基于Nafion/血红蛋白/氮掺杂石墨烯量子点修饰电极的制备及其电催化性能研究的制作方法

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯量子点/血红蛋白修饰电极的制备方法与实际应用。

背景技术：

石墨烯（gr）是一种新型的二维碳基纳米材料，它具有独特的电学、光学和力学性能，使其迅速成为当前物理、化学和材料学等领域的研究热点。通过对石墨烯的结构进行修饰可以改进石墨烯的性能，得到功能化石墨烯基材料。石墨烯量子点(gqds)是石墨烯家族的最新一员，gqds除了具有石墨烯的优异性能，还因量子限制效应和边界效应而展现出一系列新的特性。

氮掺杂改性可使gqds表现出全新的性能。相对于碳原子，氮原子具有五个价电子，和碳原子有着相当的原子尺寸大小，已经被广泛应用于碳材料的化学掺杂，如氮掺杂石墨烯、氮掺杂碳纳米管等。氮掺杂石墨烯量子点是一种用来改变gqds表面电子云密度以及调节其物理化学性质的有效方法。通过对gqds进行氮原子掺杂，一方面可以提高gqds的量子产率、荧光性能，拓宽gqds的荧光发射光谱；另一方面可以为gqds的生物功能化提供多维、多种类的反应活性位点，从而构建基于gqds的细胞成像和药物传输等领域的应用。因此很有必要拓展氮掺杂石墨烯量子点的应用领域。

第三代电化学酶传感器具有灵敏度高、检测范围广和检测限低等优点，它是基于无媒介体的氧化还原蛋白质酶的直接电化学行为，通过检测酶与电极之间的直接电子转移为特征的生物传感装置，这种传感器无媒介体制作过程相对简单且无外加物质，是当前最理想的生物传感器。以氧化还原蛋白质的直接电化学为研究基础的第三代无媒介体传感器已成为电化学生物传感器研究领域的重要内容。

三氯乙酸（tca）是一种易溶于水的有机小分子，它是饮用水消毒副产物卤乙酸中致癌能力最高的有机氯化物，快速精确检测tca有着重大的意义。氧化还原蛋白质可以催化tca的降解，并达到电催化检测的目的。由于n-gqds可以促进血红蛋白（hb）在电极上的电子传递加快催化反应的进行，将hb与n-gqds相组装既可以保持其催化活性又可以缩短传质路径、进而提高传质速率，从而可以构建成具有制备简单、响应快、催化活性高的电化学酶传感器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种第三代电化学酶生物传感器的制备方法，并用这种修饰电极对tca进行检测。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

1.基于nafion/血红蛋白/氮掺杂石墨烯量子点修饰电极的制备及其电催化研究，其特征包括：制备离子液体碳糊电极，制备nafion/血红蛋白/氮掺杂石墨烯量子点修饰电极，包括以下步骤：

（1）制备离子液体碳糊电极。按比例称取石墨粉和n-己基吡啶六氟磷酸盐（hppf6）并加入液体石蜡作为粘合剂，放入研钵中充分研磨。将研磨好的混合物填入内径为4mm的玻璃电极管中，内插铜丝作为导线，将玻璃电极管中的固体混合物压实即得cile。放入冰箱4℃保存，使用前将电极表面打磨成镜面；

（2）制备nafion/血红蛋白/氮掺杂石墨烯量子点修饰电极。分别配制15mgml^-1hb、0.6mgml^-1n-gqds溶液，采用分层涂布法取8μl0.6mgml^-1n-gqds溶液滴涂在cile表面，自然晾干；取8μl15mgml^-1hb溶液于cile上，自然晾干；取6μl0.5%nafion滴涂于电极表面，自然晾干后即得修饰电极nafion/hb/n-gqds/cile。

所述的氮掺杂石墨烯量子点，利用tem对其形貌进行表征。

所述的离子液体修饰碳糊电极，其特征在于，离子液体为n-己基吡啶六氟磷酸盐（hppf6）质量为0.8g，石墨粉质量为1.6g，液体石蜡的用量为500μl。

所述的修饰电极，其特征在于，n-gqds的用量为8.0μl，浓度为0.6mgml^-1；hb的用量为8.0μl浓度为15mgml^-1；nafion的浓度为0.5%用量为6.0μl。

采用nafion/血红蛋白/氮掺杂-石墨烯量子点复合膜修饰电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，组成三电极体系，采用循环伏安法和交流阻抗法对修饰电极进行表征，得到相应的循环伏安曲线图和交流阻抗谱图。

所述的hb的直接电化学行为，其特征在于，ph为5.0的pbs缓冲溶液，扫速为100mvs^-1。

所述的nafion/hb/n-gqds/cile的交流阻抗图，其特征在于，所用电解质溶液为10.0mmoll^-1k3[fe(cn)6]和0.lmoll^-1kcl溶液。

一种氮掺杂-石墨烯量子点修饰电极的电化学酶传感器的电催化研究，其特征在于，利用所构建的酶传感器对三氯乙酸(tca)进行电催化行为研究。

附图说明

图1(a、b)为不同放大倍数下的n-gqds透射电镜图。

图2为不同修饰电极（a）nafion/hb/n-gqds/cile，（b）nafion/hb/cile，（c）nafion/n-gqds/cile和（d）cile在ph5.0pbs中的循环伏安曲线；扫速为100mvs^-1。

图3为不同扫速下nafion/hb/n-gqds/cile的循环伏安图（曲线a到j分别为50，100，200，300，400，500，600，700，800，900mvs^-1）。

图4为不同修饰电极（a）nafion/n-gqds/cile，（b）nafion/hb/n-gqds/cile，（c）nafion/cile，（d）nafion/hb/cile的交流阻抗图。

图5为修饰电极在不同浓度三氯乙酸存在下的循环伏安图（a到l分别为0，5.0，10.0，30.0，10.0，50.0，70.0，90.0，110.0，130.0，150.0，170.0mmol/l）；插图为催化还原峰电流与三氯乙酸浓度之间的关系曲线。

具体实施方式

下面给出的实施例对本发明作进一步说明，但不超出本发明保护范围的限制。

实施例1

电极修饰材料的电镜表征

图1a和b所示展示了不同放大倍数下的氮掺杂石墨烯量子点，从图中可以看到氮掺杂石墨烯量子点尺寸在30-60nm。

实施例2

如图2所示，不同修饰电极在ph5.0的pbs中的循环伏安图，在基底电极cile（曲线d），和nafion/n-gqds/cile（曲线c）上没有出现氧化还原特征峰，表明电极表面不存在电活性物质。在nafion/hb/cile（曲线b）上出现一对明显的非对称氧化还原峰，说明hb和cile之间存在电子传输。而在nafion/hb/n-gqds/cile（曲线a）上出现一对良好且准可逆的氧化还原峰出现，氧化还原峰电位分别是epc=-0.289v和epa=-0.223v，峰电位差（δep）为59mv，式电位e⁰'=-0.256v（vs.sce），氧化还原峰电流之比接近于1，表现出蛋白质内血红素辅基fe(iii)/fe(ii)氧化还原电对的特征电化学行为。

实施例3

如图3所示，在50-900mvs^-1扫速范围内研究nafion/hb/n-gqds/cile的循环伏安图，并求解相关的电化学参数。结果表明氧化还原峰电流和扫速的一次方成正比，线性回归方程ipc(μa)=173.99υ(v/s)+9.366(n=13,γ=0.999)和ipa(μa)=-136.63υ(v/s)-3.533(n=13,γ=0.998)，表明电极反应是典型的表面控制薄层电化学行为。ep与lnυ之间的线性回归方程为epc(v)=-0.0322lnυ-0.339(n=10,γ=0.998)和epa(v)=0.0492lnυ-0.1567(n=10,γ=0.995)。根据laviron理论可求得电子转移数（n）为1.2，电子传递系数（α）为0.60，反应的速率常数（ks）值为2.82s^-1。结果表明n-gqds复合膜的存在可以为hb提供一个合适的微环境，加快速电子转移速率。

实施例4

电化学交流阻抗谱（eis）能够有效提供电极表面修饰过程的阻抗变化信息，由阻抗图半圆的直径可获得电子转移电阻（ret）。如图4所示分别为（a）nafion/n-gqds/cile，（b）nafion/hb/n-gqds/cile，（c）nafion/cile，（d）nafion/hb/cile的交流阻抗图。nafion/cile的阻抗为85.64ω，当n-gqds加入到电极表面时，nafion/n-gqds/cile电极的阻抗变为25.03ω，这说明n-gqds具有高导电性加快电子转移过程。nafion/hb/cile的阻抗值为114.85ω，说明电极上hb的存在阻碍了铁氰化钾在电极表面的电子转移。而nafion/hb/n-gqds/cile的阻抗值为41.59ω，阻抗值明显的减小说明n-gqds具有高导电性，可以加快电子的转移。结果表明电极表面修饰的不同物质导致了不同的界面电阻，也说明了修饰过程的完成。

实施例5

以自制nafion/hb/n-gqds/cile为工作电极，饱和甘汞电极（sce）为参比电极，铂电极为对电极，组成三电极系统；将ph5.0的pbs经过30分钟的氮气除氧后进行电化学检测，考察该修饰电极对tca的电催化还原作用，结果如图5所示。在-0.243v左右出现一个新的还原峰，随着tca加入量的增加，还原峰电流明显增大，氧化峰逐渐消失，这是典型的tca还原过程。还原峰电流和tca的浓度在3.0mmoll^-1-170.0mmoll^-1的范围内呈良好的线性关系，线性回归方程为iss(ma)=27.39c(mmol/l)+51.09(n=28,γ=0.997),检测限为1.0mmoll^-1，表明修饰电极对tca表现出良好的电催化活性。