石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳復(fù)合材料固定蛋白修飾電極及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳復(fù)合材料固定蛋白修飾電極；本發(fā)明還涉及所述修飾電極的制備方法及其在電化學(xué)傳感檢測(cè)方面的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
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[0002]生物傳感器是結(jié)合生物或者生物衍生物的敏感元件與理化換能器的一類分析裝置，可根據(jù)分析物的濃度產(chǎn)生間斷或連續(xù)的信號(hào)，并且信號(hào)強(qiáng)弱與濃度成正比[張先恩，生物傳感器[M]，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006, 16-40.]。其中，酶電化學(xué)傳感器在近年來引起了極大的關(guān)注。牛血紅蛋白酶(Hb)結(jié)構(gòu)簡單且具有代表性，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因此被作為直接電化學(xué)的理想模型，同時(shí)，對(duì)于Hb直接電子轉(zhuǎn)移的研宄還可以促進(jìn)人們對(duì)生物體電子轉(zhuǎn)移機(jī)理的理解。然而，Hb的活性中心埋藏較深，在電極表面很難發(fā)生直接電化學(xué)，并且直接吸附在裸電極表面的Hb容易發(fā)生脫落變性。因此，尋找能保持酶活性并促進(jìn)直接電子傳遞的材料，已成為生物電化學(xué)傳感領(lǐng)域研宄的重要課題。
[0003]
[0004]石墨烯納米片是一種性能卓越的二維納米材料，具有良好的導(dǎo)電性，較大的比表面積以及優(yōu)異的機(jī)械性能，近年來廣泛用于電化學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)工作[K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V.Dubonos, 1.V.Grigorieva, A.A.Firsovj Electric field effect in atomically thin carbon films.Science, 2004, 306:666?669.]。然而，現(xiàn)今廣泛采用的化學(xué)還原法制備的還原氧化石墨烯(GR)的固有電化學(xué)性能卻受到了很大限制，這是因?yàn)樵谶€原過程中，石墨烯片層間容易發(fā)生不可逆堆疊和重新聚集，這不僅增大了各片層間的接觸電阻，還極大的限制了石墨稀的電化學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用[X.C.Dong, H.Xu, X.ff.Wang.3D graphene-cobaltoxide electrode for high-performance supercapacitor and enzymeless glucosedetect1n.ACS nano, 2012，6:3206?3213.]。研宄發(fā)現(xiàn)，通過將其他納米材料層層嵌插在GR片層間可以有效解決這種片層堆疊問題。Wimalasiri等人將剝離后的NiAl水滑石整合到GR片層間，制備了一種GR-ELDH 二元雜化物并在超級(jí)電容器方面顯示出卓越的性會(huì)泛[Y.ffimalasiri, R.Fan, X.S.Zha0.Assembly of Ni—Al layered double hydroxide andgraphene electrodes for supercapacitors.Electrochimica Acta, 2014, 134:127 ?135.] o同時(shí)，近年來為了解決GR片層的不可逆堆疊現(xiàn)象，越來越多的努力也傾向于通過凝膠法制備三維的均相石墨烯分散體系。這種凝膠化的方法可以快速的整合二維的GR片層，形成一種三維立體的結(jié)構(gòu)，這極大的促進(jìn)了高性能的GR在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用[C.Li, G.Q.Sh1.Funct1nal gels based on chemically modified graphenes.Adv.Mater.，2014.26 (24): 3992 ?4012.]。
[0005]類水滑石(LDH)是一類新穎的二維層狀納米材料，因其片層攜帶正電荷，近年來被廣泛用于固定帶負(fù)電荷的生物分子制備相應(yīng)的納米雜化物[詹天榮，侯萬國.層狀雙金屬氫氧化物在綠色材料領(lǐng)域中的應(yīng)用.化學(xué)通報(bào)，2010，73 (7):608?615.]。另夕卜，相比于其他無機(jī)基體，LDH擁有多功能的物理和化學(xué)性能，例如廣泛的化學(xué)成分，可調(diào)的結(jié)構(gòu)特性以及制備變量，這些固有的優(yōu)異性能使得LDH成為一種有效的主體結(jié)構(gòu)來固定生物分子。大量的基于LDH的電化學(xué)生物傳感器已經(jīng)被成功開發(fā)并顯示出非凡的催化性能，如極高的靈敏度以及低的米氏常數(shù)[X.Chen, C.L.Fu, Y.Wang.Directelectrochemistry and electrocatalysis based on a film of horseradish peroxidaseintercalated into N1-Al layered double hydroxide nanosheets.B1sensors andB1electronics，2008，24:356?361] o剝離的類水滑石納米片(ELDH)是指由LDH剝離成單片的膠體，具有更大的比表面積以及超好的分散性能，而且其片層上帶有正電荷，這些性質(zhì)非常有利于帶負(fù)電荷的GO片層通過靜電吸引進(jìn)行復(fù)合，將兩種不同的納米片互相嵌插在各自的層間。
[0006]石墨相氣化碳(g-C3N4)具有一種類似石墨的結(jié)構(gòu)，因具有大的面內(nèi)總氣量，特殊的電子結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，因而在多功能催化以及其他的能量轉(zhuǎn)化過程中得到很好的應(yīng)用。但是，由于g_C3N4固有的低導(dǎo)電性以及小比表面積等缺陷，嚴(yán)重限制了其在電化學(xué)方面的應(yīng)用。研宄發(fā)現(xiàn)，將g_C3N4與GR片層結(jié)合，可以有效的改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能。Gu等人通過焙燒法在GR片層表面生成g_C3N4并構(gòu)建了多種電化學(xué)生物傳感體系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適宜量的g_C3N4的存在可以極大的提高雜化材料的電化學(xué)性能[H.Gu, T.S.Zhou, G.Y.Sh1.Synthesis of graphene supported graphene-like C3N4metal_free layerednanosheets for enhanced electrochemical performance and their b1sensing forb1molecules,2015， 132:871 ?876]。
[0007]為了解決以上三種層狀材料單獨(dú)使用時(shí)存在的缺陷，本發(fā)明首先通過整合合并分層法以及凝膠法制備石墨烯-剝離類水滑石片(GR-ELDH)雜化物，將其與三聚氰胺混合焙燒后加水復(fù)原，得到石墨烯-水滑石-石墨相氮化碳(GR-ELDH-g-C3N4)納米雜化物并應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建。采用整合合并分層法以及凝膠法制備該三元雜化物，可以將GR、LDH和g_C3N4三種層狀材料的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，彌補(bǔ)它們的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮三種組分的協(xié)同作用。即帶正電的ELDH片層與帶負(fù)電的GO片層相互嵌插，有效的將GO片層隔離開來；高溫下的凝膠化過程使得GO被還原為GR，由于含氧的親水基團(tuán)的移去，產(chǎn)生的共軛結(jié)構(gòu)域和疏水面使得GR形成一種三維的多孔滲水結(jié)構(gòu)，從而再次阻止了 GR片層的重新堆疊；焙燒過程使得g_C3N4均勻的生長在GR片層表面，這既增大了 GR的比表面積，又有效的改善了復(fù)合材料的導(dǎo)電性；之后的水分散過程使LDH重新復(fù)原，確保了復(fù)合材料的生物相容性。本文提出的GR-ELDH-g-C3N4三元復(fù)合材料充分發(fā)揮了整合合并分層法，凝膠法，焙燒復(fù)原法的優(yōu)勢(shì)，為復(fù)合修飾電極提供了更多的活性位點(diǎn)，更高的導(dǎo)電性，更好的生物相容性和分散性以及對(duì)酶的固定能力，從而提高生物分子在修飾電極上的直接電化學(xué)電催化性能，對(duì)建立新型的高靈敏電化學(xué)檢測(cè)方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足以及本領(lǐng)域研宄和應(yīng)用的需求，本發(fā)明的目的之一是提供一種石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳復(fù)合材料固定蛋白修飾電極；即通過整合合并分層以及凝膠化過程將GO納米片與ELDH納米片層復(fù)合，然后再與三聚氰胺混合焙燒后加水復(fù)原制備GR-ELDH-g-C3N4復(fù)合物，最后用于蛋白質(zhì)的固定和相應(yīng)修飾電極的制備。
[0009]本發(fā)明提供的一種石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳復(fù)合材料固定蛋白修飾電極，其特征在于它包括基底電極層和石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳雜化材料固定蛋白層；所述石墨烯-剝離類水滑石片-石墨相氮化碳復(fù)合材料是綜合利用凝膠法和整合合并分層法將剝離類水滑石片與剝離氧化石墨烯片復(fù)合，與三聚氰胺混合焙燒后加水還原后制得；蛋白質(zhì)溶液與石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳溶液混合形成復(fù)合蛋白層；其中石墨烯記為GR，類水滑石片記為LDH，石墨相氮化碳記為g-C3N4;
[0010]所述石墨烯-類水滑石片復(fù)合材料固定蛋白修飾電極，其特征在于所述類水滑石片為鈷鋁型；所述蛋白質(zhì)為牛血紅蛋白，記為Hb ;所述基底電極為離子液體修飾碳糊電極，記為CILE ；
[0011]本發(fā)明目的之二是提供石墨烯-類水滑石片-石墨相氮化碳雜化材料固定蛋白修飾電極的制備方法，其特征在于包括以下具體步驟:
[0012](a) ELDH 的制備
[0013]將二價(jià)金屬鹽CoCl2.6H20、三價(jià)金屬鹽AlCl3.6H20和尿素按一定摩爾比加入到裝有一定體積去離子水的圓底燒瓶中，總金屬離子濃度為0.15mol/L，60?98°C攪拌回流10?36小時(shí)，反應(yīng)完畢后抽濾，濾餅用蒸餾水洗滌3?5次，室溫下干燥48小時(shí)，得到碳酸根插層的LDH ；
[0014]稱取一定量碳酸根插層的LDH，將其分散于濃度分別為lmol/L的NaCl和3.3mmol/L的HCl混合水溶液中，N2氣氛下攪拌12小時(shí)，抽濾后室溫干燥12小時(shí)，得到氯離子插層的LDH;
[0015]稱取一定量氯離子插層的LDH，將其分散于濃度為0.lmol/L的NaNO3的水溶液中，N2氣氛下攪拌12小時(shí)，抽濾后室溫干燥12小時(shí)，得到硝酸根插層的LDH ；
[0016]稱取一定量硝酸根插層的LDH分散于甲酰胺中，使其濃度為lmg/mL，隊(duì)氣氛下攪拌24小時(shí)，將該混合液在2000rpm條件下離心lOmin，棄去沉淀以除去未剝離的產(chǎn)物，得到的澄清液即為剝離產(chǎn)物ELDH膠體；
[0017](b) GR-ELDH水凝膠的制備
[0018]采用hummer法制備氧化石墨烯，記為G0