一种还原石墨烯复合材料及其构建的电化学手性传感器的制作方法

本发明涉及一种石墨烯复合材料及其构建的传感器，特别是一种还原石墨烯复合材料及其构建的电化学手性传感器。

背景技术：

手性是指分子或离子不能与其镜像相重叠的一种现象，这是由于组成分子或离子的原子间的三维排列引起的化学结构上的不对称，一对互为镜像的物质称为“对映体”。手性作为分子或离子的重要几何性质，在医学、药剂学和生物化学等领域发挥着重要作用。自然界和生命体中都蕴藏着大量的手性分子，作为生命活动重要基础的生物分子，如蛋白质、多糖、核酸等几乎全部具有手性。此外，大约一半的药物均为手性药物，手性对映异构体中的两种构型往往有着不同的生理活性和药理性，药物分子结构必须实现与受体分子几何结构匹配，才能起到药效，通常手性对映体中仅有一种是有实际应用的，另一种无效甚至有毒。因此，开发简单而有效的对映体识别方法具有重要的意义。

手性分子选择性地与特定的手性分子结合，就能达到手性识别的目的。目前，研究手性识别方法很多，例如：色谱法、光谱法、电化学分析法等。色谱法与光谱法因为对分析测试样品要求较高、样品消耗量大、仪器价格昂贵、检测时间较长、操作复杂等缺点而使其在手性分离中研究发展受到一定的限制，而电化学分析法具有成本较低、响应快速、操作简便、选择性与灵敏度高等优点，越来越受到研究者们的青睐。

电化学手性传感器是基于手性选择剂与对映异构体间的相互作用能力的差异来实现手性识别与检测的一种技术手段，因此，构建手性传感器的关键在于手性选择剂的使用。常用手性选择剂包括蛋白质、合成的高分子聚合物、金属配合物、手性表面活性剂及大环化合物等。

氨基酸是一种重要的手性生物活性物质，在药物、农药、食品添加剂和香料的合成中有着广泛的应用，其在人体内含量可作为多种疾病的评价指标。其中，酪氨酸是一种重要的氨基酸，在酪氨酸的一对对映体中，l-酪氨酸是多巴胺、甲状腺素、肾上腺素、去甲肾上腺素等神经递质的重要组成，l-酪氨酸缺乏会导致抑郁、焦虑、易怒、头痛等症状，而d-酪氨酸目前只是用作合成原料。因此，酪氨酸对映体的识别与检测对探索氨基酸与疾病的关系方面具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种还原石墨烯复合材料及其构建的电化学手性传感器。本发明的还原石墨烯复合材料能够用于电化学手性传感器基底电极的修饰，实现对酪氨酸对映体的识别和检测，具有操作简便、响应快速、成本低廉、准确度高、灵敏度高、检出限低的特点。

本发明的技术方案：一种还原石墨烯复合材料，是以手性大环化合物功能化还原石墨烯后制得，所述手性大环化合物的分子式为c49h66n6o6，化学结构式如附图1所示。

前述的还原石墨烯复合材料，所述功能化的方法如下：将还原石墨烯溶于二甲基亚砜中，在常温下超声1-2h，制得悬浊液，向悬浊液中以还原石墨烯:大环化合物＝1:1.5-2.5的质量比加入大环化合物，然后在常温搅拌20-60h，即得大环化合物功能化的还原石墨烯复合材料。

前述的还原石墨烯复合材料，所述功能化的方法是将还原石墨烯溶于二甲基亚砜中，在常温下超声2h，制得悬浊液，向悬浊液中以还原石墨烯:大环化合物＝1:2的质量比加入大环化合物，然后在常温搅拌40h，即得大环化合物功能化的还原石墨烯复合材料。

前述的还原石墨烯复合材料，所述还原石墨烯复合材料中还原石墨烯的质量浓度为0.2-0.3mg/ml。

前述的还原石墨烯复合材料，所述还原石墨烯复合材料中还原石墨烯的质量浓度为0.25mg/ml。

前述的还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器，是以所述还原石墨烯复合材料修饰基底电极构建而成的电化学手性传感器。

前述的还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器，所述基底电极为玻碳电极。

前述的还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器，所述玻碳电极在修饰前需用α-al2o3粉抛光打磨，再用乙醇和二次水超声清洗，然后晾干。

前述的还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器，所述修饰是将还原石墨烯复合材料滴涂在基底电极上，待溶剂挥发完即可。

前述的还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器在酪氨酸对映体的识别和检测中的应用。

本发明的有益效果

本发明所使用的手性大环化合物由3个对叔丁基苯酚、2个半甘脲单元以及一个(3ar,7ar)-八氢-2h-苯并咪唑-2-酮手性单元通过亚甲基桥联而形成。该大环化合物具有独特的超分子化学性能，同时手性单元更进一步提供了手性识别的能力。另外，在电化学领域，还原石墨烯具有电化学窗口宽、电化学稳定性好、电荷传递电阻小、电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性，能够传递并放大电化学信号。因此，本发明通过采用手性大环化合物功能化还原石墨烯复合材料，并将其用于修饰构建电化学手性传感器，能够同时具有酪氨酸对映体分子的识别与电化学信号放大的性能。实现了对酪氨酸对映体的简便，快速，低成本，高准确性，高灵敏度和低检出限的检测和识别。

在对酪氨酸对映体的实际识别实验中，l-酪氨酸在电势为590mv处出现响应电流，电流强度18.45μa，d-酪氨酸在电势为660mv出现响应电流，电流强度11.6μa，电势差δep＝70mv，峰电流比值il-tyr/id-tyr＝1.58，对比其他电化学手性传感器，本发明的传感器能够较好地区别酪氨酸对映体。在对酪氨酸对映体的实际检测实验中，l-酪氨酸的检测限为78nm，d-酪氨酸的检测限为83nm，对比其他电化学手性传感器，本发明的传感器实现了低检出限、高灵敏度。

附图说明

附图1为本发明的手性大环化合物的结构示意图；

附图2是本发明的电化学手性传感器对相同浓度l-酪氨酸和d-酪氨酸的差分脉冲伏安图。从图中可以看到，l-酪氨酸在电势为590mv时出现响应电流，电流强度18.45μa，d-酪氨酸在电势为660mv时出现响应电流，电流强度11.6μa；

附图3是本发明的电化学手性传感器对不同浓度l-酪氨酸的差分脉冲伏安图。从图中可以看到，l-酪氨酸的峰电流强度随着浓度的增加而增强；

附图4是根据附图3的l-酪氨酸的差分脉冲伏安图，所作的峰电流值对l-酪氨酸浓度响应的校正曲线图。通过对图的分析，可以知道在l-酪氨酸浓度与峰电流值在一定范围内呈现良好的线性关系：当l-酪氨酸浓度为0.1-10μm，线性回归方程为i(μa)＝0.7732c(μm)+3.0974(r²＝0.9864)，当l-酪氨酸浓度为10-100μm，线性回归方程为i(μa)＝0.0717c(μm)+9.7753(r²＝0.9958)，经计算，该手性传感器对l-酪氨酸的最低检出限为78nm(s/n＝3)；

附图5是本发明的电化学手性传感器对不同浓度d-酪氨酸的差分脉冲伏安图。从图中可以看到，d-酪氨酸的峰电流强度随着浓度的增加而增强；

附图6是根据附图3的d-酪氨酸的差分脉冲伏安图，所作的峰电流值对d-酪氨酸浓度响应的校正曲线图。通过对图的分析，可以知道在d-酪氨酸浓度与峰电流值在一定范围内呈现良好的线性关系：当d-酪氨酸浓度为0.1-10μm，线性回归方程为i(μa)＝0.727c(μm)+1.7737(r²＝0.9963)，当d-酪氨酸浓度为10-100μm，线性回归方程为i(μa)＝0.0653c(μm)+8.5403(r²＝0.9973)，经计算，该手性传感器对l-酪氨酸的最低检出限为83nm(s/n＝3)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例

实施例1：一种还原石墨烯复合材料，是以附图1所示的手性大环化合物功能化还原石墨烯后制得，功能化的方法如下：将还原石墨烯溶于二甲基亚砜中，在常温下超声2h，制得悬浊液，向悬浊液中以还原石墨烯:大环化合物＝1:2的质量比加入大环化合物，控制体系中还原石墨烯的质量浓度为0.25mg/ml，然后在常温搅拌40h，即得大环化合物功能化的还原石墨烯复合材料。

所述还原石墨烯通过如下方法制备：在室温下，将氧化石墨烯置于二次水中超声2h，使其分散成氧化石墨烯片层；然后按质量比为1:12加入抗坏血酸，常温搅拌40h；搅拌结束后离心弃去液相，沉淀物用二次水洗涤后，冷冻干燥，即得。

所述手性大环化合物的制备方法包括如下步骤：

1)在每100ml蒸馏水中加入35gl-(+)-酒石酸，加入外消旋的1,2-环己基二胺混合物55ml，85℃下缓慢滴加乙酸25ml，滴加完毕后将反应混合物在2h内降温至22℃，然后将其置于5℃下保持2.5h，抽滤弃去液相，固相用蒸馏水和甲醇洗涤，所得的固体用90℃蒸馏水重结晶，所得到的晶体即为a品。

2)将5ml蒸馏水中溶解7ga品与2.8gkoh，加热使其完全溶解后，加入18ml异丙醇，搅拌并冷却至5℃，然后加入无水硫酸钠7g，2h后抽滤并弃去固体，滤液中加入6g碳酸二苯酯并在80℃下回流反应40min，反应完成后，通过旋蒸除去溶剂得到粗产品，该粗产品用体积比为1:1乙醇/水溶液重结晶，得到产物b品。

3)每100ml甲苯中溶解半甘脲1g、对叔丁基酚2.2g、多聚甲醛1.2g和对甲苯磺酸一水化合物0.6g，70℃下加热回流反应24h，反应完成后将混合物冷却至室温，通过旋蒸除去甲苯，将所得的固体溶解于二氯甲烷中，并加入饱和碳酸氢钠水溶液，萃取，收集有机相，用无水硫酸镁粉末干燥，抽滤，收集滤液，通过旋蒸除去溶剂，所得的固体用柱层析色谱分离纯化，洗脱剂为乙酸乙酯:正己烷＝1:3，得c品；

4)每5ml甲苯中溶解b品0.01g、c品0.043g、多聚甲醛0.004g和对甲苯磺酸一水化合物0.007g，在70℃下加热回流反应80h，反应完成后冷却至室温，通过旋蒸除去甲苯，将所得的固体溶于二氯甲烷，并用饱和碳酸钠水溶液洗涤，收集有机相，在减压条件下除去溶剂，所得的固体即为手性大环化合物。

实施例2：一种还原石墨烯复合材料，是以附图1所示的手性大环化合物功能化还原石墨烯后制得，功能化的方法如下：将还原石墨烯溶于二甲基亚砜中，在常温下超声2h，制得悬浊液，向悬浊液中以还原石墨烯:大环化合物＝1:2.5的质量比加入大环化合物，控制体系中还原石墨烯的质量浓度为0.3mg/ml，然后在常温搅拌60h，即得大环化合物功能化的还原石墨烯复合材料。

所述还原石墨烯通过如下方法制备：在室温下，将氧化石墨烯置于二次水中超声2h，使其分散成氧化石墨烯片层；然后按质量比为1:15加入抗坏血酸，常温搅拌60h；搅拌结束后离心弃去液相，沉淀物用二次水洗涤后，冷冻干燥，即得。

所述手性大环化合物的制备方法包括如下步骤：

1)在每100ml蒸馏水中加入40gl-(+)-酒石酸，加入外消旋的1,2-环己基二胺混合物65ml，100℃下缓慢滴加乙酸30ml，滴加完毕后将反应混合物在3h内降温至25℃，然后将其置于7℃下保持3h，抽滤弃去液相，固相用蒸馏水和甲醇洗涤，所得的固体用95℃蒸馏水重结晶，所得到的晶体即为a品。

2)将5ml蒸馏水中溶解7ga品与3.0gkoh，加热使其完全溶解后，加入20ml异丙醇，搅拌并冷却至7℃，然后加入无水硫酸钠7g，3h后抽滤并弃去固体，滤液中加入6g碳酸二苯酯并在90℃下回流反应50min，反应完成后，通过旋蒸除去溶剂得到粗产品，该粗产品用体积比为1:1乙醇/水溶液重结晶，得到产物b品。

3)每100ml甲苯中溶解半甘脲1.2g、对叔丁基酚2.4g、多聚甲醛1.4g和对甲苯磺酸一水化合物0.8g，80℃下加热回流反应28h，反应完成后将混合物冷却至室温，通过旋蒸除去甲苯，将所得的固体溶解于二氯甲烷中，并加入饱和碳酸氢钠水溶液，萃取，收集有机相，用无水硫酸镁粉末干燥，抽滤，收集滤液，通过旋蒸除去溶剂，所得的固体用柱层析色谱分离纯化，洗脱剂为乙酸乙酯:正己烷＝1:3，得c品；

4)每5ml甲苯中溶解b品0.015g、c品0.068g、多聚甲醛0.006g和对甲苯磺酸一水化合物0.011g，在80℃下加热回流反应90h，反应完成后冷却至室温，通过旋蒸除去甲苯，将所得的固体溶于二氯甲烷，并用饱和碳酸钠水溶液洗涤，收集有机相，在减压条件下除去溶剂，所得的固体即为手性大环化合物。

实施例3：一种还原石墨烯复合材料，是以附图1所示的手性大环化合物功能化还原石墨烯后制得，功能化的方法如下：将还原石墨烯溶于二甲基亚砜中，在常温下超声1h，制得悬浊液，向悬浊液中以还原石墨烯:大环化合物＝1:1.5的质量比加入大环化合物，控制体系中还原石墨烯的质量浓度为0.2mg/ml，然后在常温搅拌20h，即得大环化合物功能化的还原石墨烯复合材料。

所述还原石墨烯通过如下方法制备：在室温下，将氧化石墨烯置于二次水中超声1h，使其分散成氧化石墨烯片层；然后按质量比为1:10加入抗坏血酸，常温搅拌20h；搅拌结束后离心弃去液相，沉淀物用二次水洗涤后，冷冻干燥，即得。

所述手性大环化合物的制备方法包括如下步骤：

1)在每100ml蒸馏水中加入30gl-(+)-酒石酸，加入外消旋的1,2-环己基二胺混合物45ml，70℃下缓慢滴加乙酸20ml，滴加完毕后将反应混合物在1h内降温至20℃，然后将其置于3℃下保持2h，抽滤弃去液相，固相用蒸馏水和甲醇洗涤，所得的固体用85℃蒸馏水重结晶，所得到的晶体即为a品。

2)将5ml蒸馏水中溶解6ga品与2.5gkoh，加热使其完全溶解后，加入15ml异丙醇，搅拌并冷却至3℃，然后加入无水硫酸钠6g，1h后抽滤并弃去固体，滤液中加入5g碳酸二苯酯并在70℃下回流反应30min，反应完成后，通过旋蒸除去溶剂得到粗产品，该粗产品用体积比为1:1乙醇/水溶液重结晶，得到产物b品。

3)每100ml甲苯中溶解半甘脲0.8g、对叔丁基酚2g、多聚甲醛1g和对甲苯磺酸一水化合物0.4g，60℃下加热回流反应20h，反应完成后将混合物冷却至室温，通过旋蒸除去甲苯，将所得的固体溶解于二氯甲烷中，并加入饱和碳酸氢钠水溶液，萃取，收集有机相，用无水硫酸镁粉末干燥，抽滤，收集滤液，通过旋蒸除去溶剂，所得的固体用柱层析色谱分离纯化，洗脱剂为乙酸乙酯:正己烷＝1:3，得c品；

4)每5ml甲苯中溶解b品0.005g、c品0.023g、多聚甲醛0.002g和对甲苯磺酸一水化合物0.003g，在60℃下加热回流反应70h，反应完成后冷却至室温，通过旋蒸除去甲苯，将所得的固体溶于二氯甲烷，并用饱和碳酸钠水溶液洗涤，收集有机相，在减压条件下除去溶剂，所得的固体即为手性大环化合物。

实施例4：还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器，是用α-al2o3粉抛光打磨玻碳电极，再用乙醇和二次水超声清洗，然后晾干，将还原石墨烯复合材料滴涂在玻碳电极上，待溶剂挥发完即可。

实施例5：还原石墨烯复合材料构建的电化学手性传感器在酪氨酸对映体的识别和检测中的应用，识别方法按电化学传感器识别化学物质的常规方法进行。