本发明涉及一种二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的制备方法，主要作为催化剂用于催化双氧水氧化鲁米诺产生化学发光反应，属于复合材料领域和生物检测技术领域。
背景技术：
鲁米诺（luminol），又名发光氨，英文名5-Amino-2，3-dihydro-1，4-phthalazinedione。 它常温下是一种黄色晶体或者米黄色粉末，是一种比较稳定的化学试剂。同时，鲁米诺又是一种强酸，对眼睛、皮肤、呼吸道有一定刺激作用。 法医学上，鲁米诺反应又叫氨基苯二酰一胼反应，可以鉴别经过擦洗，时间很久以前的血痕。生物学上则使用鲁米诺来检测细胞中的铜、铁及氰化物的存在。鲁米诺早在1853年就被合成出来了。1928年，化学家首次发现这种化合物有一个奇妙的特性，它被氧化时能发出蓝光。几年以后，就有人想到利用这种特性去检测血迹。血液中含有血红蛋白，我们从空气中吸入的氧气就是靠这种蛋白质输送到全身各部分的。血红蛋白含有铁，而铁能催化过氧化氢的分解，让过氧化氢变成水和单氧，单氧再氧化鲁米诺让它发光。在检验血痕时，鲁米诺与血红素（hemoglobin，血红蛋白中负责运输氧的一种蛋白质）发生反应，显出蓝绿色的荧光。这种检测方法极为灵敏，能检测只有百万分之一含量的血，即使滴一小滴血到一大缸水中也能被检测出来。
鲁米诺只有用氧化剂处理过才会发光。通常使用双氧水和一种氢氧化物碱的混合水溶液作为激发剂。在铁化合物催化下，双氧水分解为氧气和水：2 H2O2→ O2 + 2 H2O。实验室中常以铁氰化钾作为催化剂铁的来源，而法医学上的催化剂则恰好是血红蛋白中的铁。很多生物系统中的酶也可催化过氧化氢的分解反应。由于纳米材料具有类催化酶的性能，可以用来催化双氧水（H2O2）氧化鲁米诺（Luminol）产生化学发光。文献1（Nano Lett. 2017， 17，2043~2048）中使用Cu2+-GO 纳米粒子来催化双氧水氧化鲁米诺产生化学发光，但是使用到的Cu2+-GO 纳米粒子的浓度为10 μg mL−1，其双氧水的线性范围为0~1.5×10-3 M；文献2（ACS Nano 2017，11，3247~3253）中使用Cu2+-g-C3N4纳米粒子作为催化剂来催化双氧水氧化鲁米诺产生化学发光，用到的材料浓度为5.0μg mL−1，结果显示双氧水0~2×10-3 M范围内具有良好的线性关系。然而，文献1、2报道的纳米粒子Cu2+-GO、Cu2+-g-C3N4催化双氧水氧化鲁米诺产生化学发光，只能在双氧水0~2×10-3 M的范围内有效。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的制备方法；
本发明的另一目的是提供上述制备的二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料作为催化剂用于催化双氧水（H2O2）氧化鲁米诺（Luminol）产生化学发光反应。
（一）二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的制备
本发明制备二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的方法，是将二水合氯化铜加入到氧化石墨烯的水分散液中超声5~30 min，抽滤，得到氯化铜与氧化石墨烯的混合物；再将混合物置于40~60℃ 的烘箱中干燥后置于酒精灯上点燃，反复燃烧至砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现得粗产品；或将混合物置于40~60℃ 的烘箱中干燥后置于马弗炉中，于420~450 ℃下煅烧1min~5 min，得粗产品；粗产品用水和无水乙醇洗涤除去杂质，干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。
所述氧化石墨烯分散液的浓度为1~10 g/L；二水合氯化铜与氧化石墨烯的质量比为100:1~800:1。
（二）多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的结构
1、透射电镜（TEM）及元素mapping图
对于二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料，需要利用透射电镜观察形貌。图1A为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的透射电镜（TEM）。可以看出，石墨烯的表面存在大量的氧化亚铜颗粒，同时石墨烯表面有大量的二维的纳米孔（用白色小点代表）。图1B为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的暗场STEM图，图1C-F为复合材料中相应元素的元素mapping图。其中C：C-K；D：O-K；E：Cu-K；F：Cu-L。结合图1B以及图1C-F可以得出，该复合材料主要包括C、O、Cu三种元素。
2、能谱（EDX）图
图2为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的EDX图。从能谱图中可以看出，该材料由C、O、Cu三种元素组成，这一结果与图1C-F里的元素mapping图也是完全吻合的。
3、X射线光电子能谱（XPS）全谱及精细谱
图3A为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的XPS全谱，同样说明二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料主要由C、O和Cu组成。图3B为C1S的精细谱，从图中可以确认该复合材料中存在C−C (sp3，284.6 eV), C−O (sp2，286.0 eV) 和C=O (sp2，287.8 eV) 键，图3C为O1S的精细谱，其精细谱在530.7 eV和531.7 eV处的两个谱峰分别对应于复合材料中Cu2O晶格氧和复合材料表面的羟基氧，532.8 eV处的谱峰对应于复合材料中的C-OH/C-O-C 键或氧化铜的晶格氧；图3D为Cu2p的精细谱，其中952.6 eV和 932.7 eV处的谱峰对应于复合材料中氧化亚铜的Cu 2p3/2和Cu 2p1/2谱峰，934.6 和 953.7 eV处的谱峰证明有少量氧化铜的存在。
4、XRD图
图4为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的XRD图，从图中可以看出还原性氧化石墨烯在21.2o的（002）晶面在二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料（NPG/Cu2O）中存在。另外，复合材料在29.4，36.4，42.2，61.3，73.6 和 77.3°处还存在一系列典型的衍射峰，分别对应于复合材料中立方体纳米氧化亚铜的（110），（111），（200），（220），（311）和 （222）晶面，且峰型尖锐，衍射强度较强，说明其结晶性较好。
5、拉曼光谱图
图5为复合材料的拉曼光谱图。从拉曼光谱图中可以看出该复合材料中同样存在石墨烯的D-带，G-带和2D/G′-带，另外在124 cm−1，147 cm−1，218 cm−1和 628 cm−1处的谱带证明了Cu2O的存在。
（三）二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的性能
图6为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料与单纯的氧化亚铜、二维多孔石墨烯以及还原性氧化石墨烯/氧化亚铜复合材料的催化性能比较。其中(i) luminol (0.5mM)+H2O2(7 mM)； (ii) luminol (0.5 mM)+ H2O2 (7mM)+ Cu2O (5.0 μg mL−1)； (iii) luminol (0.5 mM)+ H2O2 (7mM)+NPG(5.0μg mL−1)；(iv) luminol(0.5mM)+H2O2(7mM)+ rGO/Cu2O nanocomposite (5.0μg mL−1)； (v) luminol (0.5mM)+H2O2 (7mM)+ NPG/Cu2O nanocomposite (5.0μg mL−1)。从图6可以看出，本发明制备的二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料具有最优的催化性能。
本发明制备的复合材料的催化原理图如图7所示。其催化原理为：二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料充当过氧化物模拟酶，具有催化作用。在碱性条件下，二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料能够催化双氧水氧化鲁米诺反应生成激发态的邻苯二甲酸根阴离子，当向基态跃迁时，在425 nm处产生光辐射。
图8为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料催化双氧水氧化鲁米诺的化学发光光谱图（A）以及H2O2的标准曲线图（B）。图A中，NPG/Cu2O复合材料的浓度为5.0 μg mL−1，luminol的浓度为0.5 mM，曲线a到k对应的H2O2的浓度分别为0，0.05，0.1，0.2，0.5，0.8，1，2，3，5 和 7 Mm。从图8A中可以看出随着双氧水浓度的增加，复合材料的催化性能逐渐增强。从图8B中可以看出，体系在425 nm处的化学发光强度与双氧水的浓度之间呈现良好的线性关系，线性范围为0~7×10-3 M。
另外，我们在二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料-鲁米诺-双氧水催化体系中，同时引入还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），发现体系的化学发光强度会逐渐减弱。图9为NADH的检测原理图。可能原因有两方面：（1）luminol的化学发光光谱与NADH的吸收光谱存在部分重叠，导致luminol和NADH之间存在化学发光共振能量转移；（2）NADH加入后，由于复合材料除了催化双氧水氧化luminol产生化学发光，还可以催化双氧水氧化NADH产生NAD+，后面的过程也会消耗一部分双氧水，所以在425 nm处检测到的化学发光强度就会随着NADH浓度的增加而减弱。
图10为加入不同浓度NADH后二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料-双氧水-鲁米诺体系化学发光光谱图（A）及NADH的标准曲线图（B）。图A中，NPG/Cu2O复合材料的浓度为5.0 μg mL−1，luminol的浓度为0.5 mM，H2O2的浓度为7 mM，曲线a到l对应的NADH的浓度分别为0，0.01，0.02，0.05，0.2，2，5，20，50，80，200 和 800 μM。从图10A中可以看出随着NADH的浓度增加，体系的化学发光强度逐渐减弱。从图10B中可以看出，体系在425 nm处的化学发光强度与NADH浓度的对数值之间呈现良好的线性关系，线性范围为1.0×10-8 M~8.0×10-4 M，该检测范围与文献报道的结果相比，具有明显的优势。
综上所述，本发明制备的二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料，其表面分布着大量二维纳米级孔洞和氧化亚铜纳米立方体，具有更大的比表面积和更高的活性，在催化、生化分析检测等领域具有十分广泛的应用前景。
附图说明
图1为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的电镜表征图，其中A为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的TEM图；B为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的暗场STEM图；C-F为复合材料中相应元素的元素mapping图。
图2为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的EDX图。
图3为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的XPS全谱及C1S、O1S、Cu2p的精细谱。图4为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的XRD图。
图5为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的拉曼光谱图。
图6为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料与单纯的氧化亚铜、二维多孔石墨烯以及还原性氧化石墨烯/氧化亚铜复合材料的催化性能比较。
图7为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料催化双氧水氧化鲁米诺产生化学发光的催化原理图。
图8为二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料催化双氧水氧化鲁米诺的化学发光光谱图（A）以及H2O2的标准曲线图（B）。
图9为NADH的检测原理图。
图10为加入不同浓度NADH后二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料-双氧水-鲁米诺体系化学发光光谱图（A）以及NADH的标准曲线图（B）。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的制备方法、催化和检测性能做进一步说明。
实施例1
将氧化石墨烯超声分散于水中配制成2.5 g/L的氧化石墨烯分散液。取2.5 g/L的氧化石墨烯分散液8.0 mL，常温超声15 min。称取2.0 g二水合氯化铜，溶解于上述分散液中，室温超声10 min。抽滤，然后将混合物放在60 ℃的烘箱中烘干后，置于430 ℃的马弗炉中，燃烧2 min，即可看到砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现，即为粗产品；粗产品用超纯水洗涤5次，乙醇洗涤3次，除掉杂质并干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。该二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的化学发光催化性能与图9所示结果完全吻合。
实施例2
将氧化石墨烯超声分散于水中配制成1.0 g/L的氧化石墨烯分散液。取1.0 g/L的氧化石墨烯分散液10.0 mL，常温超声10 min。称取2.5 g二水合氯化铜，溶解于上述分散液中，室温超声15 min。抽滤，然后将混合物放在50 ℃的烘箱中烘干后，置于450 ℃的马弗炉中，燃烧1 min，即可看到砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现，即为粗产品；粗产品用超纯水洗涤5次，乙醇洗涤3次，除掉杂质并干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。该二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的化学发光催化性能与实施例1所示结果基本吻合。
实施例3
将氧化石墨烯超声分散于水中配制成1.0 g/L的氧化石墨烯分散液。取1.0 g/L的氧化石墨烯分散液50.0 mL，常温超声20 min。称取16.0 g二水合氯化铜，溶解于上述分散液中，室温超声30 min。抽滤，然后将混合物放在60 ℃的烘箱中烘干后置于420 ℃的马弗炉中，燃烧5 min，即可看到砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现，即为粗产品；粗产品用超纯水洗涤10次，乙醇洗涤3次，除掉杂质并干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。该二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的化学发光催化性能与实施例1的结果相比，催化性能略微降低。
实施例4
将氧化石墨烯超声分散于水中配制成5.0 g/L的氧化石墨烯分散液。取氧化石墨烯分散液2.0 mL，常温超声5 min；称取1.6 g二水合氯化铜，溶解于上述分散液中，室温超声20 min；抽滤，然后将混合物置于40 ℃的烘箱中烘干后用酒精灯点燃，反复燃烧至砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现即为粗产品；粗产品用超纯水洗涤5次，乙醇洗涤3次，除掉杂质并干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。该二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的化学发光催化性能与实施例1的结果相比，催化性能显著降低。
实施例5
将氧化石墨烯超声分散于水中配制成10.0 g/L的氧化石墨烯分散液。取10.0 g/L的氧化石墨烯分散液1.0 mL，常温超声5 min。称取4.0 g二水合氯化铜溶解于7 mL超纯水中，再与上述氧化石墨烯的分散液混匀，室温超声30 min。抽滤，然后将混合物置于50 ℃的烘箱中烘干后用酒精灯点燃，反复燃烧至砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现即为粗产品；粗产品用超纯水洗涤5次，乙醇洗涤3次，除掉杂质并干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。该二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的化学发光催化性能与实施例3的结果相比，催化性能略微降低。
实施例6
将氧化石墨烯超声分散于水中配制成5.0 g/L的氧化石墨烯分散液。取5.0 g/L的氧化石墨烯分散液2.0 mL，常温超声5 min。称取2.0 g二水合氯化铜溶解于6 mL超纯水中，再与上述氧化石墨烯的分散液混匀，室温超声5 min。抽滤，然后将混合物置于60 ℃的烘箱中烘干后用酒精灯点燃，反复燃烧至砖红色氧化亚铜覆盖的多孔石墨烯出现即为粗产品；粗产品用超纯水洗涤5次，乙醇洗涤3次，除掉杂质并干燥，即得二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料。该二维多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料的化学发光催化性能与实施例1所示结果基本吻合。
通过上述实施例可知，在制备复合材料的过程中，二水合氯化铜与氧化石墨烯的质量比应控制在100:1~800:1范围内，并且二水合氯化铜的最佳浓度为250 g/L，高于此浓度后其催化性能将会减弱；马弗炉中的煅烧温度应控制在420 ℃~450℃之间，为了达到较好的分析效果，在该范围内随着温度的升高，燃烧时间应逐渐减少。