專利名稱：一種富集檢測1-羥基芘于一體的電化學傳感器電極及制備方法
技術領域：
本發明屬于傳感器領域，涉及一種用于富集檢測1-羥基芘于一體的電化學傳感器電極及制備方法。
背景技術：
多環芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)是一類典型的持久性有機污染物，廣泛分布于大氣、水、土壤中，是重要的環境和食品污染物，長時間暴露可誘發肺癌、皮膚癌等癌癥，已被各國列為優先控制的污染物。1-羥基芘是一種普遍存在的PAHs代謝產物，大量實驗表明1-羥基芘(1-0HP)的濃度與人體接觸PAHs劑量之間具有明顯的劑量-效應關系，因此1-0HP作為PAHs暴露的生物標志物來綜合評價人體對PAHs多途徑的內暴露情況及風險程度已被國際研究廣泛接受。然而當前我國對PAHs的研究主要集中在環境中PAHs的含量測定，而對人體PAHs 暴露水平評價研究卻寥寥無幾，1-0HP的檢測技術是主要制約因素。從文獻分析來看，1-0HP 的檢測技術存在以下兩方面問題一是缺乏對1-0HP具有選擇性的富集材料；其二是1-0HP 的檢測方法。在選擇性富集材料方面，目前絕大多數研究采用C18小柱固相萃取，該方法雖然在一定程度上能提高檢測水平，但缺乏選擇性。為了提高選擇性，通過制備OH-PAHs的抗體，利用免疫親和柱富集技術，可在一定程度上提高吸附選擇性，但假陽性和較高的費用問題使得抗體制備未能實際應用。在1-0HP檢測方面，目前主要有高效液相色譜-熒光檢測器法、同步熒光法、液質 /氣質聯用法、化學發光酶免疫測定法及酶聯免疫分析法。高效液相色譜-熒光檢測器法、 同步熒光法、液質/氣質聯用法雖然靈敏度高，但樣品前處理復雜、耗時長。更重要的是這些儀器價格高昂，分析方法要求的門檻過高，使這些方法難以普及。而化學發光酶免疫測定法及酶聯免疫分析法由于酶本身的不穩定性，復雜樣品受干擾，檢測準確度不高。
發明內容
本發明的目的之一在于針對現有技術的不足，提供一種基于氧化石墨烯-籠狀六面倍半硅氧烷復合膜修飾電極用于1-羥基芘選擇性富集并原位測定的電化學傳感器電極。本發明的另一個目的在于提供一種基于氧化石墨烯-籠狀六面倍半硅氧烷復合膜修飾電極用于富集檢測ι-羥基芘的電化學傳感器電極的制備方法。本發明的這些目的將通過下列詳細描述和說明來進一步體現和闡述。石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，是其它所有維度石墨材料的基本構建模塊，是繼碳納米管發現后碳家族又一納米級功能性材料。據悉石墨烯是目前已知導電性能最出色的材料，其良好的導電性能及宏觀隧道效應能使其成為固定化物和電極之間有效的電子介體，可以提高傳感器的靈敏度和響應電流，縮短響應時間，提高檢出限，因此石墨烯在傳感器領域具有很大的應用前景。另外，石墨烯含有大量的η體系，因此可以通過η-η 堆積作用與其他的η體系(如ι-羥基芘)很好地結合在一起，從而達到高效、選擇性的富集吸附效果。除此之外，石墨烯還具有超大的比表面積，因此具有很大的吸附容量。氧化石墨烯是石墨烯重要的派生物，除了與石墨烯一致的性質外，由于其表面連有大量的羥基、羧基、環氧基等官能團，因而具有更好的分散性、親水性和兼容性。此外，石墨烯類物質的制備成本較低，這為其實際應用提供了很好的基礎。本發明主要通過可控復合的方法在電極上制備1-羥基芘的富集材料，形成氧化石墨烯-籠狀六面倍半硅氧烷復合膜修飾電極，采用電化學傳感技術對1-羥基芘進行原位測定。技術方案發明的目的是通過下述技術方案來實現的1、氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極的制備方法，制備步驟如下(1)將氧化石墨加到水或堿性溶液中超聲分散，形成以單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液，備用；(2)選擇合適的聚陽離子電解質配制成水溶液，將支撐體電極進行預處理，然后浸入到聚陽離子電解質中，使支撐體電極表面帶上正電荷；(3)將經上述步驟處理后帶上正電荷的支撐體電極反復交替浸泡氧化石墨烯溶液和籠狀六面體倍半硅氧烷溶液(1-100次)，即可得到氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極。2、氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極原位電化學傳感1-羥基芘，其步驟如下(1)將制備好的氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極浸泡于含有 1-羥基芘的溶液中，通過η-η堆積作用達到富集1-羥基芘的效果。(2)以富集1-羥基芘后的氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極為工作電極，以Ag/AgCl電極或甘汞電極為參比電極，鉬絲電極為對電極構筑三電極體系，利用電化學工作站對1-羥基芘進行測定。其中所述的氧化石墨烯溶液濃度為0. 01-5mg/mL,籠狀六面體倍半硅氧烷溶液濃度為 0. 01-5mg/mL。其中所述的聚陽離子電解質為聚烯丙基胺鹽、聚二丙烯基二甲基氯化銨、聚聯丙烯基二甲基銨氯化物、聚乙烯醇、膠原、殼聚糖、多聚賴氨酸或聚乙烯基亞胺鹽酸鹽中的一種或其中任意兩種的混合物。聚陽離子電解質配制成水溶液，濃度為0. l-2wt%，支撐體電極在其水溶液中浸泡時間為l-30min。其中所述的支撐體電極交替浸泡氧化石墨烯溶液和籠狀六面體倍半硅氧烷溶液的優選重復次數為5-40次，在氧化石墨烯溶液和籠狀六面體倍半硅氧烷溶液中的浸泡時間分別為2-60min。其中所述的氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極浸泡于含有 1-羥基芘的溶液中吸附的時間為5-60min。
其中所述的支撐體電極為玻碳電極、石墨電極、鉛筆芯電極或碳糊電極。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)充分利用以單片層穩定存在的氧化石墨烯的超大比表面積提高對1-羥基芘的電催化活性及吸附能力；(2)利用氧化石墨烯表面上所含羥基、羧基等含氧基團形成結合位點，通過靜電吸附作用與帶正電荷的籠狀六面體倍半硅氧烷支撐骨架有機結合在一起，形成氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜，使得復合電極材料的各項性能大大提高，尤其是提高了傳感器的靈敏度；(3)本發明基于靜電層層自組裝技術，其成膜驅動力來源于正負電荷之間的靜電吸附作用，以離子鍵相互結合，作用力較強，可以通過控制循環交替浸泡成膜的次數及成膜材料濃度來控制膜厚，真正達到從分子水平上對膜材料和膜結構的控制；(4)利用氧化石墨烯表面所含π體系，通過π-π堆積作用可將其他η體系物質，如ι-羥基芘牢牢吸附達到富集作用，從而有效降低了檢測限，提高了靈敏度及其穩定性。(5)本發明制備的復合膜，結合了氧化石墨烯、籠狀六面體倍半硅氧烷以及納米材料的特性，且所需成本較低。(6)本發明修飾電極具有優異的電催化性能。在富集1-羥基芘后，對1-羥基芘的峰電流響應很高，是裸玻碳電極峰電流響應的125倍，如此高的峰電流響應在其他修飾電極上是看不到的。(7)檢測過程簡單，靈敏度高。
圖1為不同循環次數所得到氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜的紫外圖
■i並曰ο圖2為所制得的氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極對不同濃度 1-羥基芘的差分脈沖伏安曲線圖，其中橫坐標為電化學掃描電位(E/V vs Ag/AgCl)，縱坐標為相應電位下的響應電流(單位為μΑ)。圖3為所制得的氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極對不同濃度 1-羥基芘的響應曲線圖，其中橫軸代表1-羥基芘的濃度(單位為μΜ)，縱軸代表電流響應強度(單位為μ A)實施例1 1、氧化石墨烯的合成稱取150mg多壁碳納米管(麗CNTs)于150mL&H2S04中，超聲懸浮。然后加入750mg KMnO4，室溫下攪拌Ih后60°C水浴加熱，直至反應完全得到棕褐色產物。當反應接近完全或完全時將溫度提高至70°C，待溫度穩定后將反應物拿出，冷卻至室溫，然后倒入400mL含有 5mL30% H2O2的冰中以終止反應。放入離心機，在6，OOOrpm轉速下離心lOmin，去上清后用 150mL超純水溶解，然后磁攪拌30min、超聲20min后加入30mL 20%的HCl使其絮凝沉淀。 將該絮凝物放入離心機，在6，OOOrpm轉速下離心lOmin，去上清后用150mL無水乙醇溶解， 然后磁攪拌30min、超聲20min后加入150mL無水乙醚。放入離心機，在10，OOOrpm轉速下離心lOmin，上清液用0. 45 μ m PTFE膜過濾，離心沉淀物及過濾后固體用50mL無水乙醚洗兩次。最后將無水乙醚揮發后于40°C真空干燥箱內干燥12h，干燥器內保存待用。取一定量所得產物分散于水或堿性溶液中，然后超聲 10-120min,使氧化產物片層剝落，即可獲得穩定的氧化石墨烯分散液。2、籠狀六面體倍半硅氧烷的合成在劇烈攪拌條件下，將20mL3_氨丙基三乙氧基硅烷與160mL甲醇混合。混合均勻后，加入27mL濃鹽酸(36. 5%)0然后，在室溫下攪拌一周直到籠狀六面體倍半硅氧烷-NH3+ 沉淀為白色粉末狀后停止反應。所得到的產物先過濾，然后用冰甲醇清洗，真空干燥箱內干燥。最后再用熱甲醇對其進行重結晶，真空干燥后干燥器內保存待用。3、裸電極的處理在使用之前，玻碳電極依次用4000目砂紙和1. 0,0. 3,0. 05 μ m的氧化鋁漿拋光， 然后用無水乙醇和超純水超聲清洗，隨后用氮氣中吹干備用。4、氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極的制備(1)將氧化石墨烯加到氨水中超聲分散10-120min，形成以單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液(lmg/mL)，備用；(2)將處理好的玻碳電極放入Iwt % PDDA的0. 5mol/L NaCl溶液中浸泡20min，取出后用大量超純水仔細沖洗并紅外燈下晾干；(3)電極反復交替浸泡氧化石墨烯溶液(lmg/mL，30min)和籠狀六面體倍半硅氧烷水溶液(lmg/mL，30min) 20次，即可得到20層厚的氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極。其中，在每次換浸泡溶液之前需用超純水沖洗，以除去未吸附的氧化石墨烯或籠狀六面體倍半硅氧烷。5、基于氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極的富集檢測1-羥基芘將氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極置于1-羥基芘溶液中吸附40min后，在50mM pH = 2. O的含0. 2M NaOH的磷酸鹽緩沖液中，用CHI660c電化學工作站以三電極系統(氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾玻碳電極為工作電極，鉬絲電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極)，在-0.3 0. 8V范圍內進行差分脈沖伏安法(DPV)測定。與裸玻碳電極相比，氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極對1-羥基芘有著不同尋常的電催化能力，且對1-羥基芘具有很強的吸附能力。在 0. 1 12. 55 μ M范圍內1-羥基芘的峰電流值與其濃度之間具有良好的線性關系，檢測限為 0. 04 μ Mo用氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜電化學傳感器對1-羥基芘反復測定13次，峰電流值幾乎沒發生變化，說明電極的重現性良好。實施例2 將氧化石墨烯和籠狀六面體倍半硅氧烷分別配制成0. 5mg/mL的水溶液，用超聲儀超聲助溶；預處理好的玻碳電極于0. 5wt% PDDA的1. Omol/L NaCl溶液中浸泡15min， 取出后用大量超純水仔細沖洗并紅外燈下晾干；然后，電極反復交替浸泡氧化石墨烯溶液 (30min)和籠狀六面體倍半硅氧烷水溶液(30min)25次。實施例3 將氧化石墨烯和籠狀六面體倍半硅氧烷分別配制成2. Omg/mL的水溶液，用超聲儀超聲助溶；預處理好的玻碳電極于1. 5wt% PDDA的0. 5mol/L NaCl溶液中浸泡30min，取出后用大量超純水仔細沖洗并于紅外燈下晾干；然后，電極反復交替浸泡氧化石墨烯溶液 (45min)和籠狀六面體倍半硅氧烷水溶液(45min) 15次。
權利要求
1.一種富集檢測1-羥基芘于一體的電化學傳感器電極，其特征在于基于石墨烯復合材料修飾電極，包括支撐體電極、聚陽離子電解質和石墨烯復合物修飾膜，其中石墨烯復合物膜為氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合物，復合物的層數為1-100層。
2.如權利要求1中所述的一種富集檢測1-羥基芘于一體的電化學傳感器電極，其特征在于(1)氧化石墨烯提供大η體系；(2)籠狀六面體倍半硅氧烷作為建立三維骨架結構的支撐體，避免氧化石墨烯團聚，并且保持氧化石墨烯大比表面積；(3)1-羥基芘通過π-π堆積與氧化石墨烯發生相互作用，從而起到富集效果，吸附時間為 5-60min。(4)利用1-羥基芘的電活性，對通過π-π堆積作用富集在氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極上的1-羥基芘進行電化學原位檢測。
3.一種氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極的制備方法，制備步驟如下(1)將氧化石墨加到水或堿性溶液中超聲分散，形成以單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液，備用；(2)選擇合適的聚陽離子電解質配制成水溶液，將支撐體電極進行預處理，然后浸入到聚陽離子電解質中，使支撐體電極表面帶上正電荷；(3)將經上述步驟處理后帶上正電荷的支撐體電極反復交替浸泡氧化石墨烯溶液和籠狀六面體倍半硅氧烷溶液(1-100次)，即可得到氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極。
4.如權利要求3中所述的制備方法，其特征在于所述的聚陽離子電解質為聚烯丙基胺鹽、聚二丙烯基二甲基氯化銨、聚聯丙烯基二甲基銨氯化物、聚乙烯醇、膠原、殼聚糖、多聚賴氨酸或聚乙烯基亞胺鹽酸鹽中的一種或其中任意兩種的混合物。
5.如權利要求3中所述的制備方法，其特征在于所述的聚陽離子電解質配制成水溶液，濃度為0. l-2wt%，支撐體電極在其水溶液中浸泡時間為l-30min。
6.如權利要求3中所述的制備方法，其特征在于所述的支撐體電極為玻碳電極、石墨電極、鉛筆芯電極或碳糊電極。
7.如權利要求3中所述的制備方法，其特征在于所述的氧化石墨烯溶液濃度為 0. 01-5mg/mL，籠狀六面體倍半硅氧烷溶液濃度為0. 01-5mg/mL。
8.如權利要求3中所述的制備方法，其特征在于所述的支撐體電極交替浸泡氧化石墨烯溶液和籠狀六面體倍半硅氧烷溶液的優選重復次數為5-40次，得到氧化石墨烯-籠狀六面體倍半硅氧烷復合膜修飾電極。
9.如權利要求3中所述的制備方法，其特征在于所述的支撐體電極交替在氧化石墨烯溶液和籠狀六面體倍半硅氧烷溶液中的浸泡時間分別為2-60min。
全文摘要
本發明涉及一種富集檢測1-羥基芘于一體的電化學傳感器電極及制備方法。采用籠狀六面體倍半硅氧烷作為氧化石墨烯三維空間結構的支撐骨架，在電極上通過靜電層層自組裝技術實現可控合成石墨烯/六面體倍半硅氧烷三維立體復合材料，以避免石墨烯團聚同時提高復合材料的比表面積，通過π-π共軛集聚作用實現對1-羥基芘的選擇性富集，采用電化學傳感技術進行1-羥基芘的原位測定。該電極融1-羥基芘的富集、檢測于一體，具有使用方便、穩定性好、靈敏度高、成本低等優點。
文檔編號G01N27/333GK102305821SQ20111014169
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者崔燕, 龐月紅, 李朝霞, 沈曉芳 申請人:江南大學