本發(fā)明涉及一種氮摻雜石墨烯量子點/血紅蛋白修飾電極的制備方法與實際應(yīng)用。

背景技術(shù)：

石墨烯（gr）是一種新型的二維碳基納米材料，它具有獨特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，使其迅速成為當(dāng)前物理、化學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點。通過對石墨烯的結(jié)構(gòu)進行修飾可以改進石墨烯的性能，得到功能化石墨烯基材料。石墨烯量子點(gqds)是石墨烯家族的最新一員，gqds除了具有石墨烯的優(yōu)異性能，還因量子限制效應(yīng)和邊界效應(yīng)而展現(xiàn)出一系列新的特性。

氮摻雜改性可使gqds表現(xiàn)出全新的性能。相對于碳原子，氮原子具有五個價電子，和碳原子有著相當(dāng)?shù)脑映叽绱笮?，已?jīng)被廣泛應(yīng)用于碳材料的化學(xué)摻雜，如氮摻雜石墨烯、氮摻雜碳納米管等。氮摻雜石墨烯量子點是一種用來改變gqds表面電子云密度以及調(diào)節(jié)其物理化學(xué)性質(zhì)的有效方法。通過對gqds進行氮原子摻雜，一方面可以提高gqds的量子產(chǎn)率、熒光性能，拓寬gqds的熒光發(fā)射光譜；另一方面可以為gqds的生物功能化提供多維、多種類的反應(yīng)活性位點，從而構(gòu)建基于gqds的細(xì)胞成像和藥物傳輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。因此很有必要拓展氮摻雜石墨烯量子點的應(yīng)用領(lǐng)域。

第三代電化學(xué)酶傳感器具有靈敏度高、檢測范圍廣和檢測限低等優(yōu)點，它是基于無媒介體的氧化還原蛋白質(zhì)酶的直接電化學(xué)行為，通過檢測酶與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移為特征的生物傳感裝置，這種傳感器無媒介體制作過程相對簡單且無外加物質(zhì)，是當(dāng)前最理想的生物傳感器。以氧化還原蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)為研究基礎(chǔ)的第三代無媒介體傳感器已成為電化學(xué)生物傳感器研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。

三氯乙酸（tca）是一種易溶于水的有機小分子，它是飲用水消毒副產(chǎn)物鹵乙酸中致癌能力最高的有機氯化物，快速精確檢測tca有著重大的意義。氧化還原蛋白質(zhì)可以催化tca的降解，并達(dá)到電催化檢測的目的。由于n-gqds可以促進血紅蛋白（hb）在電極上的電子傳遞加快催化反應(yīng)的進行，將hb與n-gqds相組裝既可以保持其催化活性又可以縮短傳質(zhì)路徑、進而提高傳質(zhì)速率，從而可以構(gòu)建成具有制備簡單、響應(yīng)快、催化活性高的電化學(xué)酶傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種第三代電化學(xué)酶生物傳感器的制備方法，并用這種修飾電極對tca進行檢測。

為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

1.基于nafion/血紅蛋白/氮摻雜石墨烯量子點修飾電極的制備及其電催化研究，其特征包括：制備離子液體碳糊電極，制備nafion/血紅蛋白/氮摻雜石墨烯量子點修飾電極，包括以下步驟：

（1）制備離子液體碳糊電極。按比例稱取石墨粉和n-己基吡啶六氟磷酸鹽（hppf6）并加入液體石蠟作為粘合劑，放入研缽中充分研磨。將研磨好的混合物填入內(nèi)徑為4mm的玻璃電極管中，內(nèi)插銅絲作為導(dǎo)線，將玻璃電極管中的固體混合物壓實即得cile。放入冰箱4℃保存，使用前將電極表面打磨成鏡面；

（2）制備nafion/血紅蛋白/氮摻雜石墨烯量子點修飾電極。分別配制15mgml^-1hb、0.6mgml^-1n-gqds溶液，采用分層涂布法取8μl0.6mgml^-1n-gqds溶液滴涂在cile表面，自然晾干；取8μl15mgml^-1hb溶液于cile上，自然晾干；取6μl0.5%nafion滴涂于電極表面，自然晾干后即得修飾電極nafion/hb/n-gqds/cile。

所述的氮摻雜石墨烯量子點，利用tem對其形貌進行表征。

所述的離子液體修飾碳糊電極，其特征在于，離子液體為n-己基吡啶六氟磷酸鹽（hppf6）質(zhì)量為0.8g，石墨粉質(zhì)量為1.6g，液體石蠟的用量為500μl。

所述的修飾電極，其特征在于，n-gqds的用量為8.0μl，濃度為0.6mgml^-1；hb的用量為8.0μl濃度為15mgml^-1；nafion的濃度為0.5%用量為6.0μl。

采用nafion/血紅蛋白/氮摻雜-石墨烯量子點復(fù)合膜修飾電極為工作電極，鉑電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，組成三電極體系，采用循環(huán)伏安法和交流阻抗法對修飾電極進行表征，得到相應(yīng)的循環(huán)伏安曲線圖和交流阻抗譜圖。

所述的hb的直接電化學(xué)行為，其特征在于，ph為5.0的pbs緩沖溶液，掃速為100mvs^-1。

所述的nafion/hb/n-gqds/cile的交流阻抗圖，其特征在于，所用電解質(zhì)溶液為10.0mmoll^-1k3[fe(cn)6]和0.lmoll^-1kcl溶液。

一種氮摻雜-石墨烯量子點修飾電極的電化學(xué)酶傳感器的電催化研究，其特征在于，利用所構(gòu)建的酶傳感器對三氯乙酸(tca)進行電催化行為研究。

附圖說明

圖1(a、b)為不同放大倍數(shù)下的n-gqds透射電鏡圖。

圖2為不同修飾電極（a）nafion/hb/n-gqds/cile，（b）nafion/hb/cile，（c）nafion/n-gqds/cile和（d）cile在ph5.0pbs中的循環(huán)伏安曲線；掃速為100mvs^-1。

圖3為不同掃速下nafion/hb/n-gqds/cile的循環(huán)伏安圖（曲線a到j(luò)分別為50，100，200，300，400，500，600，700，800，900mvs^-1）。

圖4為不同修飾電極（a）nafion/n-gqds/cile，（b）nafion/hb/n-gqds/cile，（c）nafion/cile，（d）nafion/hb/cile的交流阻抗圖。

圖5為修飾電極在不同濃度三氯乙酸存在下的循環(huán)伏安圖（a到l分別為0，5.0，10.0，30.0，10.0，50.0，70.0，90.0，110.0，130.0，150.0，170.0mmol/l）；插圖為催化還原峰電流與三氯乙酸濃度之間的關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面給出的實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不超出本發(fā)明保護范圍的限制。

實施例1

電極修飾材料的電鏡表征

圖1a和b所示展示了不同放大倍數(shù)下的氮摻雜石墨烯量子點，從圖中可以看到氮摻雜石墨烯量子點尺寸在30-60nm。

實施例2

如圖2所示，不同修飾電極在ph5.0的pbs中的循環(huán)伏安圖，在基底電極cile（曲線d），和nafion/n-gqds/cile（曲線c）上沒有出現(xiàn)氧化還原特征峰，表明電極表面不存在電活性物質(zhì)。在nafion/hb/cile（曲線b）上出現(xiàn)一對明顯的非對稱氧化還原峰，說明hb和cile之間存在電子傳輸。而在nafion/hb/n-gqds/cile（曲線a）上出現(xiàn)一對良好且準(zhǔn)可逆的氧化還原峰出現(xiàn)，氧化還原峰電位分別是epc=-0.289v和epa=-0.223v，峰電位差（δep）為59mv，式電位e⁰'=-0.256v（vs.sce），氧化還原峰電流之比接近于1，表現(xiàn)出蛋白質(zhì)內(nèi)血紅素輔基fe(iii)/fe(ii)氧化還原電對的特征電化學(xué)行為。

實施例3

如圖3所示，在50-900mvs^-1掃速范圍內(nèi)研究nafion/hb/n-gqds/cile的循環(huán)伏安圖，并求解相關(guān)的電化學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明氧化還原峰電流和掃速的一次方成正比，線性回歸方程ipc(μa)=173.99υ(v/s)+9.366(n=13,γ=0.999)和ipa(μa)=-136.63υ(v/s)-3.533(n=13,γ=0.998)，表明電極反應(yīng)是典型的表面控制薄層電化學(xué)行為。ep與lnυ之間的線性回歸方程為epc(v)=-0.0322lnυ-0.339(n=10,γ=0.998)和epa(v)=0.0492lnυ-0.1567(n=10,γ=0.995)。根據(jù)laviron理論可求得電子轉(zhuǎn)移數(shù)（n）為1.2，電子傳遞系數(shù)（α）為0.60，反應(yīng)的速率常數(shù)（ks）值為2.82s^-1。結(jié)果表明n-gqds復(fù)合膜的存在可以為hb提供一個合適的微環(huán)境，加快速電子轉(zhuǎn)移速率。

實施例4

電化學(xué)交流阻抗譜（eis）能夠有效提供電極表面修飾過程的阻抗變化信息，由阻抗圖半圓的直徑可獲得電子轉(zhuǎn)移電阻（ret）。如圖4所示分別為（a）nafion/n-gqds/cile，（b）nafion/hb/n-gqds/cile，（c）nafion/cile，（d）nafion/hb/cile的交流阻抗圖。nafion/cile的阻抗為85.64ω，當(dāng)n-gqds加入到電極表面時，nafion/n-gqds/cile電極的阻抗變?yōu)?5.03ω，這說明n-gqds具有高導(dǎo)電性加快電子轉(zhuǎn)移過程。nafion/hb/cile的阻抗值為114.85ω，說明電極上hb的存在阻礙了鐵氰化鉀在電極表面的電子轉(zhuǎn)移。而nafion/hb/n-gqds/cile的阻抗值為41.59ω，阻抗值明顯的減小說明n-gqds具有高導(dǎo)電性，可以加快電子的轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明電極表面修飾的不同物質(zhì)導(dǎo)致了不同的界面電阻，也說明了修飾過程的完成。

實施例5

以自制nafion/hb/n-gqds/cile為工作電極，飽和甘汞電極（sce）為參比電極，鉑電極為對電極，組成三電極系統(tǒng)；將ph5.0的pbs經(jīng)過30分鐘的氮氣除氧后進行電化學(xué)檢測，考察該修飾電極對tca的電催化還原作用，結(jié)果如圖5所示。在-0.243v左右出現(xiàn)一個新的還原峰，隨著tca加入量的增加，還原峰電流明顯增大，氧化峰逐漸消失，這是典型的tca還原過程。還原峰電流和tca的濃度在3.0mmoll^-1-170.0mmoll^-1的范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為iss(ma)=27.39c(mmol/l)+51.09(n=28,γ=0.997),檢測限為1.0mmoll^-1，表明修飾電極對tca表現(xiàn)出良好的電催化活性。