本發(fā)明屬于無機材料合成及應用技術領域，具體涉及一種簡便制備CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的制備方法及其應用。

背景技術：

快速高靈敏地分析檢測葡萄糖在臨床診斷糖尿病領域具有重要的研究意義，而在許多檢測葡萄糖的方法中，電化學分析法因為高效、靈敏和操作簡便成為研究的熱點之一。電化學方法檢測葡萄糖分為無酶傳感器和有酶傳感器，1962年文獻報道了第一例有酶葡萄糖生物傳感器，自此以后，具有高選擇性和高靈敏度的酶型葡萄糖電化學傳感器受到科研工作者的關注，但隨著研究的推進，人們發(fā)現(xiàn)由于酶的活性容易受到環(huán)境酸度、溫度以及濕度的影響，導致傳感器的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性下降，并且酶的價格昂貴，酶修飾電極的組裝也比較復雜，從而阻礙了酶型傳感器的進一步發(fā)展。因此，需要大力研發(fā)無酶傳感器以克服上述缺陷。在早期的無酶傳感器中，很多貴金屬及其合金材料被用于構建各種不同的電化學傳感器檢測葡萄糖。然而，這些傳感器的檢測靈敏度較低，選擇性不好而且有些原材料成本高昂。目前，人們正在利用一些具有特殊性質的納米材料制備新型的無酶傳感器。其中，易于制備、原料價格低廉的鈷的硫化物納米材料進入了人們的視線。有研究表明，鈷基納米材料可通過Co³⁺/Co²⁺電對在修飾電極表面加快目標分子和基質之間的電子傳遞速率，從而在電化學催化、鋰離子電池、超級電容器以及太陽能電池等領域中具有良好的應用前景。

為了進一步改善金屬硫化物納米材料的導電性、生物相容性以及靈敏度，近年來，有科學工作者嘗試把納米材料與金屬硫化物納米材料復合，通過它們之間的協(xié)同作用來提高單一納米材料的性能，已經用于電化學傳感并取得了顯著的研究成果。所以，金屬硫化物納米復合材料成為一個有巨大潛力的研究方向之一。石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的一種新型納米材料，它由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有比表面積大、導電性強和機械強度高等獨特性質。研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯中摻雜氮可進一步改變石墨烯的表面結構，顯著提高電子的活性以及電子給予體性能，從而成為其它納米材料的優(yōu)良載體。到目前為止，具備優(yōu)良特性的氮摻雜石墨烯摻雜納米硫化物復合材料開發(fā)用于葡萄糖電化學分析的文獻未見報道，而且以往的硫化物/氮摻雜石墨烯復合材料制備條件苛刻，過程較為復雜。因此本發(fā)明旨在通過工藝簡單、條件溫和、環(huán)境友好的方法制備CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料并構筑葡萄糖電化學傳感器，增強傳感器界面與葡萄糖分子的結合能力或生物相容性，進而提高檢測葡萄糖的靈敏度與選擇性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的電化學分析法測定葡萄糖技術中修飾劑合成方法復雜，試劑價格昂貴，提純分離困難、電化學傳感器的靈敏度和選擇性差，線性響應范圍窄，檢測限過高等缺點，通過簡單的兩步反應法，較少的試劑用量，溫和的反應條件，合成分離出新型電化學反應催化劑材料—CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料，以期運用該材料實現(xiàn)高效高選擇性電化學法分析檢測葡萄糖。

為了解決以上技術目的，本發(fā)明是通過以下技術方案予以實現(xiàn)的。

本發(fā)明一種CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料是通過以下步驟予以制備的：

(1)將氧化石墨烯超聲分散于二次蒸餾水中，采用氨水調節(jié)石墨烯分散液的pH達到9～11，然后加入水合肼于50～80℃加熱回流12～24小時，產物離心分離，分別用二次水和乙醇洗滌并在15～30℃下真空干燥12～24小時后得到氮摻雜石墨烯材料。

所述氧化石墨烯與水合肼的質量比為1:1.5～3.0。

(2)將步驟(1)制備的氮摻雜石墨烯材料超聲分散均勻后添加六水合硝酸鈷和L-半胱氨酸后攪拌混勻并轉移至反應釜中，于溫度為180～220℃條件下水熱反應24～36小時。反應結束后離心分離，將所得沉淀用二次蒸餾水和乙醇多次洗滌并放入真空干燥箱于15～30℃下干燥12～24小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

所述氮摻雜石墨烯與六水合硝酸鈷以及L-半胱氨酸的質量比為1:8～16:16～32。

進一步的，所述氮摻雜石墨烯與六水合硝酸鈷以及L-半胱氨酸的質量比為1:10:20。

上述制備的CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料可構建電化學傳感器在葡萄糖電化學分析中加以應用。

本發(fā)明的科學原理：

本文采用熱穩(wěn)定性好、機械性能和導電性高、生物相容性強的氮摻雜石墨烯為支撐材料，通過簡單的水熱反應負載比表面積大和電子傳遞速率快的金屬硫化物納米材料，充分利用兩者之間的協(xié)同作用制備出電催化性能比單一材料強的修飾劑材料—CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料，利用該復合材料構筑的電化學傳感器分析檢測葡萄糖快速靈敏，選擇性高，穩(wěn)定性和再現(xiàn)性強，檢測線性范圍較寬，檢測限較低，可推廣用于生物或藥物分子電化學傳感領域。

本發(fā)明與電化學分析法測定葡萄糖過程中使用的其它修飾劑材料的合成方法和應用相比，具有以下技術效果：

1、制備方法簡單，無需復雜的儀器設備，試劑用量少，耗能少；主要反應在水相中進行，對環(huán)境友好；

2、反應條件比較溫和，節(jié)能減耗；制備后處理過程簡單，易于分離提純；

3、CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料構筑的電化學傳感器能夠實現(xiàn)對葡萄糖的快速響應和測定，并且線性檢測范圍較寬，檢測限較低；

4、其它可能共存的物質對葡萄糖的測定無干擾，而且CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料構筑的電化學傳感器穩(wěn)定性和再現(xiàn)性好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的制備及對葡萄糖的電化學測定原理圖。

圖2為氮摻雜石墨烯(A)、CoS₂(B)以及CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料(C)的掃描電鏡圖。

圖3為氮摻雜石墨烯、CoS₂以及CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的XRD圖。

圖4為葡萄糖分別在裸玻碳電極(A)、氮摻雜石墨烯修飾玻碳電極(B)、CoS₂修飾玻碳電極(C)以及CoS₂/氮摻雜石墨烯修飾玻碳電極(D)上的循環(huán)伏安曲線圖(0.1M NaOH溶液中)。

圖5為不同濃度的葡萄糖在CoS₂/氮摻雜石墨烯修飾玻碳電極上的計時電流曲線圖(0.1M NaOH溶液中)。

圖6為采用計時電流法研究各種可能的共存物質對葡萄糖測定的干擾圖。

具體實施方式

本發(fā)明的實質特點和顯著效果可以從下述的實施例中得以體現(xiàn)，但它們并不對本發(fā)明作任何限制，本領域的技術人員根據本發(fā)明的內容做出一些非本質的改進和調整，均屬于本發(fā)明的保護范圍。下面通過具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明，其中實施例中CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料采用荷蘭Philips X’Pert型X-射線粉末衍射儀(XRD)和日本日立公司F-4800電子掃描電鏡(SEM)表征形貌；電化學實驗全部在上海辰華儀器公司組裝的CHI660E電化學工作站上完成，實驗采用三電極體系(即玻碳電極或CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料修飾玻碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極)。

本發(fā)明所提供的一種兩步法簡便制備CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的方法以及對葡萄糖的電化學測定過程如圖1所示，其合成路線中第一步反應是采用水合肼與片狀氧化石墨烯在水相中加熱回流反應，然后二次水和乙醇洗滌多次并真空干燥制備氮摻雜石墨烯材料；第二步直接將六水合硝酸鈷和和助劑L-半胱氨酸加入氮摻雜石墨烯分散液中采用水熱反應制備CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料粗產品，離心、二次水和乙醇多次洗滌、真空干燥后得最終目標產物。最后將所制得的復合材料采用涂覆法修飾至玻碳電極上研究了對葡萄糖的電化學催化作用并進行了對葡萄糖的分析檢測。

一、本發(fā)明CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的制備方法

實施例1

(1)稱取50mg片狀氧化石墨烯于50mL二次蒸餾水中，超聲1小時使其分散成均一的溶液，用氨水(wt，30％)將石墨烯分散液調節(jié)至pH約為9。加入1.2mL水合肼(wt，85％)并攪拌10分鐘，將所得的混合溶液于80℃下冷凝回流12小時。反應結束后，離心分離后用二次水和乙醇洗滌多次，最后將離心產物在真空干燥箱中于25℃干燥16小時制得氮摻雜石墨烯粉末。

(2)稱取25mg氮摻雜石墨烯粉末于50mL的二次水中，超聲30分鐘，使其均勻分散后加入200mg六水合硝酸鈷和400mg L-半胱氨酸，繼續(xù)超聲15分鐘并攪拌使其全部溶解，之后將溶液轉移到100mL反應釜中，設定溫度為180℃，水熱反應24小時。反應結束后，將所得沉淀用二次水和乙醇多次洗滌并離心分離，粗產品放入真空干燥箱中于15℃干燥24小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

實施例2

(1)稱取50mg片狀氧化石墨烯于50mL二次蒸餾水中，超聲1小時使其分散成均一的溶液，用氨水(wt，30％)將石墨烯分散液調節(jié)至pH約為10。加入1.0mL水合肼(wt，85％)并攪拌12分鐘，將所得的混合溶液于70℃下冷凝回流16小時。反應結束后，離心分離后用二次水和乙醇洗滌多次，最后將離心產物在真空干燥箱中于于30℃干燥12小時制得氮摻雜石墨烯粉末。

(2)稱取25mg氮摻雜石墨烯粉末于50mL的二次水中，超聲30分鐘，使其均勻分散后加入250mg六水合硝酸鈷和500mg L-半胱氨酸，繼續(xù)超聲15分鐘并攪拌使其全部溶解，之后將溶液轉移到100mL反應釜中，設定溫度為200℃，水熱反應20小時。反應結束后，將所得沉淀用二次水和乙醇多次洗滌并離心分離，粗產品放入真空干燥箱中于20℃干燥18小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

實施例3

(1)稱取50mg片狀氧化石墨烯于50mL二次蒸餾水中，超聲1小時使其分散成均一的溶液，用氨水(wt，30％)將石墨烯分散液調節(jié)至pH約為11。加入1.4mL水合肼(wt，85％)并攪拌12分鐘，將所得的混合溶液于60℃下冷凝回流20小時。反應結束后，離心分離后用二次水和乙醇洗滌多次，最后將離心產物在真空干燥箱中于于20℃干燥20小時制得氮摻雜石墨烯粉末。

(2)稱取25mg氮摻雜石墨烯粉末于50mL的二次水中，超聲30分鐘，使其均勻分散后加入300mg六水合硝酸鈷和600mg L-半胱氨酸，繼續(xù)超聲15分鐘并攪拌使其全部溶解，之后將溶液轉移到100mL反應釜中，設定溫度為220℃，水熱反應18小時。反應結束后，將所得沉淀用二次水和乙醇多次洗滌并離心分離，粗產品放入真空干燥箱中于25℃干燥15小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

實施例4

(1)稱取50mg片狀氧化石墨烯于50mL二次蒸餾水中，超聲1小時使其分散成均一的溶液，用氨水(wt，30％)將石墨烯分散液調節(jié)至pH約為9。加入1.2mL水合肼(wt，85％)并攪拌10分鐘，將所得的混合溶液于60℃下冷凝回流20小時。反應結束后，離心分離后用二次水和乙醇洗滌多次，最后將離心產物在真空干燥箱中于于15℃干燥24小時制得氮摻雜石墨烯粉末。

(2)稱取25mg氮摻雜石墨烯粉末于50mL的二次水中，超聲30分鐘，使其均勻分散后加入250mg六水合硝酸鈷和500mg L-半胱氨酸，繼續(xù)超聲15分鐘并攪拌使其全部溶解，之后將溶液轉移到100mL反應釜中，設定溫度為180℃，水熱反應36小時。反應結束后，將所得沉淀用二次水和乙醇多次洗滌并離心分離，粗產品放入真空干燥箱中于30℃干燥12小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

實施例5

(1)稱取50mg片狀氧化石墨烯于50mL二次蒸餾水中，超聲1小時使其分散成均一的溶液，用氨水(wt，30％)將石墨烯分散液調節(jié)至pH約為9。加入1.6mL水合肼(wt，85％)并攪拌15分鐘，將所得的混合溶液于50℃下冷凝回流24小時。反應結束后，離心分離后用二次水和乙醇洗滌多次，最后將離心產物在真空干燥箱中于于25℃干燥16小時制得氮摻雜石墨烯粉末。

(2)稱取25mg氮摻雜石墨烯粉末于50mL的二次水中，超聲30分鐘，使其均勻分散后加入350mg六水合硝酸鈷和700mg L-半胱氨酸，繼續(xù)超聲15分鐘并攪拌使其全部溶解，之后將溶液轉移到100mL反應釜中，設定溫度為200℃，水熱反應20小時。反應結束后，將所得沉淀用二次水和乙醇多次洗滌并離心分離，粗產品放入真空干燥箱中于15℃干燥24小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

實施例6

(1)稱取50mg片狀氧化石墨烯于50mL二次蒸餾水中，超聲1小時使其分散成均一的溶液，用氨水(wt，30％)將石墨烯分散液調節(jié)至pH約為11。加入1.2mL水合肼(wt，85％)并攪拌10分鐘，將所得的混合溶液于80℃下冷凝回流12小時。反應結束后，離心分離后用二次水和乙醇洗滌多次，最后將離心產物在真空干燥箱中于于30℃干燥12小時制得氮摻雜石墨烯粉末。

(2)稱取25mg氮摻雜石墨烯粉末于50mL的二次水中，超聲30分鐘，使其均勻分散后加入250mg六水合硝酸鈷和500mg L-半胱氨酸，繼續(xù)超聲15分鐘并攪拌使其全部溶解，之后將溶液轉移到100mL反應釜中，設定溫度為220℃，水熱反應18小時。反應結束后，將所得沉淀用二次水和乙醇多次洗滌并離心分離，粗產品放入真空干燥箱中于20℃干燥20小時即得CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料。

二、本發(fā)明CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料對葡萄糖的電化學催化效果評價

以目標產物以及氮摻雜石墨烯和CoS₂作為電極修飾材料通過簡單的涂覆法制備成修飾玻碳電極，并研究了對葡萄糖分子的電化學催化響應效果。

(1)采用電子掃描電鏡分別對氮摻雜石墨烯、CoS₂以及CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的形貌做了表征(如圖2所示)，由圖可知氮摻雜石墨烯呈波浪狀(圖2A)，且表面有很多如同紙狀的皺褶結構。CoS₂納米材料(圖2B)的顆粒大小均勻，納米顆粒形貌較為規(guī)則，當CoS₂成功負載至氮摻雜石墨烯復合材料表面后，分布相對均勻(圖2C)。本研究還采用X射線粉末衍射儀對氮摻雜石墨烯、CoS₂以及CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料進行了物相分析。如圖3所示，氮摻雜石墨烯在24°左右有一個寬峰，該峰對應著氮摻雜石墨烯的(002)衍射峰。CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料在2θ為28.11°、32.46°、36.42°、39.88°、46.53°、55.10°、60.35°和62.91°分別對應著CoS₂(JCPDS No.89-3056)的111、200、210、220、311、222、230和321晶面衍射峰。另外，X射線粉末衍射圖譜中并沒有檢測出其他的雜質峰，表明CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料的純度較高。

(2)實驗利用循環(huán)伏安法分別研究了裸玻碳電極、氮摻雜石墨烯修飾電極、CoS₂修飾電極以及CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料修飾電極對葡萄糖的電化學催化響應效果，如圖4所示?？梢钥闯銎咸烟欠肿釉诼悴Ｌ夹揎楇姌O上幾乎沒有響應(圖4A)，修飾電極上負載氮摻雜石墨烯后對葡萄糖分子產生微弱的電流響應，但是氮摻雜石墨烯修飾電極相對于裸玻碳電極具有更大的背景電流，這表明氮摻雜石墨烯增加了修飾電極的活性比表面積(圖4B)。在不含葡萄糖的溶液中，單一CoS₂修飾玻碳電極分別于0.107和0.141V左右出現(xiàn)一對準可逆的氧化還原峰，根據文獻(Zhou L,Shao M,Zhang C.et al.Hierarchical CoNi-Sulfide Nanosheet Arrays Derived from Layered Double Hydroxides toward Efficient Hydrazine ElectrooxidationAdv.Mater.2017,29:1604080-1604088.)，此處的峰對應著電對Co³⁺/Co²⁺自身的電化學反應，加入1mM葡萄糖溶液之后，在0.4～0.6V之間觀察到由于Co²⁺/Co³⁺氧化還原對的電子媒介作用促使葡萄糖被氧化成葡萄糖酸所產生的寬的電流信號(圖4C)。在CoS₂修飾電極上進一步負載氮摻雜石墨烯制作成復合材料修飾電極后在不含有葡萄糖的溶液中上就能清晰觀測到電對Co³⁺/Co²⁺的氧化還原準可逆峰，表明CoS₂與氮摻雜石墨烯成功復合。當加入1mM葡萄糖溶液后，該修飾電極于0.4V處的氧化峰催化電流明顯增強(相對于單一的CoS₂修飾玻碳電極、氮摻雜石墨烯修飾電極以及裸玻碳電極分別增強了8倍、40倍和135倍左右)，并且葡萄糖分子在該修飾電極上的氧化峰電位與單一的CoS₂修飾電極相比負移了約100mV(圖4D)，從而表明CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料修飾電極對葡萄糖具有良好的電催化活性。這主要是由于氮摻雜石墨烯增加了修飾電極的比表面積、導電性和生物相容性，而CoS₂納米材料可以提高介質的電子傳遞速率從而實現(xiàn)了葡萄糖的高靈敏度測定。

(3)在優(yōu)化了介質、掃描速度、修飾劑負載量、工作電位等測試條件后，采用計時電流法研究了修飾電極對葡萄糖的響應(圖5)，結果表明，當葡萄糖濃度為4.0μM～5.536mM范圍內，葡萄糖在CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料修飾玻碳電極上的響應電流與其濃度呈良好的線性關系，相關系數r＝0.9980，線性回歸方程：i(μA)＝5.252+16.873C_葡萄糖，檢測限計算為1.3μM(S/N＝3)，靈敏度為16.873μA/mM。

(4)抗干擾能力、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性是表征電化學傳感器性能的重要參數，而在檢測人體血液葡萄糖含量的過程中，共存的干擾物質主要是多巴胺(DA)、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)以及各種糖分等。圖6表示在該修飾電極檢測0.5mM葡萄糖的過程中連續(xù)添加0.1mM蔗糖、D-果糖、乳糖、麥芽糖和DA、UA和AA后的安培響應圖?？梢钥闯鲞@些共存常見物質對葡萄糖的安培信號幾乎沒有擾動，表明該復合材料修飾電極的選擇性好。將CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料修飾玻碳電極平行測定同一濃度的葡萄糖10次，其標準偏差小于5％。接著將CoS₂/氮摻雜石墨烯復合材料修飾玻碳電極保存在4℃的冰箱中，48小時后檢測同一濃度的葡萄糖，電流響應仍能保持在原有數據的90％以上，從而表明該修飾電極具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。