一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种基于功能化rGO的化学修饰的GCE电极及其制备方法和应用，该电极可用于DA、UA两种生物分子的同时测定，属于电化学分析领域。
背景技术：
：多巴胺(DA)、尿酸(UA)在生物体的新陈代谢中是非常重要的生物分子。多巴胺(DA)在中枢神经、肾、心血管系统和内分泌系统都起着非常重要的作用，另外，多巴胺含量的异常会导致许多疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、老年性痴呆、精神分裂症和艾滋病毒感染等。因此，发明高效的检测手段来测定生物体内的多巴胺是至关重要的。尿酸(Uricacid,UA)是人体内嘌呤核苷酸分解代谢过程中的最终产物，体液中尿酸量的变化可反映出人体新陈代谢、免疫等机能的状况。在生物体中DA和UA共存，在多巴胺共存体系中选择测定尿酸的研究具有十分重要的意义。然而由于DA与UA的氧化峰非常接近，几乎重叠在一起，用普通的裸电极想要将DA与UA分辨出来是非常困难的。在DA与UA同时存在的体系中，能够同时检测这两种物质，得到这两种物质的氧化峰，并且可以明显区分，在生物分子电化学检测中具有重要意义。为了克服这些问题，各种各样的修饰电极已经被制备并应用于DA、UA的选择性或同时测定。其中，聚合物修饰电极由于具有较强的选择性、较好的稳定性、较高的重现性、以及在电极表面的厚度可控制等优点而始终在电化学分析领域占有不可替代的一席之地。技术实现要素：本发明的目的是提供一种基于功能化rGO的化学修饰的玻碳电极(即GCE电极)及其制备方法，及该电极用于同时测定DA、UA的应用。本发明的技术方案如下：本发明提供一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极，所述电极的端面具有rGO-COOLa复合物层。优选地，所述rGO-COOLa复合物层外还具有表面活性剂层。优选地，所述表面活性剂为CTAB。本发明还提供一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极的制备方法，包括如下步骤：第一，制备rGO-COOLa复合物，依次包括如下步骤：制备氧化石墨烯悬浊液、制备还原的氧化石墨烯rGO、制备rGO-COOH、制备rGO-COOLa复合物；第二，将制得的rGO-COOLa复合物涂覆或滴涂于GCE电极端面并干燥。优选地，所述制备方法进一步包括：第三，将表面活性剂溶液涂覆于rGO-COOLa修饰的电极表面并干燥。优选地，所述表面活性剂为CTAB。本发明还提供所述修饰GCE电极用于同时测定DA、UA的应用。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：第一，本发明的一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极，由于直接将rGO-COOLa复合材料涂覆或滴涂在电极表面，优选地再将表面活性剂CTAB涂覆在其表面，表面活性剂与rGO-COOLa产生了协同的作用，使得该电极对DA、UA混合物的测定具有更好的选择性和灵敏度；第二，本发明的一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极，其制备过程简单、时间短；第三，本发明制得的基于功能化rGO的化学修饰GCE电极具有重现性强、稳定性高、选择性佳、操作简单以及具有较长的寿命等优点，可应用于DA、UA的定性、定量分析。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。附图说明图1(a)和图1(b)是本发明各实施例及各对照例的电极对DA、UA各自的溶液进行测定的结果图；图2是本发明各实施例及各对照例的电极对DA、UA的混合溶液进行测定的结果图。具体实施方式本发明提供一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极，可用于对DA、UA进行同时测定。新型材料氧化石墨烯(GO)为我们探究修饰电极的合适材料提供了思路。目前，石墨烯分子在电化学传感器方面应用的非常广泛，具有很多的特点和优异的性能。尤其是当它经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。还原氧化石墨烯(rGO)是一种化学修饰的石墨烯材料。同时，各种官能团的存在还赋予rGO优良的化学活性，并使其表面带负电，能够在水中(或碱水中)形成纳米级分散，从而为rGO的复合应用或纳米有序组装奠定良好的基础。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜性质，可如同界面活性剂一般存在于界面，并降低界面间的能量。因此，在适当条件下根据氧化石墨烯的性能可以用它来选择性检测DA、UA。最近，稀土复合物引起了很多关注。由于源于4f电子的光学，电子学和化学特性，稀土在各个领域被广泛的运用，诸如光学，诊断学，生物学分类，和其他功能材料。镧是稀土中一个重要的元素，镧离子对含氧官能团有非常高的化学原力。此外，镧离子有相对较低的毒性和非凡的催化性质，它被用来构建环境友好型生物传感器。基于rGO及稀土金属的优点，可使用稀土元素镧的复合物作为修饰材料，以投掷滴涂的方式来修饰GCE，用于选择性检测DA、UA，以制备稳定性好、重现性强、灵敏度高、选择性佳的高效传感器。表面活性剂具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用。所以，无论在生活生产还是科技研究中，表面活性剂都扮演着重要的角色。表面活性剂由于其亲水性与亲油性，可以在溶液表面定向排列。在电化学分析方面，加入表面活性剂可以影响被测物质的扩散与电化学反应。本发明人采用一些阳离子表面活性剂对电极进行改性，如十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、溴代十六烷基吡咯(CPB)四种阳离子表面活性剂。经过多种测试分析可知，CTAB对rGO的插层效果最佳。同时，结果表明，CTAB对于修饰电极的性能更好。本发明提供的一种基于功能化rGO的化学修饰GCE电极，所述电极的端面具有rGO-COOLa复合物层。优选地，所述rGO-COOLa复合物层外还具有CTAB层。本发明的修饰GCE电极的制备方法，具体可包括如下步骤：(1)制备氧化石墨烯悬浊液。具体实例如下：根据改进Hummers法，将石墨粉作为原材料用来合成氧化石墨烯。在冰浴30min条件下，将1.0g石墨粉加入到23mL浓硫酸中，持续搅拌，再加0.5g硝酸钠和3g高锰酸钾，得到的浑浊混合物冷却至恒温；取去离子水加到上述混合物中，15分钟后，再加入25℃温水将其稀释，然后加入0.1mol/L的双氧水，将黄色溶液变成亮黄色，得到氧化石墨烯悬浊液。(2)制备还原的氧化石墨烯rGO。具体实例如下：取步骤(1)中制备的氧化石墨烯悬浊液500mL，加入500mg的硫脲进行回流，回流过程温度维持在40-60℃，回流时间24小时，在这种还原过程中，分散的氧化石墨烯混合物由棕色变成了黑色溶液。反应结束后，回流的混合物用蒸馏水和乙醇漂洗干净。被洗净的混合物在真空干燥箱60℃烘干，制得rGO。(3)制备rGO-COOH。具体实例如下：将0.5g氢氧化钠和0.5g氯乙酸钠加入到经配制后的1mg/mLrGO的悬浮液中，将悬浮液水浴声处理2小时。用稀释的盐酸溶液中和已经得到的rGO-COONa，然后进行纯化处理，制得rGO-COOH悬浮液，最后将均匀的rGO-COOH悬浮液在80℃下干燥。(4)制备rGO-COOLa复合物。具体实例如下：将步骤(3)中得到的rGO-COOH配置成浓度为1mg/mL的羧基化氧化石墨烯(rGO-COOH)悬浊液，然后量取10mL，并与5mL，0.4mol/mL的LaCl3溶液混合并超声处理3小时。得到的悬浮液被中和透析5天，以消除残余氯离子和镧离子；得到的复合物在60℃下真空干燥，制得rGO-COOLa的复合物。(5)制备rGO-COOLa/GCE电极。具体实例如下：电极引线的另外一端在鹿皮或称量纸上抛光至镜面，然后将10μL的步骤(4)所得的复合物配置成浓度为1mg/mL的溶液，涂覆或滴涂于GCE电极端面，并干燥，制得rGO-COOLa/GCE电极。其中，在将rGO-COOLa复合物涂覆到电极之前，还包括电极的预处理步骤，具体为：在鹿皮上依次使用粒径为1μm，0.3μm，0.05μm的氧化铝粉末打磨电极，后经过体积分数为95％的乙醇溶液，去离子水进行超声清洗，每一步骤的洗涤都采用去离子水清洗，得到处理后的裸玻碳电极。在本发明的优选方案中，还包括：(6)涂覆表面活性剂层：将表面活性剂优选是CTAB的浓度选定为0.2-1g/L，将表面活性剂溶液涂覆于rGO-COOLa/GCE电极表面，室温下干燥。在本发明中，由「一数值至另一数值」表示的范围，是一种避免在说明书中一一列举该范围中的所有数值的概要性表示方式。因此，某一特定数值范围的记载，涵盖该数值范围内的任意数值以及由该数值范围内的任意数值界定出的较小数值范围，如同在说明书中明文写出该任意数值和该较小数值范围一样。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。以下实施例中所用到的试剂与仪器如下表1和表2。表1试剂种类表试剂名称分子式级别生产厂家氢氧化钠NaOH分析纯国药集团化学试剂有限公司磷酸二氢钾KH2PO4分析纯国药集团化学试剂有限公司抗坏血酸C6H8O6分析纯国药集团化学试剂有限公司尿酸C5H4N4O3分析纯国药集团化学试剂有限公司多巴胺C8H11O2N分析纯国药集团化学试剂有限公司亚硝酸钠NaNO2分析纯国药集团化学试剂有限公司表2仪器种类表设备名称型号生产厂家真空干燥箱NKV400上海福玛实验设备有限公司电子分析天平AL104梅特勒-托利多仪器有限公司电化学工作站CHI760e上海辰华仪器公司以下实施例所用到的还包括去离子水，容量瓶，烧杯，磁力搅拌器，油浴锅，氧化铝打磨粉1，0.3，0.05μm，Pt电极，饱和甘汞电极，移液枪，麂皮。实施例1本实施例的一种rGO-COOLa/GCE电极的制备方法，包括以下几个步骤：(1)根据改进Hummers法，将石墨粉作为原材料用来合成氧化石墨烯。在冰浴30min条件下，将1.0g石墨粉加入到23mL浓硫酸中，持续搅拌，再加0.5g硝酸钠和3g高锰酸钾，得到的浑浊混合物冷却至恒温；取去离子水加到上述混合物中，15分钟后，再加入25℃温水将其稀释，然后加入0.1mol/L的双氧水进行反应，将黄色溶液变成亮黄色，得到氧化石墨烯悬浊液。(2)步骤(1)中制备的氧化石墨烯悬浊液500mL，加入500mg的硫脲进行回流，回流过程温度维持在40-60℃，回流时间24小时，在这种还原过程中，分散的氧化石墨烯混合物由棕色变成了黑色溶液。反应结束后，回流的混合物用蒸馏水和乙醇漂洗干净。被洗净的混合物在真空干燥箱60℃烘干，制得rGO。(3)将上述制备的rGO配制成浓度为1mg/mLrGO的悬浮液，然后加入0.5g氢氧化钠和0.5g氯乙酸钠，水浴超声处理2小时。用稀盐酸溶液中和已经制得的rGO-COONa。然后进行纯化处理，制得rGO-COOH悬浮液，最后将均匀的rGO-COOH悬浮液在80℃下干燥；(4)rGO-COOLa复合物的制备：将步骤(3)中得到的rGO-COOH配置成浓度为1mg/mL的羧基化氧化石墨烯(rGO-COOH)悬浊液，然后量取10mL，并与5mL，0.4mol/mL的LaCl3溶液混合并声处理三小时，得到的悬浮液被中和透析5天，在60℃下真空干燥得到rGO-COOLa复合物。(5)电极表面涂覆：电极引线的一端先在称量纸上抛光至镜面，然后将步骤(4)所得的rGO-COOLa复合物，配置成浓度为1mg/L的分散液，滴涂在已抛光至镜面的该电极导线的一端，然后室温下干燥，即得rGO-COOLa的修饰电极。实施例2本实施例的一种表活-rGO-COOLa/GCE电极的制备方法，包括以下几个步骤：(1)根据改进Hummers法，将石墨粉作为原材料用来合成氧化石墨烯。在冰浴30min条件下，将1.0g石墨粉加入到23mL浓硫酸中，持续搅拌，再加0.5g硝酸钠和3g高锰酸钾，得到的浑浊混合物冷却至恒温；取去离子水加到上述混合物中，15分钟后，再加入25℃温水将其稀释，然后加入0.1mol/L的双氧水进行反应，将黄色溶液变成亮黄色，得到氧化石墨烯悬浊液。(2)步骤(1)中制备的氧化石墨烯悬浊液500mL，加入500mg的硫脲进行回流，回流过程温度维持在40-60℃，回流时间24小时，在这种还原过程中，分散的氧化石墨烯混合物由棕色变成了黑色溶液。反应结束后，回流的混合物用蒸馏水和乙醇漂洗干净。被洗净的混合物在真空干燥箱60℃烘干，制得rGO。(3)将上述制备的rGO配制成浓度为1mg/mLrGO的悬浮液，然后加入0.5g氢氧化钠和0.5g氯乙酸钠，水浴超声处理2小时。用稀盐酸溶液中和已经制得的rGO-COONa。然后进行纯化处理，制得rGO-COOH悬浊液，最后将均匀的rGO-COOH悬浮液在80℃下干燥；(4)rGO-COOLa复合物的制备：将步骤(3)中得到的rGO-COOH配置成浓度为1mg/mL的羧基化氧化石墨烯(rGO-COOH)悬浊液，然后量取10mL，并与5mL，0.4mol/mL的LaCl3溶液混合并声处理三小时，得到的悬浮液被中和透析5天，在60℃下真空干燥得到rGO-COOLa复合物。(5)选择表活CTAB的浓度为0.2g/L。电极引线的一端先在称量纸上抛光至镜面，然后将10μL浓度为1mol/L的步骤(4)所得的rGO-COOLa的复合物的分散液涂覆于在已抛光至镜面的该电极导线的一端，然后室温下干燥，再将步骤(5)所得的CTAB溶液涂覆于rGO-COOLa修饰电极上，即得CTAB/rGO-COOLa修饰电极。对比例1本对比例提供一种rGO-COOH/GCE电极的制备方法，包括以下几个步骤：(1)根据改进Hummers法，将石墨粉作为原材料用来合成氧化石墨烯。在冰浴30min条件下，将1.0g石墨粉加入到23mL浓硫酸中，持续搅拌，再加0.5g硝酸钠和3g高锰酸钾，得到的浑浊混合物冷却至恒温；取去离子水加到上述混合物中，15分钟后，再加入25℃温水将其稀释，然后加入0.1mol/L一定浓度的双氧水，将黄色溶液变成亮黄色，得到氧化石墨烯悬浊液，进而得到氧化石墨烯。(2)利用500mg步骤(1)制得的氧化石墨烯和300mg的蒸馏水在声波下降解2h来制备氧化石墨烯的分散物。500mg的硫脲加入到氧化石墨烯的分散液中并进行回流。回流过程温度维持在40-60℃并持续24小时，在这种还原过程中，分散的氧化石墨烯混合物由棕色变成了黑色溶液。最后，回流的混合物用蒸馏水和乙醇漂洗干净，得到的最终产物就是还原的氧化石墨烯，被洗净的还原的氧化石墨烯在真空干燥箱60℃烘干，得到rGO。(3)将上述制备的rGO配制成浓度为1mg/mLrGO的悬浮液，然后加入0.5g氢氧化钠和0.5g氯乙酸钠，将悬浮液水浴超声处理2小时。用稀释的盐酸溶液中和已经制得的rGO-COONa。得到的产物必须纯化，用去离子水透析3天。加入盐酸使其中和，最后，悬浮液在80℃下干燥得到均匀的rGO-COOH。电极表面涂覆：电极引线的一端先在称量纸上抛光至镜面，然后将10μL步骤(3)所得的rGO-COOH的复合物配置成浓度为1mg/L的分散液滴涂在已抛光至镜面的该电极导线的一端，然后室温下干燥，即得rGO-COOH的修饰电极。对比例2本对比例提供一个裸的玻碳电极。应用实施例1将上述实施例1所得的rGO-COOLa的修饰电极、实施例2所得的CTAB/rGO-COOLa的修饰电极、对比例1所得的rGO-COOH的修饰电极和对比例2的裸玻碳电极直接用于对含有DA、UA的磷酸盐缓冲溶液进行检测，具体步骤如下：分别以实施例1所得的rGO-COOLa的修饰电极、实施例2所得的CTAB/rGO-COOLa修饰电极、对比例1所得的rGO-COOH的修饰电极和对比例2的裸玻碳电极作为工作电极，以饱和甘汞电极、铂丝电极分别作为参比电极和对电极分别组成三电极体系，用电化学工作站(上海辰华仪器有限公司，型号为CHI760D)分别用实施例1所得的rGO-COOLa的修饰电极、实施例2所得的CTAB/rGO-COOLa的修饰电极、对比例1所得的rGO-COOH的修饰电极和对比例2所得的裸玻碳电极测定DA和UA的磷酸盐缓冲溶液。测定时电压选定为-0.2～0.8v，扫描速率为100mv/s，浓度均为1mmol/L的DA和UA。磷酸盐缓冲溶液配制所用的溶剂为0.1mol/L，pH为7.0的PBS溶液(磷酸缓冲盐溶液)。测定结果如图1(a)和图1(b)所示，图1(a)为溶液中单独存在DA时，实施例1、实施例2和对比例1、对比例2的对比图。图1(b)为溶液中单独存在UA时，实施例1、实施例2和对比例1、对比例2的对比图。从图1(a)和图1(b)中可以看出实施例2的CTAB/rGO-COOLa的修饰电极对单独存在的UA和DA均具有最大的峰电流，说明实施例2的CTAB/rGO-COOLa有着最高的灵敏度；还可以看出，实施例1的rGO-COOLa的修饰电极对DA和UA有着一定的灵敏度，但其效果逊于实施例2。因此，从上述结果可见，实施例1的rGO-COOLa的修饰电极和实施例2的CTAB/rGO-COOLa修饰电极，可以单独对UA和AA两种生物分子进行分析检测，检测灵敏。应用实施例2利用实施例1、实施例2和对比例1、对比例2所得的表活-rGO-COOLa的修饰电极直接用于DA、UA的电化学检测，步骤如下：检测方法可以参照现有电极测定DA、UA的方法，以实施例1、实施例2和对比例1、对比例2所得的CTAB/rGO-COOLa的修饰电极作为工作电极，以饱和甘汞电极、铂丝电极分别作为参比电极和辅助电极分别组成三电极体系，用电化学工作站(上海辰华仪器有限公司，型号为CHI760D)测定实施例1所得的rGO-COOLa的修饰电极、实施例2所得的CTAB/rGO-COOLa修饰电极、对比例1所得的rGO-COOH的修饰电极和对比例2的裸玻碳电极对DA、UA的混合磷酸盐缓冲溶液(其中DA浓度为1.0mmol/L、UA浓度为0.1mmol/L的磷酸盐缓冲溶液)的电催化性能。上述各溶液配制所用的溶剂均为0.1mol/L，pH为7.0的PBS溶液(磷酸缓冲盐溶液)。上述实验的测定结果如图2所示，从图2中曲线中可以看出UA和DA分别在420mV和580mV左右出现了一个氧化峰，而且DA与UA之间的氧化峰均已分开，说明利用实施例2的CTAB/rGO-COOLa的修饰电极有可能实现两种物质的同时测定。进一步，对比图1(a)，图1(b)和图2的曲线可以看出，当DA、UA两种物质混合后，各自的氧化峰电流、峰电位与它们单独测定时的峰电流、峰电位几乎没变化，说明在CTAB/rGO-COOLa的修饰电极上，UA和DA不会干扰该CTAB/rGO-COOLa的修饰电极对DA和UA的互相检测，进而表明该CTAB/rGO-COOLa的修饰电极可以对DA、UA这两种物质进行同时检测。从图2还可以看出，实施例1所得的rGO-COOLa的修饰电极也能够测定混合溶液中DA、UA这两种物质。重复性实验：利用实施例2所得的CTAB/rGO-COOLa的修饰电极该对DA浓度为1.0mmol/L的磷酸盐缓冲溶液中的循环伏安曲线连续检测5次，发现峰电流几乎没什么变化，计算得出其相对标准偏差(RSD)小于2％，表明该表活-rGO-COOLa的修饰电极有很好的重复性。实施例1和实施例2的对比还说明，CTAB对于rGO-COOLa修饰电极有着很好的协同作用，并在同时检测DA、UA三种生物分子上有着很好的灵敏度和高效性。以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，本发明保护范围应不限于实例所揭示的内容，依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。在本发明及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本发明所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本发明，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。当前第1页1 2 3