一种四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物及其制备的电化学传感器和应用的制作方法

本发明涉及一种水溶性四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物及其制备的电化学传感器和应用，属于电化学和纳米材料技术领域。

背景技术：

对乙酰氨基酚(ac)，是一种比较常用的解热止痛药，在临床治疗中具有极其广泛的应用。正常剂量的药物服用相对比较安全，但是过量的应用则会导致严重的肝毒性和肾毒性甚至致人死亡。同时，长期广泛的使用和滥用，代谢入环境中也会对水源造成一定的污染。

目前，对乙酰氨基酚的检测方法主要有液相色谱法、气相色谱法、液质联用等技术，但是这些技术方法相对费时费力，操作复杂，对样品前处理要求高，并且仪器昂贵。电化学传感器具有仪器价廉、操作简单、测定分析快速、准确、灵敏、选择性和稳定性高，样品前处理简单等诸多优势，具有良好的应用前景。因此，研发一种准确、简单、快速、高灵敏的电化学传感器用于对乙酰氨基酚的检测具有重要意义。

酞菁(pcs)是一类类似于卟啉的具有18电子共轭大π体系的化合物，且铜、镍、锌、钴等金属离子可以通过共价及配位作用进入大共轭环中心形成高度稳定的金属酞菁(mpcs)，在诸多领域具有广泛的应用。尤其由于其共轭的大环结构使其具有了优异的电化学活性，在电化学传感器方面有着重要的应用价值。但金属酞菁属于半导体化合物，在电极反应中会一定程度上阻碍电子的传递，且金属酞菁溶解性极差，在溶液中分布不均一，以悬浊液的形式修饰电极，易于脱落，严重降低电化学反应的稳定性和重现性，从而影响了其在电化学中的应用。

还原氧化石墨烯(rgo)，具有导电性好、比表面积大的优势，在电化学应用中广泛。但是由于石墨烯片层间存在较强的范德华力，易于堆积团聚，在水中难以分散，严重限制了石墨烯的进一步应用。所以，展开对还原氧化石墨烯的功能化修饰则具有重要意义。石墨烯含有离域大π键，易于与酞菁等含有丰富π电子的物质通过非共价键结合将酞菁负载于石墨烯上，有效的防止酞菁之间和石墨烯之间的团聚，比表面积增加，且由于共轭体系进一步延长，增强电子传输效率。

羟基具有很好的亲水性，羟基功能化是改善化合物水溶性的较好的途径，基于此，合成四羟基化的酞菁锌，利用其拥有18个电子的离域大π键与还原氧化石墨烯进行非共价结合制备纳米复合材料。目前，没有以水溶性四羟基酞菁-还原氧化石墨烯为电极敏感材料，构建新型电化学传感器，用于对乙酰氨基酚检测的相关报道。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种水溶性四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物及其制备的电化学传感器和应用，该电化学传感器价格低廉、操作简单、稳定性高、选择性好，可实现对乙酰氨基酚的宽线性范围的高灵敏度检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案之一是：

一种四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物，是以水溶性四羟基酞菁锌和还原氧化石墨烯为原料制备而成。具体的制备方法为：0.01g四羟基酞菁锌溶解于300μldmf中，加入10ml1mg/ml还原氧化石墨烯溶液，室温搅拌12h后，离心，所得沉淀水洗后，得到四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物；将所得四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物溶解于10ml水中，得到四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物溶液，备用。

四羟基酞菁锌的制备方法为：称取2.5mmol4-羟基邻苯二甲腈、2mmol醋酸锌加入5ml正戊醇中，然后加入0.5ml1,8二氮杂二环-双环(5,4,0)-7-十一烯，充分搅拌后，在氮气保护下，加热至160℃冷凝回流7h，待反应完成后冷却至室温，此时反应液中出现沉淀，减压抽滤，然后水洗沉淀至滤液无色，再将沉淀干燥，用甲醇溶解，过滤，减压蒸馏，得到墨绿色固体，即为四羟基酞菁锌。

4-羟基邻苯二甲腈的制备：称取0.1mol4-硝基邻苯二甲腈、0.1mol亚硝酸钠和0.1mol无水碳酸钾溶解在40mln,n-二甲基甲酰胺中，充分搅拌后，在氮气保护下，加热至120℃反应24h，待反应完成后冷却至室温，然后减压抽滤，再向滤液中添加浓盐酸，将ph调到2-3之间，最后将滤液密封放置在4℃条件下静置2-3天，溶液中出现絮状沉淀，减压抽滤，将沉淀水洗至中性，干燥，得到暗黄色固体，即为4-羟基邻苯二甲腈。

本发明的技术方案之一是：

一种基于所述四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物的信号增强型电化学传感器，其是采用一步滴涂法将四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物涂覆于玻碳电极表面。具体的方法为：取四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物溶液和质量浓度0.5％nafion溶液按照体积比1:1混合，将混合液滴涂到玻碳电极表面，室温下晾干，得到电化学传感器。

玻碳电极进行预处理，具体方法为：分别利用0.3和0.05μm的al2o3抛光玻碳电极，依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，室温下晾干备用。

本发明的技术方案之一是：

一种所述的电化学传感器在对乙酰氨基酚检测中的应用。

本发明可溶性的四羟基酞菁锌合成路线路如下：

本发明的有益效果：

1、本发明合成了四羟基取代的酞菁锌，羟基是很好的亲水基团，利用4-硝基邻苯二甲腈为原料，通过一系列还原和水解反应，首先制备得到4-羟基邻苯二甲腈，然后以4-羟基邻苯二甲腈为原料制备羟基化的酞菁锌，可以保证得到的酞菁锌为四羟基取代的酞菁锌，四羟基取代后，使酞菁锌的水溶性得到极大的改善，能够很好的通过非共价键的形式与还原氧化石墨烯进行结合，有效改善了还原氧化石墨烯的分散性。

2、制备的四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物是基于水溶性四羟基酞菁锌和还原氧化石墨烯大π键的存在通过非共价键结合而成，两者的结合兼顾两者优势的同时，改善了两者分散性差的缺点，具有比表面积大，导电性好，稳定性强，易得，无毒，环境友好的优势。

3、采用四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物作为修饰材料，能够获得高灵敏的电化学敏感膜，显著提高传感器的检测灵敏度。

4、通过一步滴涂法直接将nafion四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物涂覆于玻碳电极表面，具有操作快速简单、重现性好等优点。

5、制备的传感器成本低廉，稳定性和选择性好，能够实现对乙酰氨基酚的准确、快速、高灵敏检测，检测范围宽(0.03-100，100-800μmol/l)，检测限低至10nmol/l，在临床诊断和药品分析等领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为合成的四羟基酞菁锌的表征图，紫外吸收光谱图(a)；荧光光谱图(b)；红外光谱图(c)；核磁共振氢谱(d)。

图2为四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物的扫描电镜图。

图3为不同扫速下，znpc-rgo电化学传感器在探针铁氰化钾溶液中的循环伏安图(a)和扫速平方根与氧化电流线性关系图(b)。图3a中a→r分别代表扫速为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、450、500mv/s。

图4为不同修饰电极在探针铁氰化钾溶液中的循环伏安图。

图5为对乙酰氨基酚在不同电极修饰材料下的循环伏安图。

图6为znpc-rgo电化学传感器对对乙酰氨基酚检测的线性循环伏安图(a)、测定的氧化电流线性关系图(b)和测定的还原电流线性关系图(c)。图6a中a→s分别代表对乙酰氨基酚的浓度为0.03、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、50.0、80.0、100.0、200.0、300.0、400.0、500.0、600.0、700.0、800.0μmol/l。

图7为抗坏血酸(a)、多巴胺(b)、芦丁(c)和尿酸(d)对30μmol/l对乙酰氨基酚测定的影响分析结果。图7a中a→g分别代表抗坏血酸浓度为0.9、1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3mmol/l，图7b中a→d分别代表多巴胺浓度为60、120、180、240μmol/l，图7c中a→d分别代表芦丁浓度为60、150、240、330μmol/l，图7d中a→e分别代表尿酸浓度为125、250、375、500、625μmol/l。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明所用的还原氧化石墨烯利用改进hummers方法(williams.hummers,j.r.,richarde.offeman.preparationofgraphiticoxide.journaloftheamericanchemicalsociety1958，80:1339-1440.)制得。

实施例1：四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物的制备

(1)4-羟基邻苯二甲腈的制备：

称取0.1mol4-硝基邻苯二甲腈、0.1mol亚硝酸钠和0.1mol无水碳酸钾于圆底烧瓶中，加入40mln,n-二甲基甲酰胺(dmf)进行溶解，边搅拌边通入氮气1h，在氮气保护下，置于恒温磁力搅拌器上加热至120℃反应24h，待反应完成后冷却至室温，然后减压抽滤，此时溶液呈红橙色，再向滤液中添加浓盐酸，将ph调到2-3之间，将滤液密封放置在4℃条件下静置2-3天，溶液中出现大量絮状沉淀，减压抽滤，将沉淀水洗至中性，在真空干燥箱中干燥24h，得到暗黄色固体，即为4-羟基邻苯二甲腈。

(2)四羟基酞菁锌的制备：

称取2.5mmol4-羟基邻苯二甲腈、2mmol醋酸锌加入5ml正戊醇于圆底烧瓶中，然后加入0.5ml1,8二氮杂二环-双环(5,4,0)-7-十一烯(dbu)，边搅拌边通入氮气30min(通氮气后，装上冷凝管)，在氮气保护下，置于恒温磁力搅拌器上加热至160℃冷凝回流7h，待反应完成后冷却至室温，由于产物不溶于正戊醇，此时反应液中出现沉淀，先减压抽滤，然后水洗沉淀至滤液无色，再将沉淀放在真空干燥箱中干燥12h，用甲醇溶解，并将杂质过滤掉，减压蒸馏，得到墨绿色固体，即为四羟基酞菁锌(znpc-oh)。

(3)四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物的制备：

0.01g四羟基酞菁锌(过量)溶解于300μldmf中，加入10ml1mg/ml还原氧化石墨烯溶液，室温搅拌12h后，4000rmp离心10min，所得沉淀水洗3次，然后溶解于10ml水中，得到四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯纳米复合物(znpc-rgo纳米复合物)溶液。

实施例2：四羟基酞菁锌的表征

分别利用紫外吸收光谱、荧光光谱、红外光谱及核磁共振氢谱对制备所得的四羟基酞菁锌进行表征，结果如图1所示。从紫外吸收光谱可知(图1a)，在680nm处出现了酞菁的特征吸收峰，荧光光谱显示(图1b)，4-羟基邻苯二甲腈没有荧光发射峰，而四羟基酞菁锌在692nm处出现典型的酞菁环的荧光发射峰，说明有完整的酞菁环的形成。从红外光谱图可知(图1c)，4-硝基邻苯二甲腈(4-nitrophthalonitrile)的红外光谱中，在1539cm^-1和1356cm^-1处出现了两个硝基的伸缩振动峰，在4-羟基邻苯二甲腈(4-hydroxyphthalonitrile)中，在1203cm^-1和3103cm^-1处分别出现了c-o和o-h的伸缩振动吸收峰。而四羟基金属酞菁与4-硝基邻苯二甲腈相比，在1070cm^-1处出现新的酞菁环的伸缩振动吸收峰和3439cm^-1的o-h的伸缩振动峰。在核磁共振氢谱中(图1d)，四羟基酞菁锌出现了酞菁环(pcring)上h的位移，为7.45ppm和7.65ppm，并且在3.55ppm处也有苯环上o-h的位移，以上充分说明四羟基酞菁制备成功。

实施例3：电化学传感器的制备

(1)玻碳电极预处理：分别利用0.3和0.05μm的al2o3抛光玻碳电极(gce)，依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，室温下晾干备用；

(2)取znpc-rgo纳米复合物溶液和质量浓度0.5％nafion溶液(nafiond-520分散液)按照体积比1:1混合，将5μl混合液滴涂到预处理好的玻碳电极表面，室温下晾干，得到znpc-rgo纳米复合物修饰的玻碳电极，即为本发明制备的znpc-rgo电化学传感器。

实施例4：电化学传感器性能分析

1、比表面积

对所制备的znpc-rgo纳米复合物进行扫描电镜分析，结果如图2所示。由图可知，该纳米复合物拥有众多褶皱结构，显著提高了电极的比表面积。利用循环伏安法，采用三电极工作体系，以znpc-rgo纳米复合物修饰的玻碳电极为工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝电极为对电极，在电化学工作站上依次改变扫描速度分别为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、450、500mv/s对0.5mmol/l的铁氰化钾溶液进行循环伏安扫描，得到相应的循环伏安结果，如图3所示，在探针铁氰化钾溶液中通过建立扫速平方根与电流之间的关系，计算该传感器的比表面积为0.455cm²，而裸电极的比表面积为0.108cm²，说明通过该纳米复合物的修饰，电极的比表面积约增至4倍。

2、电化学性能

在铁氰化钾电化学探针中利用循环伏安法，对znpc-rgo纳米复合物的电化学性能表征：图4是不同修饰电极在探针铁氰化钾中的循环伏安图，a、b、c分别代表裸电极、还原氧化石墨烯修饰电极、znpc-rgo纳米复合物修饰电极。由图可知，相对于裸电极，znpc-rgo纳米复合物修饰电极电化学信号明显增强，说明该修饰电极电子传输能力显著提升。

实施例5：对乙酰氨基酚的检测

实验方法：采用循环伏安法，以znpc-rgo纳米复合物修饰的玻碳电极为工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝电极为对电极，在125mv/s扫速下，扫描电位范围0.2-0.9v，ph为7.0的0.2mol/l的磷酸缓冲盐(pbs)支持电介质中，实现了对对乙酰氨基酚的检测分析。

1、灵敏度

检测对乙酰氨基酚在不同电极修饰材料下的循环伏安图，实验方法如上，结果如图5所示。在图5中，a是对乙酰氨基酚在裸电极上的循环伏安图，b是对乙酰氨基酚在还原氧化石墨烯修饰电极上的循环伏安图，c是对乙酰氨基酚在四羟基酞菁锌-还原氧化石墨烯复合物修饰电极上的循环伏安图，由图可知，相对于裸电极，还原氧化石墨烯显著增强了其电化学信号，并且氧化电位也降低。而四羟基酞菁锌和还原氧化石墨的复合后，进一步大大提高了对乙酰氨基酚的电化学检测信号，说明该修饰电极可用于对乙酰氨基酚的高灵敏检测。

同时对该传感器对对乙酰氨基酚的检测特性分析，其中，对乙酰氨基酚的浓度分别为0.03、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、50.0、80.0、100.0、200.0、300.0、400.0、500.0、600.0、700.0、800.0μmol/l，结果如图6所示，以znpc-rgo纳米复合物修饰的玻碳电极为工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝电极为对电极，利用循环伏安法，在ph为7.0的0.2mol/l的pbs缓冲盐介质中实现了对对乙酰氨基酚0.03-100，100-800μmol/l的宽线性范围，检出限为10nmol/l的高灵敏检测。

2、重现性、稳定性

对该传感器对对乙酰氨基酚检测的重现性、稳定性及选择性进行了分析，实验采用循环伏安法，方法如上。结果表明，一天内连续6次对30μmol/l对乙酰氨基酚进行分析，检测氧化电流rsd％小于2.63％，三天内测定的氧化电流rsd％低于2.92％，说明对对乙酰氨基酚的检测实现了好的重现性。在该传感器避光放置7天后，再次检测，对对乙酰氨基酚的氧化还原电流信号，基本没有影响，在避光放置20天后，其检测信号仍能保持原有信号的98.8％，说明该传感器拥有很好的检测稳定性。

3、选择性

对500倍浓度(相比于30μmol/l对乙酰氨基酚)的无机离子(包括zn²⁺、al³⁺、k⁺、mg²⁺、so4^2-、cl^-)、葡萄糖、尿素、甘氨酸和2.5mg/ml牛血清蛋白对30μmol/l对乙酰氨基酚测定的影响进行分析，结果显示，氧化还原电流几乎没有变化，说明这些物质的存在对对乙酰氨基酚的检测基本没有影响。

对可能共存的有机化合物比如抗坏血酸(aa)、多巴胺(da)、芦丁(rutin)和尿酸(ua)等对30μmol/l对乙酰氨基酚测定的影响进行分析，其中，抗坏血酸浓度分别为0.9、1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3mmol/l，多巴胺浓度分别为60、120、180、240μmol/l，芦丁浓度分别为60、150、240、330μmol/l，尿酸浓度分别为125、250、375、500、625μmol/l，结果如图7所示，相比于对乙酰氨基酚浓度210倍的抗坏血酸，8倍的多巴胺，11倍的芦丁对对乙酰氨基酚的氧化电流基本没有影响，而20倍浓度以上的尿酸的存在可能对对乙酰氨基酚的氧化电流会产生影响，但尿酸在该传感器上属于不可逆反应，只有氧化峰，没有还原峰的存在，所以，当高浓度的尿酸存在时，可以利用还原峰电流对对乙酰氨基酚进行定量分析。所以，该传感器对对乙酰氨基酚的检测具有高度的选择性。