一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其步驟為：將泡沫鎳在H2和Ar氣氛下加熱到1000℃，引入高純度甲烷并保持10分鐘以吸附碳源，迅速冷卻至室溫從而得到鎳/石墨烯的三維網(wǎng)絡(luò)，將樣品放入濃鹽酸中腐蝕鎳模版得到自支撐石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)，通過電化學(xué)法在石墨烯表面均勻沉積銅顆粒并最終在K2S2O8和NaOH溶液中將銅氧化為氧化銅納米花，最后得到三維石墨烯氧化銅納米花生物傳感材料。本發(fā)明制備的傳感材料顯示了優(yōu)異的電化學(xué)傳感性能，能極為精準(zhǔn)的探測抗壞血酸，且原料廉價易得，工藝簡單，產(chǎn)率高，重復(fù)性好。
【專利說明】一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計一種超高靈敏度生物傳感材料，具體為三維石墨烯@氧化銅納米花核殼結(jié)構(gòu)電化學(xué)生物傳感材料及其在抗壞血酸探測中的應(yīng)用，屬于生物傳感及探測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)胞、細(xì)菌等很多微生物對其周圍的宏觀、微觀三維環(huán)境極其敏感，并且對于細(xì)胞而言，其正常代謝必需附著于一定的三維結(jié)構(gòu)上。在體外生物傳感、藥物載體、組織培養(yǎng)和生物電池研究突飛猛進(jìn)的今天，研究者希望通過模擬體內(nèi)環(huán)境的三維結(jié)構(gòu)來驗證其在體外的研究結(jié)果同樣適用于體內(nèi)的條件。尤其對于生物傳感領(lǐng)域，研究者希望在組織培養(yǎng)的同時能夠同步檢測環(huán)境中的待測物濃度。因此研制一種具有三維結(jié)構(gòu)的生物傳感材料迫在眉睫。
[0003]抗壞血酸也被稱為維生素C是一種常見的水溶性藥物被用來預(yù)防和治療多種疾病。抗壞血酸對人體代謝具有重要作用，它參與到增強(qiáng)人體鐵離子吸收、機(jī)體免疫細(xì)胞的正常機(jī)能和免疫應(yīng)答、維持細(xì)胞正常分化。所以對于抗壞血酸的探測具有很大的科研與社會意義。
[0004]石墨烯作為一種最新發(fā)現(xiàn)的二維材料，以其極大的比表面積，優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能，良好的生物相容性引起了全世界的關(guān)注，并已經(jīng)應(yīng)用到了生物傳感領(lǐng)域。但由于石墨烯的傳統(tǒng)生長方法的到的都是二維片狀材料，且此形貌不易改變也不具有自支撐性，這就限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。而三維石墨烯作為一種多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有望解決這一問題，成為一種理想的導(dǎo)電電極材料。氧化銅作為一種過度金屬氧化物最近收到了極大的關(guān)注，這都?xì)w功于其低廉的價格，簡便的合成方法，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和寬廣的氧化還原窗口。氧化銅常用催化、半導(dǎo)體、電池和傳感材料等領(lǐng)域。之前的研究證明氧化銅具有很好的電化學(xué)活性，有望取代天然的生物酶來用于抗壞血酸的探測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了提供一種超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的的制備方法，其設(shè)計方法和工藝簡單，重復(fù)性好，產(chǎn)率高。
[0006]本發(fā)明實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:
一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，所述生物傳感材料為三維石墨烯(3DGF)@氧化銅納米花核殼結(jié)構(gòu)，所述制備方法包括以下步驟:
1)一定體積的泡沫鎳經(jīng)乙醇、去離子水超聲清潔后得到三維石墨烯所需的模版；
2)將經(jīng)過步驟I)清潔的泡沫鎳負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。
[0007]3)向步驟2)的CVD管式爐的石英管中通入H2和Ar使管體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000C ；
4)向步驟3)的石英管通入甲烷氣體，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳@三維石墨烯； 5)將步驟4)所得放入3M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架；
6)將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以H2SO4和CuSO4為電解液進(jìn)行電鍍。
[0008]7)將步驟6)的電鍍產(chǎn)品浸入到K2S2O8和NaOH的溶液中并在水浴下保持5分鐘，得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
[0009]在采用上述技術(shù)方案的同時，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案:在所述步驟I)中，H2和Ar的物質(zhì)比例為H2/Ar=l:2。
[0010]在所述步驟2)中，通入甲烷的量為15sccm，溫度1000°C，保溫10分鐘。
[0011]在所述步驟6)中，電解液中H2SO4和CuSO4的物質(zhì)的量的比例為1: f 10:1。
[0012]在所述步驟6)中，電鍍電壓為-0.2V"-0.8V，電鍍時間為15s?120s。
[0013]在所述步驟7)中，K2S2OjP NaOH濃度比為1:20?1:100，溫度為70 °C?100。。。
[0014]本發(fā)明制備的生物傳感材料產(chǎn)品通過以下手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征:采用X射線衍射儀、拉曼激光光譜儀、透射電子顯微鏡選區(qū)電子衍射進(jìn)行樣品物相結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能的分析。采用場發(fā)射掃描電鏡獲得材料的微觀形貌的電鏡照片。
[0015]所述的電化學(xué)探測的測試條件為，在pH為6.5?9.0的PBS溶液中，以三維石墨烯@氧化銅納米花樣品為工作電極，以鉬絲為對電極，以甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2V為工作電壓測試時間-電流曲線，當(dāng)加入一定量的多巴胺后，測得的電流對照線性校準(zhǔn)曲線可得到多巴胺濃度。
[0016]本發(fā)明以甲烷為碳源，H2和Ar為保護(hù)氣制備三維石墨烯。CuSO4為銅源，硫酸為生長誘導(dǎo)劑，K2S2O8和NaOH為氧化劑在三維石墨烯表面沉積了均勻的生長了氧化銅納米花。所得的三維石墨烯@氧化銅納米花核殼結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的電化學(xué)催化活性，可以用于探測抗壞血酸。
[0017]本發(fā)明的研究采用化學(xué)氣相沉積法利用特殊模版生長三維石墨烯，并通過電化學(xué)沉積和化學(xué)氧化法均勻地將氧化銅納米花分散附著于其上，發(fā)明了一種超高靈敏度抗壞血酸電化學(xué)生物傳感材料，它具有自支撐的三維結(jié)構(gòu)、類抗壞血酸酶的催化性能和超高的電化學(xué)傳感性能。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出特點:本發(fā)明所用原料均為常用試劑，廉價易得，制備工藝簡單，周期短；其三維多孔結(jié)構(gòu)有利于提高活性表面積、電化學(xué)響應(yīng)性，固定催化劑，防止團(tuán)聚現(xiàn)象，且便于分離。所得材料件對抗壞血酸具有2.0emAmr1Cm-2的超高的靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花(左)和三維石墨烯(右)的宏觀照片。
[0020]圖2為實施例1所制備三維石墨烯掃描電子顯微鏡照片。
[0021]圖3-6為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花的由低倍到高倍的掃描電子顯微鏡照片。
[0022]圖7為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料的XRD圖譜。
[0023]圖8為實施例1所制備三維石墨烯O氧化銅納米花生物傳感材料的拉曼光譜和EDS能譜圖。
[0024]圖9為實施例1所制備三維石墨烯O氧化銅納米花、三維石墨烯、氧化銅的化學(xué)阻抗譜圖。
[0025]圖10為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花、三維石墨烯、氧化銅在
0.04mM抗壞血酸溶液中的CV電化學(xué)對照曲線(掃描速率為50mV/s)。
[0026]圖11為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料在0.04mM抗壞血酸溶液中不同掃面速率(10-60mV/s)CV電化學(xué)對照曲線。
[0027]圖12為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料在0，0.04mM抗壞血酸溶液中的CV電化學(xué)對照曲線(掃描速率為50mV/s)。
[0028]圖13為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料的電流-濃度校準(zhǔn)曲線及其與三維石墨烯和CuO/玻碳電極的對照曲線。
[0029]圖14為實施例1所制備三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料的特異性探測抗壞血酸試驗電流-時間曲線，其中干擾物包括多巴胺、尿酸、葡萄糖、果糖、氯化膽堿和氯化鈉。

【具體實施方式】
[0030]實施例1。
[0031]取4平方厘米泡沫鎳經(jīng)乙醇，去離子水超聲清潔后的得到三維石墨烯所需的模版。將清潔的泡沫鎳負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。向石英管中通入150sccm !12和3008(^111 Ar，使管體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000°C。通入15sccm純度在99%以上的甲烷氣體，并保持10分鐘，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳O三維石墨烯。將所得樣品放入3 M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4為電解液，在-0.40V條件下電鍍30秒。后將樣品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80°C水浴下保持5分鐘，并最終得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
[0032]將所得材料件用于電化學(xué)探測抗壞血酸:在pH為7.2的PBS溶液中，以三維石墨烯O氧化銅納米花樣品為工作電極，以鉬絲為對電極，以甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2V為工作電壓測試時間-電流曲線，當(dāng)加入一定量的抗壞血酸后，測得的電流對照線性校準(zhǔn)曲線可得到抗壞血酸濃度。
[0033]實施例2。
[0034]取100平方厘米泡沫鎳經(jīng)乙醇，去離子水超聲清潔后的得到三維石墨烯所需的模版。將清潔的泡沫鎳負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。向石英管中通入10008(^111!12和3000sccmAr，使管體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000°C。通入10sccm純度在99%以上甲烷氣體，并保持10分鐘，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳O三維石墨烯。將所得樣品放入3 M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4為電解液，在-0.40V條件下電鍍30秒。后將樣品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80°C水浴下保持5分鐘，并最終得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
[0035]將所得材料件用于電化學(xué)探測抗壞血酸:在pH為7.2的PBS溶液中，以三維石墨烯O氧化銅納米花樣品為工作電極，以鉬絲為對電極，以甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2V為工作電壓測試時間-電流曲線，當(dāng)加入一定量的抗壞血酸后，測得的電流對照線性校準(zhǔn)曲線可得到抗壞血酸濃度。
[0036]實施例3。
[0037]取4平方厘米泡沫鎳經(jīng)乙醇，去離子水超聲清潔后的得到三維石墨烯所需的模版。將清潔的泡沫鎳負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。向石英管中通入150sccmH2和300sccmAr，使管體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000°C。通入15sccm純度在99%以上甲烷氣體，并保持5分鐘，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳O三維石墨烯。將所得樣品放入3 M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4為電解液，在-0.40V條件下電鍍30秒。后將樣品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80°C水浴下保持5分鐘，并最終得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
[0038]將所得材料件用于電化學(xué)探測抗壞血酸:在pH為7.2的PBS溶液中，以三維石墨烯O氧化銅納米花樣品為工作電極，以鉬絲為對電極，以甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2V為工作電壓測試時間-電流曲線，當(dāng)加入一定量的抗壞血酸后，測得的電流對照線性校準(zhǔn)曲線可得到抗壞血酸濃度。
[0039]實施例4。
[0040]取4平方厘米泡沫鎳經(jīng)乙醇，去離子水超聲清潔后的得到三維石墨烯所需的模版。將清潔的泡沫鎳負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。向石英管中通入150sccmH2和300sccmAr，使管體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000°C。通入15sccm純度在99%以上甲烷氣體，并保持10分鐘，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳O三維石墨烯。將所得樣品放入3 M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2M H2SO4和0.01 M CuSO4為電解液，在-0.40V條件下電鍍30秒。后將樣品浸入到0.05 M K2S2O8和1.5 M NaOH溶液中并在80°C水浴下保持5分鐘，并最終得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
[0041]將所得材料件用于電化學(xué)探測抗壞血酸:在pH為7.2的PBS溶液中，以三維石墨烯O氧化銅納米花樣品為工作電極，以鉬絲為對電極，以甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2V為工作電壓測試時間-電流曲線，當(dāng)加入一定量的抗壞血酸后，測得的電流對照線性校準(zhǔn)曲線可得到抗壞血酸濃度。
[0042]實施例5。
[0043]取4平方厘米泡沫鎳經(jīng)乙醇，去離子水超聲清潔后的得到三維石墨烯所需的模版。將清潔的泡沫鎳負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。向石英管中通入150sccmH2和300sccmAr，使腔體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000°C。通入15sccm純度在99%以上甲烷氣體，并保持10分鐘，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳O三維石墨烯。將所得樣品放入3 M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.1 M H2SO4和0.01 M CuSO4為電解液，在-0.50V條件下電鍍60秒。后將樣品浸入到0.1 M K2S2O8和2 M NaOH溶液中并在80°C水浴下保持5分鐘，并最終得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
[0044]將所得材料件用于電化學(xué)探測抗壞血酸:在pH為7.2的PBS溶液中，以三維石墨烯@氧化銅納米花樣品為工作電極，以鉬絲為對電極，以甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以0.2V為工作電壓測試時間-電流曲線，當(dāng)加入一定量的抗壞血酸后，測得的電流對照線性校準(zhǔn)曲線可得到抗壞血酸濃度。
[0045]從圖1-6可以看出，三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料具有較大的比表面積，含有大量的微米級孔洞，且排列較為規(guī)則。并無斷裂破損情況，對氧化銅納米花有很好的固定作用。氧化銅納米花直徑約為400nm，排列取向規(guī)則，并無團(tuán)聚現(xiàn)象，形成均勻分布于三維石墨烯表面的納米花陣列。
[0046]從圖7-8可以看出，制備樣品的XRD、拉曼和EDS圖譜無雜峰，說明樣品的純度高。
[0047]從圖9-14可以直觀地看出，制備的三維石墨烯@氧化銅納米花相比三維石墨烯或氧化銅獨立樣品有更高的電化學(xué)活性，更高的線性探測范圍和靈敏度，且具有很好的對抗壞血酸的探測特異性。
【權(quán)利要求】
1.一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其特征在于:所述生物傳感材料為三維石墨烯O氧化銅納米花核殼結(jié)構(gòu)，所述制備方法包括以下步驟:1)一定體積的泡沫鎳經(jīng)乙醇、去離子水超聲清潔后得到三維石墨烯所需的鎳模版；2)將經(jīng)過步驟I)所得的鎳模版負(fù)載于石英舟中，送入CVD管式爐并保證氣密性。 3)向步驟2)的CVD管式爐的石英管中通入H2和Ar使管體內(nèi)氣壓達(dá)到大氣壓并在I小時內(nèi)升溫到1000C ； 4)向步驟3)的石英管通入高純甲烷，后關(guān)閉甲烷氣體在10分鐘內(nèi)快速冷卻到室溫，得到鎳@三維石墨烯； 5)將步驟4)所得放入3M HCl溶液中在80°C保溫3小時去除鎳模版得到三維自支撐石墨烯框架； 6)將三維石墨烯為工作電極，鉬絲為對電極，甘汞電極為參比電極接入電化學(xué)工作站，以H2SO4和CuSO4為電解液進(jìn)行電鍍。 7)將步驟6)的電鍍產(chǎn)品浸入到K2S2O8和NaOH的溶液中并在水浴下保持5分鐘，得到三維石墨烯@氧化銅納米花生物傳感材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其特征在于:在所述步驟I)中，H2和Ar的物質(zhì)比例為H2/Ar=l:2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其特征在于:在所述步驟2)中，通入甲烷的量為15sCCm，溫度1000°C，保溫10分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其特征在于:在所述步驟6)中，電解液中H2SO4和CuSO4的物質(zhì)的量的比例為1: f 10:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其特征在于:在所述步驟6)中，電鍍電壓為-0.2V'0.8V，電鍍時間為15s?120s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型超高靈敏度抗壞血酸生物傳感材料的制備方法，其特征在于:在所述步驟7)中，K2S2Oi^P NaOH濃度比為1:20?1:100，溫度為70°C?100。。。
【文檔編號】G01N27/327GK104280439SQ201410524566
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】黃靖云, 馬曄, 蔡斌, 葉志鎮(zhèn) 申請人:浙江大學(xué)