧啶碱基、DNA、蛋白质或氨基酸；环境监测选用:甲醛、百草枯、硝基酚、2-氯苯酚、4-氯苯酚或呕吐毒素。石墨烯与模板分子的质量比为1: 50?50: 1，石墨烯与共聚单体的质量比为1: 10?10:1。加热温度为60?90°C，搅拌聚合的时间为12?48小时。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯分子印迹材料的电化学传感器及其制备方法，其特征在于:第四步中，滴在玻碳电极表面的GR/MIPs浓度为0.1?10mg/mL，体积为5?20 μ L。洗脱液为极性溶剂，极性溶剂选择以下一种或两种混合溶剂:水、乙酸、乙醇、甲醇、乙腈、N’ N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙酸乙酯，混合溶剂中两种溶剂的体积比为10:1?1: 10，洗脱时间为I?10小时。
【文档编号】G01N27/403GK104374815SQ201410468402
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】罗静, 丛姣姣, 刘杰, 高雅涵, 刘晓亚 申请人:江南大学