电子束辐照法制备氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的方法与流程

本发明涉及一种电子束辐照法制备氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的方法，属于辐射化学和石墨烯纳米材料领域。

背景技术：

测定血液中葡萄糖含量的葡萄糖传感器分为有酶和无酶两种，有酶葡萄糖传感器由于葡萄糖氧化酶本身易受外界因素影响难以长期存储，而无酶葡萄糖传感器则表现出良好的电催化活性。总体来看，具有线性范围广，检测限低，灵敏度高，选择性好的优点，还具备良好的可重现性以及长期稳定性。所以无酶葡萄糖传感器的探索研究受到普遍的关注。

金、铜、镍等金属裸电极均可做成无酶葡萄糖传感器电极，但这类电极对葡萄糖氧化的表现出较低的灵敏度和选择性较低。纳米材料修饰电极具有较大的比表面积和更高的催化活性，已被广泛地应用于无酶葡萄糖传感器的研制。有研究表明，贵金属纳米粒子和过渡金属纳米材料均具有良好的催化葡萄糖氧化的活性，是构建无酶葡萄糖传感器的重要材料。石墨烯纳米材料具有优良的导电性能促进电极表面的电子传递，使纳米粒子催化活性显著增强，其大的比表面积可以负载更多具有催化活性的纳米粒子，使传感器的检测信号大大增强。然而，由于石墨烯片层之间的范德华力较强，使得石墨烯的分散性较差。

目前，研究人员开发出了一种氧化石墨烯/聚苯胺复合材料。该氧化石墨烯/聚苯胺复合材料能应用于构建有酶葡萄糖传感器。但是由于氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备采用电化学合成法和化学合成法，制备过程耗时长、成本相对高、工艺繁琐，且制备过程中需用强氧化试剂，如过硫酸钾等，会对环境造成污染。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足提供一种电子束辐照法制备氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的方法，该方法利用电子束辐照水产生的氧化和还原自由基，同时在氧化石墨烯上负载银粒子和合成聚苯胺，其制备工艺简单，条件温和，不用有毒化学试剂，对环境友好，且制得的葡萄糖传感器具有良好的葡萄糖响应性。

本发明的电子束辐照法制备氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的方法，其特征在于具有以下制备过程和步骤：

a. 制备原料氧化石墨烯

首先按现有技术制备原料氧化石墨烯，其制备方法如下：

将一定量的过硫酸钾(K₂S₂O₈)和五氧化二磷(P₂O₅)溶解于浓硫酸中，加热到80℃后加入一定量的天然石墨，在80℃下保温4.5小时后冷却至室温；然后用去离子水稀释，放置过夜；然后进行过滤、洗涤，所得滤渣放于真空干燥箱中于60℃下干燥；将干燥后的滤渣溶解于浓硫酸中，在冰浴条件下缓慢加入高锰酸钾(KMnO₄)，在35℃下恒温搅拌2小时；然后用去离子水稀释，并缓慢加入30％的双氧水(H₂O₂)；然后过滤、洗涤，将洗涤后的产物在60℃下真空干燥，得到氧化石墨烯固体；

b. 电子束辐照法制备氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器

(1)、称取一定量的上述步骤(a)所得的氧化石墨烯分散于去离子水中，置于超声振荡器中超声分散5～15分钟，使其充分混合均匀，得到浓度为0.5 g/L～2 g/L氧化石墨烯悬浮液；

(2)、称取一定量的可溶性银盐，溶于上述步骤(1)所得悬浮液中，再置于超声振荡器中超声分散5～8分钟，使其充分混合均匀，得到第一混合溶液，所述的银盐与氧化石墨烯质量浓度比为1:1～1:5；

(3)、将150 uL～300 uL的苯胺加入至上述步骤(2)所得的第一混合溶液中，置于磁力搅拌器中搅拌20～30分钟，使其混合均匀，得到第二混合溶液；

(4)、将4 mL～15 mL的高氯酸溶液加入至上述步骤(3)所得的第二混合溶液中继续搅拌，使其混合均匀，得到第三混合溶液；

(5)、将上述步骤(4)所得的第三混合溶液放入密封的反应容器中，并将其置于2.5 MeV、40 mA的电子加速器产生的电子束辐照下进行辐照，其辐照剂量为150～300 KGy，得到辐照反应后的生成物；

(6)、用乙醇洗涤上述经辐照反应后的生成物，再用蒸馏水清洗；然后用高速离心机离心分离，反复多次，以除去其中未反应的离子，得到分离后的固体物；

(7)、将上述步骤(6)所得的分离后的固体物置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为50 ^oC ～ 80 ^oC，干燥时间为8～15小时；干燥后得到黑色固体物氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器，即为银-氯化银/聚苯胺/氧化石墨烯无酶葡萄糖传感器。

上述步骤(2)所述的可溶性银盐为硝酸银和高氯酸银中的一种。

本发明的特点是：利用水在高能电子束辐照的条件下，产生多种氧化和还原性的活性自由基，能精确控制体系的反应条件，使多种氧化和还原性的活性的自由基同时发挥作用，其中，还原性自由基的水合电子还原银离子，氧化性自由基、羟基自由基使苯胺聚合生成聚苯胺，一步反应制备银-氯化银/聚苯胺/氧化石墨烯无酶葡萄糖传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

(1).本发明制备工艺简单，生产成本低，制备过程中不涉及有毒有害化学试剂，环境友好；

(2).本发明制备过程中，银-氯化银纳米颗粒和聚苯胺能均匀负载在氧化石墨烯上，其纳米颗粒结晶良好；电化学性能良好，制得的葡萄糖传感器具有良好的葡萄糖响应性，可用于在无酶的条件下检测葡萄糖。

附图说明

图1为本发明实施例中所得氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的X衍射(XRD)图。

图2为本发明实施例中所得氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的扫描电镜(SEM)图。

图3为本发明实施例中所得氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的在无葡萄糖条件下和有葡萄糖条件下的循环伏安比较图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例详细叙述于后。

实施例

首先按现有已知技术制取氧化石墨烯（该技术方法可参考文献J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(18), 5856-5857）。

1、氧化石墨烯的制备

将一定量的过硫酸钾(K₂S₂O₈)和五氧化二磷(P₂O₅)溶解于浓硫酸中，加热到80℃后加入一定量的天然石墨，在80℃下保温4.5小时后冷却至室温；然后用去离子水稀释，放置过夜；然后进行过滤、洗涤，所得滤渣放于真空干燥箱中于60℃下干燥；将干燥后的滤渣溶解于浓硫酸中，在冰浴条件下缓慢加入高锰酸钾(KMnO₄)，在35℃下恒温搅拌2小时；然后用去离子水稀释，并缓慢加入30％的双氧水(H₂O₂)；然后过滤、洗涤，将洗涤后的产物在60℃下真空干燥，得到氧化石墨烯固体；

2、电子束辐照法制备氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器

(1)、称取0.9g的上述步骤(a)所得的氧化石墨烯分散于900 mL去离子水中，置于超声振荡器中超声分散8分钟，使其充分混合均匀，得到浓度为1 g/L氧化石墨烯悬浮液；

(2)、称取0.3 g的硝酸银，将其溶于上述步骤(1)所得悬浮液中，置于超声振荡器中超声分散6分钟，使其充分混合均匀，得到第一混合溶液，所述的银盐与氧化石墨烯质量浓度比为1:3；

(3)、将200 uL的苯胺加入至上述步骤(2)所得的第一混合溶液，置于磁力搅拌器中搅拌25分钟，使其混合均匀，得到第二混合溶液；

(4)、将8 mL的高氯酸溶液加入至上述步骤(3)所得的第二混合溶液中，继续搅拌，使其混合均匀，得到第三混合溶液；

(5)、将上述步骤(4)所得的第三混合溶液放入密封的反应容器中，并将其置于2.5 MeV、40 mA的电子加速器产生的电子束辐照下进行辐照，其辐照剂量为210 KGy，得到辐照反应后的生成物；

(6)、用乙醇洗涤上述经辐照反应后的生成物，再用蒸馏水清洗；然后用高速离心机离心分离，反复多次，以除去其中未反应的离子，得到分离后的固体物；

(7)、将上述步骤(6)分离后的所得固体物置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为70 ^oC，干燥时间为12小时；干燥后所得黑色固体物氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器，即为银-氯化银/聚苯胺/氧化石墨烯无酶葡萄糖传感器。氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的性能测试：

本发明采用循环伏安法测试氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的电化学传感性能。将实施例中所得的氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器溶于无水乙醇中，配置成浓度为5g/L的溶液；用5μm 和2.7μm的砂纸依次打磨玻碳电极，用去离子水清洗，待其自然风干；取上述配置成的溶液滴在玻碳电极上，并在其表面再滴20μL的全氟磺酸溶液，在室温下自然风干；组装三电极测试体系，三电极分别是：工作电极为玻碳电极，参比电极为Ag/AgCl 电极，电极为铂丝电极；将电解液分别配制为：不含有葡萄糖的50mM的氢氧化钠和含有5mM的葡萄糖氢氧化钠溶液；将组装好的三电极测试体系连接在CHI660C电化学测试仪上进行检测，根据其响应电流的变化来实现对氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的检测。

参见附图，图1为本发明实施例所得氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的XRD谱图。XRD分析：在日本RigaKu D/max-2550型X射线衍射仪上进行；采用CuK衍射。从图1中可知，此氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的组成为银纳米颗粒、聚苯胺和氧化石墨烯，其中银纳米颗粒的结晶良好。

参见附图，图2为本发明实施例所得氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器的SEM图。SEM分析：采用日本电子株式会社JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜观察材料形貌。从图2中可知，此氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器中银纳米颗粒和聚苯胺均匀的负载在氧化石墨烯上。

参见附图，图3为本发明实施例所得氧化石墨烯基无酶葡萄糖传感器在无葡萄糖条件下和有葡萄糖条件下的循环伏安比较图。从图3中可知，本发明制得的葡萄糖传感器在葡萄糖存在的情况下，响应电流显著增强，适用于对葡萄糖的分析和检测。