石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯(GR)-类水滑石片(LDH)-石墨相氮化碳(g-C3N4)复合材料固定蛋白修饰电极及其制备方法和应用。先将剥离类水滑石片与带负电的剥离氧化石墨烯纳米片复合，再与三聚氰胺混合焙烧后加水复原，制备GR-LDH-g-C3N4杂化物；采用滴涂法将GR-LDH-g-C3N4与Hb的混合液滴在离子液体修饰碳糊电极上，制备了GR-LDH-g-C3N4复合材料固定蛋白修饰电极。本发明专利技术充分发挥了凝胶法与整合合并分层法的优势，增大了杂化材料的比表面积，导电性与生物相容性，抑制了GR片层的重新堆叠；焙烧法将g-C3N4生长在GR片层表面，再次增大了杂化材料的比表面积，提高了电化学反应过程的电子传递速率。构筑的基于CTS/GR-LDH-g-C3N4-Hb复合膜的第三代三氯乙酸传感器，具有检测限低，检测范围宽和米氏常数小等优点。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极及其制备方法和应用
：本专利技术涉及一种石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极；本专利技术还涉及所述修饰电极的制备方法及其在电化学传感检测方面的应用。
技术介绍
：生物传感器是结合生物或者生物衍生物的敏感元件与理化换能器的一类分析装置，可根据分析物的浓度产生间断或连续的信号，并且信号强弱与浓度成正比[张先恩，生物传感器[M],北京:化学工业出版社,2006,16-40.]。其中，酶电化学传感器在近年来引起了极大的关注。牛血红蛋白酶(Hb)结构简单且具有代表性，易于实现大规模生产，因此被作为直接电化学的理想模型，同时，对于Hb直接电子转移的研究还可以促进人们对生物体电子转移机理的理解。然而，Hb的活性中心埋藏较深，在电极表面很难发生直接电化学，并且直接吸附在裸电极表面的Hb容易发生脱落变性。因此，寻找能保持酶活性并促进直接电子传递的材料，已成为生物电化学传感领域研究的重要课题。石墨烯纳米片是一种性能卓越的二维纳米材料，具有良好的导电性，较大的比表面积以及优异的机械性能，近年来广泛用于电化学领域的相关工作[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms.Science,2004,306:666～669.]。然而，现今广泛采用的化学还原法制备的还原氧化石墨烯(GR)的固有电化学性能却受到了很大限制，这是因为在还原过程中，石墨烯片层间容易发生不可逆堆叠和重新聚集，这不仅增大了各片层间的接触电阻，还极大的限制了石墨烯的电化学在各个领域的潜在应用[X.C.Dong,H.Xu,X.W.Wang.3Dgraphene-cobaltoxideelectrodeforhigh-performancesupercapacitorandenzymelessglucosedetection.ACSnano,2012,6:3206～3213.]。研究发现，通过将其他纳米材料层层嵌插在GR片层间可以有效解决这种片层堆叠问题。Wimalasiri等人将剥离后的NiAl水滑石整合到GR片层间，制备了一种GR-ELDH二元杂化物并在超级电容器方面显示出卓越的性能[Y.Wimalasiri,R.Fan,X.S.Zhao.AssemblyofNi-Allayereddoublehydroxideandgrapheneelectrodesforsupercapacitors.ElectrochimicaActa,2014,134:127～135.]。同时，近年来为了解决GR片层的不可逆堆叠现象，越来越多的努力也倾向于通过凝胶法制备三维的均相石墨烯分散体系。这种凝胶化的方法可以快速的整合二维的GR片层，形成一种三维立体的结构，这极大的促进了高性能的GR在各个领域内的实际应用[C.Li,G.Q.Shi.Functionalgelsbasedonchemicallymodifiedgraphenes.Adv.Mater.,2014.26(24):3992～4012.]。类水滑石(LDH)是一类新颖的二维层状纳米材料，因其片层携带正电荷，近年来被广泛用于固定带负电荷的生物分子制备相应的纳米杂化物[詹天荣，侯万国.层状双金属氢氧化物在绿色材料领域中的应用.化学通报，2010，73(7)：608～615.]。另外，相比于其他无机基体，LDH拥有多功能的物理和化学性能，例如广泛的化学成分，可调的结构特性以及制备变量，这些固有的优异性能使得LDH成为一种有效的主体结构来固定生物分子。大量的基于LDH的电化学生物传感器已经被成功开发并显示出非凡的催化性能，如极高的灵敏度以及低的米氏常数[X.Chen,C.L.Fu,Y.Wang.DirectelectrochemistryandelectrocatalysisbasedonafilmofhorseradishperoxidaseintercalatedintoNi-Allayereddoublehydroxidenanosheets.BiosensorsandBioelectronics,2008,24:356～361]。剥离的类水滑石纳米片(ELDH)是指由LDH剥离成单片的胶体，具有更大的比表面积以及超好的分散性能，而且其片层上带有正电荷，这些性质非常有利于带负电荷的GO片层通过静电吸引进行复合，将两种不同的纳米片互相嵌插在各自的层间。石墨相氮化碳(g-C3N4)具有一种类似石墨的结构，因具有大的面内总氮量，特殊的电子结构等优势，因而在多功能催化以及其他的能量转化过程中得到很好的应用。但是，由于g-C3N4固有的低导电性以及小比表面积等缺陷，严重限制了其在电化学方面的应用。研究发现，将g-C3N4与GR片层结合，可以有效的改善复合材料的电化学性能。Gu等人通过焙烧法在GR片层表面生成g-C3N4并构建了多种电化学生物传感体系，实验结果表明，适宜量的g-C3N4的存在可以极大的提高杂化材料的电化学性能[H.Gu,T.S.Zhou,G.Y.Shi.Synthesisofgraphenesupportedgraphene-likeC3N4metal-freelayerednanosheetsforenhancedelectrochemicalperformanceandtheirbiosensingforbiomolecules,2015,132:871～876]。为了解决以上三种层状材料单独使用时存在的缺陷，本专利技术首先通过整合合并分层法以及凝胶法制备石墨烯-剥离类水滑石片(GR-ELDH)杂化物，将其与三聚氰胺混合焙烧后加水复原，得到石墨烯-水滑石-石墨相氮化碳(GR-ELDH-g-C3N4)纳米杂化物并应用于电化学生物传感器的构建。采用整合合并分层法以及凝胶法制备该三元杂化物，可以将GR、LDH和g-C3N4三种层状材料的优势结合起来，弥补它们的缺点，充分发挥三种组分的协同作用。即带正电的ELDH片层与带负电的GO片层相互嵌插，有效的将GO片层隔离开来；高温下的凝胶化过程使得GO被还原为GR，由于含氧的亲水基团的移去，产生的共轭结构域和疏水面使得GR形成一种三维的多孔渗水结构，从而再次阻止了GR片层的重新堆叠；焙烧过程使得g-C3N4均匀的生长在GR片层表面，这既增大了GR的比表面积，又有效的改善了复合材料的导电性；之后的水分散过程使LDH重新复原，确保了复合材料的生物相容性。本文提出的GR-ELDH-g-C3N4三元复合材料充分发挥了整合合并分层法，凝胶法，焙烧复原法的优势，为复合修饰电极提供了更多的活性位点，更高的导电性，更好的生物相容性和分散性以及对酶的固定能力，从而提高生物分子在修饰电极上的直接电化学电催化性能，对建立新型的高灵敏电化学检测方法具有重要意义。
技术实现思路
：针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本专利技术的目的之一是提供一种石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极；即通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯‑类水滑石片‑石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极，其特征在于它包括基底电极层和石墨烯‑类水滑石片‑石墨相氮化碳杂化材料固定蛋白层；所述石墨烯‑类水滑石片‑石墨相氮化碳复合材料是综合利用凝胶法和整合合并分层法将剥离类水滑石片与剥离氧化石墨烯片复合，与三聚氰胺混合焙烧后加水还原后制得；蛋白质溶液与石墨烯‑类水滑石片‑石墨相氮化碳溶液混合形成复合蛋白层；其中石墨烯记为GR，类水滑石片记为LDH，石墨相氮化碳记为g‑C3N4；所述石墨烯‑类水滑石片‑石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极，其特征在于所述类水滑石片为钴铝型；所述蛋白质为牛血红蛋白，记为Hb；所述基底电极为离子液体修饰碳糊电极，记为CILE；所述石墨烯‑类水滑石片‑石墨相氮化碳杂化材料固定蛋白修饰电极的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：(a)ELDH的制备将二价金属盐CoCl2·6H2O、三价金属盐AlCl3·6H2O和尿素按一定摩尔比加入到装有一定体积去离子水的圆底烧瓶中，总金属离子浓度为0.15mol/L，60～98℃搅拌回流10～36小时，反应完毕后抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤3～5次，室温下干燥48小时，得到碳酸根插层的LDH；称取一定量碳酸根插层的LDH，将其分散于浓度分别为1mol/L的NaCl和3.3mmol/L的HCl混合水溶液中，N2气氛下搅拌12小时，抽滤后室温干燥12小时，得到氯离子插层的LDH；称取一定量氯离子插层的LDH，将其分散于浓度为0.1mol/L的NaNO3的水溶液中，N2气氛下搅拌12小时，抽滤后室温干燥12小时，得到硝酸根插层的LDH；称取一定量硝酸根插层的LDH分散于甲酰胺中，使其浓度为1mg/mL，N2气氛下搅拌24小时，将该混合液在2000rpm条件下离心10min，弃去沉淀以除去未剥离的产物，得到的澄清液即为剥离产物ELDH胶体；(b)GR‑ELDH水凝胶的制备采用hummer法制备氧化石墨烯，记为GO，并将一定量的GO分散于甲酰胺中，使其浓度为1mg/mL，超声分散1小时，3000rpm离心10min除去未剥离的GO，得到剥离的GO分散液；将该GO分散液与(a)中所得等体积的ELDH胶体溶液充分混合，室温密闭条件下搅拌12小时，5000rpm离心10min后，所得棕黑色沉淀重新分散于去离子水中，使其含GO的浓度为6mg/mL；取一定量该混合溶液封入25mL反应釜中，160℃下反应6小时后自然冷却至室温，得到GR‑ELDH水凝胶，冻干保存；(c)GR‑LDH‑g‑C3N4杂化材料的制备称取50mg(b)中所得GR‑ELDH凝胶与一定量三聚氰胺充分混合，氮气气氛下于600℃下焙烧3h，反应完毕后将产物分散到水中，得到GR‑LDH‑g‑C3N4杂化物；(d)CILE的制备将石墨粉与离子液体(BPPF6)以2:1的质量比加入研钵中，加热到80℃条件下均匀混合，向该粉末状混合物中滴加1mL液体石蜡作为粘合剂，再将混合物充分研磨好后填入玻璃管中，管内插入铜丝作为导线，将玻璃管中的固体混合物压实，得到CILE，使用前将该电极表面打磨光滑；(e)GR‑ELDH复合材料固定蛋白修饰电极的制备将步骤(c)中得到的GR‑LDH‑g‑C3N4杂化材料用去离子水配制成浓度为0.5mg/mL的浆状液并与浓度为10mg/mL的Hb充分混合；取16μL该混合溶液滴涂在步骤(d)中所得的CILE表面，自然晾干后再在电极上滴涂6μL浓度为1.0mg/mL的壳聚糖醋酸CTS溶液，自然干燥后得到CTS/GR‑LDH‑g‑C3N4‑Hb/CILE生物修饰电极。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极，其特征在于它包括基底电极层和石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白层；所述石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料是综合利用凝胶法和整合合并分层法将剥离类水滑石片与剥离氧化石墨烯片复合，与三聚氰胺混合焙烧后加水还原后制得；蛋白质溶液与石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳溶液混合形成复合蛋白层；其中石墨烯记为GR，类水滑石片记为ELDH，石墨相氮化碳记为g-C3N4；所述石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极，所述类水滑石片为钴铝型；所述蛋白质为牛血红蛋白，记为Hb；所述基底电极为离子液体修饰碳糊电极，记为CILE；所述石墨烯-类水滑石片-石墨相氮化碳复合材料固定蛋白修饰电极的制备方法，包括以下具体步骤：(a)ELDH的制备将二价金属盐CoCl2·6H2O、三价金属盐AlCl3·6H2O和尿素按一定摩尔比加入到装有一定体积去离子水的圆底烧瓶中，总金属离子浓度为0.15mol/L，60~98℃搅拌回流10~36小时，反应完毕后抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤3~5次，室温下干燥48小时，得到碳酸根插层的LDH；称取一定量碳酸根插层的LDH，将其分散于浓度分别为1mol/L的NaCl和3.3mmol/L的HCl混合水溶液中，N2气氛下搅拌12小时，抽滤后室温干燥12小时，得到氯离子插层的LDH；称取一定量氯离子插层的LDH，将其分散于浓度为0.1mol/L的NaNO3的水溶液中，N2气氛下搅拌12小时，抽滤后室温干燥12小时，得到硝酸根插层的LDH；称取一定量硝酸根插层的LDH分散于甲酰胺中，使其浓度为1mg/mL，N2气氛下搅拌24小时，将该混合液在2000rpm条件下离心10min，弃去沉淀以除去未剥离的产物，得到的澄清液即为剥离产物ELDH胶体；(b)GR-ELDH水凝胶的制备采用hummer法制备氧化石墨烯，记为GO，并将一定量的GO分散于甲酰胺中，使其浓度为1mg/mL，超声分散1小时，3000rpm离心10min除去未剥离的GO，得到剥离的GO分散液；将该GO分散液与(a)中所得等体积的ELDH胶体溶液充分混合，室温密闭条件下搅拌12小时，5000rpm离心10min...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹天荣，王新军，刘晓琳，宋洋，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37