一种空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/Ag纳米复合材料的制作方法

一种空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料
技术领域
1.本发明涉及一种空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料，属于催化剂技术领域。


背景技术：

2.多巴胺(da)是一种重要的神经递质，在哺乳动物中枢神经系统功能中发挥重要作用。多巴胺在体内的浓度和代谢异常可引起阿尔茨海默病、癫痫、精神分裂症、帕金森病等神经系统疾病。正常水平的多巴胺浓度随年龄而变化，其在血液中的正常浓度为0.1～0.4nm，在尿液中的正常浓度为0.1～2μm。因此，在真实的样本中，多巴胺检测必须具有较低的检测限，同时样本中也存在着大量过量的抗坏血酸(aa)和尿酸(ua)。ua是人体嘌呤代谢的最终产物之一。它的异常浓度水平将导致多种疾病，如痛风、高尿酸血症、莱什-尼恩综合征、心血管和慢性肾等。由于da、ua和aa经常在实际体系中共存，因此开发一种灵敏、有选择性、抗干扰性的测试方法是非常必要的。在已有的分析方法中，电化学方法因其简单、灵敏度高、效率高而受到越来越多的关注。然aa、da和ua具有相似的结构，在未修饰电极上的电化学响应是重叠的。因此，如何在生理条件下对生物样品进行高选择性、高灵敏度的da和ua检测是电分析研究的一个关键问题。
3.还原氧化石墨烯(rgo)因其化学稳定性好、机械强度强、电导率高、比表面积大等独特的化学物理性质而备受关注。rgo基纳米复合材料在化学传感器、催化剂和能量存储等方面的应用得到了广泛研究。研究表明，rgo负载的银纳米材料具有明显的协同作用从而对da和ua的电化学氧化具有显著的催化增强作用。然而二维rgo负载的金属纳米材料在复杂反应环境条件下始终面临着催化剂中毒和催化剂活性退化的问题。研究结果表明，通过设计空间分离的活性位点或空间限域效应，可优化金属催化剂活性退化或中毒问题。利用石墨烯构建空间限域层合成空间限域型的贵金属复合催化剂应用于检测da和ua等生物分子，不仅可以有效提高da和ua等生物分子的抗干扰及高灵敏检测，并且有希望解决生物传感技术在复杂的实际检测环境中所面临的催化剂污染及中毒问题。该催化剂的构建有希望为解决金属催化剂中毒及活性退化问题提供有效思路。然而，如何有效构筑空间限域复合结构一直是目前研究的难点。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料，可以有效解决上述问题。
5.本发明是这样实现的：
6.一种空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料，其为以三维网络rgo为模板，表层生长pani纳米纤维，再在外层包裹聚苯胺(pani)外壳形成空间限域材料为载体，并负载ag纳米粒子形成空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料(pani@pani/3d rgo/ag)。
7.作为进一步该的，所述ag纳米粒子直径小于20nm，ag负载量为2.5wt％。
8.一种上述的空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的制备方法，取氧化石墨烯，加入蒸馏水、水合氯化铁，超声溶解后，进行水热反应，冷却后用微孔混合膜过滤，固体产物重新分散在蒸馏水中，搅拌后过滤，用水和乙醇清洗，晾干备用；将水热法处理的氧化石墨烯分散于蒸馏水中，再加入含ag的金属催化剂前驱体溶液进行超声分散混合后，加入苯胺单体，搅拌后分别加入fecl3溶液、浓磷酸进行混合，继而再加入溶解有过硫酸铵的磷酸溶液进行反应，制得固体产物，该固体产物经预设孔径的混合膜过滤、蒸馏水清洗和乙醇清洗后，将获得的粉体产物加入到含抗坏血酸(aa)的磷酸溶液中进行超声和搅拌处理，经处理获得的产物经过滤、水洗、醇洗后，再自然晾干，制得所述的空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料。
9.作为进一步改进的，所述的空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：
10.s11，取氧化石墨烯90-110mg，加入45-55ml蒸馏水，45-55mg水合氯化铁，超声溶解后，放入水热反应釜中，在118-122℃条件下反应1.8-2.2h；自然冷却后用220nm孔径的微孔混合膜过滤；固体产物重新分散在45-55ml蒸馏水中，搅拌20min后过滤，用水和乙醇清洗；此步骤反复操作5次后，最后用乙醇清洗样品，自然晾干；
11.s12，取45-55mg上述水热法处理后的氧化石墨烯，加入45-55ml蒸馏水搅拌分散后，加入1.125ml 47.93mm乙酸银溶液，超声10min后继续搅拌0.8-1.2h；
12.s13，将0.2ml的苯胺单体加入上述溶液中，搅拌8-12min后加入0.2ml 0.1m fecl3溶液，继续搅拌8-12min后加入2ml浓磷酸并搅拌8h；
13.s14，取0.28-0.32g过硫酸铵加入5ml 10wt％磷酸溶液中，待完全溶解后缓慢滴加到上述溶液中，滴加完后继续搅拌反应1.5-2.0h；
14.s15，将固体产物过滤，用蒸馏水和乙醇清洗，得到的粉体加入45-55ml含100mm抗坏血酸(aa)的2wt％磷酸溶液中，超声5-10s，使粉体分散开，搅拌22-26h；将产物过滤，用水和乙醇清洗，自然晾干得到空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料(pani@pani/3d rgo/ag)。
15.此空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的制备方法中各试剂的用量及各种反应条件和环境形成催化剂的空间限域型结构都非常关键，若不在此范围内，将难以形成本发明的空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料。
16.一种基于空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的修饰电极的制备方法，将玻碳电极抛光，清洗后晾干备用；将上述的空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料和nafion分散在乙醇中并超声，形成混合悬液；再将混合悬液滴加到玻碳电极表面，室温下晾干；再将nafion分散在乙醇中形成nafion稀释溶液，然后将nafion稀释溶液滴加到玻碳电极表面，室温下晾干，得到催化剂修饰电极；最后对催化剂修饰电极进行预处理，得到所述基于空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的修饰电极。
17.作为进一步改进的，上述基于空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的修饰电极的制备方法包括以下步骤：
18.s21，将直径为5mm的玻碳电极依次用粒径分别为3、1、0.3和0.05μm的氧化铝浆在抛光垫上抛光，用蒸馏水冲洗后分别在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗后晾干备用；
19.s22，将2mg空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料粉体和8-12μl 5wt％nafion乙醇溶液分散在0.5ml乙醇中并超声25-35min使之形成均匀混合悬浮液；将12-14μl上述混合悬浮液滴加到清洗后的玻碳电极表面，室温下晾干；
20.s23，将8-12μl 5wt％nafion乙醇溶液分散在0.5ml乙醇中形成nafion稀释溶液，取12-14μl nafion稀释液滴加到步骤s22得到的玻碳电极表面，室温下晾干得到催化剂修饰电极；
21.s24，采用三电极体系，以催化剂修饰电极为工作电极，石墨电极为对电极，饱和甘汞电极(sce)为参比电极，在电位范围-0.1v
–
0.9v(vs.sce)条件下，先在0.2m naoh溶液中，进行循环伏安(cv)扫描1h，后在0.5m磷酸溶液中进行循环伏安(cv)扫描1h，最后在含有10mm抗坏血酸的0.1m pbs溶液中进行循环伏安(cv)扫描2h，以对催化剂修饰电极进行预处理；此预处理对获得稳定及重复性较好的电化学检测信号非常关键，能提高该电极的检测灵敏度和抗干扰能力；
22.s25，将步骤s24预处理后的修饰电极浸在含有1mm抗坏血酸的0.1m pbs溶液中待用。
23.一种上述的方法制备的基于空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的修饰电极。
24.一种上述的基于空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的修饰电极的电化学测试方法，采用三电极体系，以基于空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的修饰电极为工作电极，石墨电极为对电极，饱和甘汞电极(sce)为参比电极，进行脉冲伏安测试。
25.作为进一步改进的，所述脉冲伏安测试的电位范围-0.1v-0.9v(vs.sce)，扫描振幅为50mv，脉冲宽度50ms。
26.作为进一步改进的，所述脉冲伏安测试在0.1m、ph＝6.8的pbs溶液的环境中进行。
27.本发明的有益效果是：
28.本发明提出了一种空间限域型的聚苯胺@石墨烯基/ag纳米复合材料的制备方法，即在pani纳米纤维/三维网络rgo复合材料外层包裹聚苯胺(pani)外壳形成空间限域材料并负载ag纳米粒子形成空间限域型的复合纳米催化剂(pani@pani/3d rgo/ag)。该催化剂制成的修饰电极对da和ua均具有优异的催化性能，可同时检测ua和da，且灵敏度高，线性范围宽；有效解决ua和da测试过程中的干扰问题；该空间限域合成方法可为有效解决金属催化剂中毒和活性退化提供新的思路和方法。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
30.图1是本发明实施例和对比例提供的聚苯胺@石墨烯基纳米催化剂的sem图。pani@pani/3d rgo纳米催化剂载体带局部破损的壳层表面sem图(a)及内部结构图(b)；pani@pani/3d rgo/ag纳米催化剂表面形貌图(c)及内部结构图(d)。
31.图2是本发明实施例和对比例提供的pani@pani/3d rgo/ag修饰电极在含有1mm的ua、2mm的aa、200μm的da的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。
32.图3是本发明实施例和对比例提供的聚苯胺基系列修饰电极在含有200μm da的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。
33.图4是本发明实施例和对比例提供的聚苯胺基系列修饰电极在含有1mm ua的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。
34.图5是本发明实施例和对比例提供的pani@pani/3d rgo/ag修饰电极在含有不同浓度da的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。
35.图6是本发明实施例和对比例提供的da在pani@pani/3d rgo/ag修饰电极上dpv测试的标准曲线。
36.图7是本发明实施例和对比例提供的pani@pani/3d rgo/ag修饰电极在含有不同浓度ua的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。
37.图8是本发明实施例和对比例提供的ua在pani@pani/3d rgo/ag修饰电极上dpv测试的标准曲线。
具体实施方式
38.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.实施例1
41.pani@pani/3d rgo/ag纳米催化剂
42.取氧化石墨烯100mg，加入50ml蒸馏水，50mg水合氯化铁，超声溶解后，放入100ml水热反应釜中，在120度条件下反应2h。自然冷却后用220nm孔径的微孔混合膜过滤。固体产物重新分散在50ml蒸馏水中，搅拌20min后过滤，用水和乙醇清洗；此步骤反复操作5次后，最后用乙醇清洗样品，自然晾干。
43.取50mg上述水热法处理后的氧化石墨烯于250ml平底烧瓶中，加入50ml蒸馏水搅拌分散后，加入1.125ml 47.93mm乙酸银溶液，超声10min后继续搅拌1h。将0.2ml的苯胺单体加入上述溶液中，搅拌10min后加入0.2ml 0.1m fecl3溶液，继续搅拌10min后加入2ml浓磷酸并搅拌8h。取0.3g过硫酸铵加入5ml 10％磷酸溶液中，待完全溶解后缓慢滴加到上述溶液中，滴加完后继续搅拌反应1.5h。将固体产物过滤，用蒸馏水和乙醇清洗，得到的粉体
加入50ml含100mm aa的2％磷酸溶液中，超声5-10s，使粉体分散开，搅拌24h。将产物过滤，用水和乙醇清洗，自然晾干得到pani@pani/3d rgo/ag纳米催化剂粉体。
44.修饰电极的制备：
45.将直径为5mm的玻碳电极依次用粒径分别为3、1、0.3和0.05μm的氧化铝浆在抛光垫上抛光，用蒸馏水冲洗后分别在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗后晾干备用。将2mg纳米催化剂粉体和10μl 5％nafion乙醇溶液分散在0.5ml乙醇中并超声30min使之形成均匀混合悬浮液。将13μl上述混合悬浮液滴加到清洗后的玻碳电极表面，室温下晾干。将10μl 5％nafion乙醇溶液分散在0.5ml乙醇中形成nafion稀释溶液，取13μl nafion稀释液滴加到上述含有纳米催化剂粉体的玻碳电极表面，室温下晾干得到催化剂修饰电极。为了获得稳定及重复性较好的电化学检测信号，须对制备后的催化剂修饰电极进行预处理，即在0.2m naoh溶液中，在电位范围-0.1v
–
0.9v(vs.sce)条件下进行循环伏安(cv)扫描1h，后在0.5m磷酸溶液中进行cv(-0.1v
–
0.9v(vs.sce))扫描1h，最后在含有10mm aa的0.1m pbs溶液中进行cv(-0.1v
–
0.9v(vs.sce))扫描2h。预处理后的修饰电极浸在含有1mm aa的0.1m pbs溶液中待用。
46.电化学测试：
47.电化学实验采用三电极体系，其中以催化剂修饰电极为工作电极，石墨电极为对电极，饱和甘汞电极(sce)为参比电极，进行脉冲伏安(dpv)测试。dpv测试的电位范围-0.1v-0.9v(vs.sce)，扫描振幅为50mv，脉冲宽度50ms。整个实验均在磷酸缓冲液(0.1m pbs溶液，ph＝6.8)的环境中进行。
48.对比例1
49.纳米催化剂为pani@pani/3d rgo纳米催化剂，其制备方法如下：
50.取氧化石墨烯100mg，加入50ml蒸馏水，50mg水合氯化铁，超声溶解后，放入100ml水热反应釜中，在120度条件下反应2h。自然冷却后用220nm孔径的微孔混合膜过滤。固体产物重新分散在50ml蒸馏水中，搅拌20min后过滤，用水和乙醇清洗；此步骤反复操作5次后，最后用乙醇清洗样品，自然晾干。
51.取50mg上述水热法处理后的氧化石墨烯于250ml平底烧瓶中，加入50ml蒸馏水超声分散后继续搅拌1h。将0.2ml的苯胺单体加入上述溶液中，搅拌10min后加入0.2ml 0.1m fecl3溶液，继续搅拌10min后加入2ml浓磷酸并搅拌8h。取0.3g过硫酸铵加入5ml 10％磷酸溶液中，待完全溶解后缓慢滴加到上述溶液中，滴加完后继续搅拌反应1.5h。将固体产物过滤，用蒸馏水和乙醇清洗，得到的粉体加入50ml含100mm aa的2％磷酸溶液中，超声5-10s，使粉体分散开，搅拌24h。将产物过滤，用水和乙醇清洗，自然晾干得到pani@pani/3d rgo纳米催化剂粉体。
52.其他操作同实施例1。
53.对比例2
54.纳米催化剂为pani纳米粉体，其制备方法如下：
55.在250ml平底烧瓶中加入50ml蒸馏水，将0.2ml的苯胺单体加入蒸馏水中，搅拌10min后加入0.2ml 0.1m fecl3溶液，继续搅拌10min后加入2ml浓磷酸并搅拌8h。取0.3g过硫酸铵加入5ml 10％磷酸溶液中，待完全溶解后缓慢滴加到上述溶液中，滴加完后继续搅拌反应1.5h。将固体产物过滤，用蒸馏水和乙醇清洗，得到的粉体加入50ml含100mm aa的
2％磷酸溶液中，超声5-10s，使粉体分散开，搅拌24h。将产物过滤，用水和乙醇清洗，自然晾干得到pani纳米粉体。
56.其他操作同实施例1。
57.对比例3
58.纳米催化剂为pani/ag纳米催化剂，其制备方法如下：
59.在250ml平底烧瓶中加入50ml蒸馏水，加入1.125ml 47.93mm乙酸银溶液和0.2ml的苯胺单体，搅拌10min后加入0.2ml 0.1m fecl3溶液，继续搅拌10min后加入2ml浓磷酸并搅拌8h。取0.3g过硫酸铵加入5ml 10％磷酸溶液中，待完全溶解后缓慢滴加到上述溶液中，滴加完后继续搅拌反应1.5h。将固体产物过滤，用蒸馏水和乙醇清洗，得到的粉体加入50ml含100mm aa的2％磷酸溶液中，超声5-10s，使粉体分散开，搅拌24h。将产物过滤，用水和乙醇清洗，自然晾干得到pani/ag纳米粉体。
60.其他操作同实施例1。
61.实验结果如图1-8所示。
62.图1为聚苯胺@石墨烯基纳米催化剂的sem图。图1a为pani@pani/3d rgo纳米催化剂载体带局部破损的壳层表面形貌图；从图中可以看出作为载体的pani@pani/3d rgo表面为结构较为紧密的聚苯胺壳层；从破损的结构部位可以看出其内部为纤维状的空间结构。从图1b可以看出，pani@pani/3d rgo纳米催化剂载体的内部结构为以rgo为模板表层生长聚苯胺纳米纤维的空间网络结构。由此可以判断，pani@pani/3d rgo催化剂载体为内部聚苯胺纳米纤维/3d rgo复合材料、外部聚苯胺包裹壳层复合形成空间限域型载体。从图1c和1d可以看出，pani@pani/3d rgo/ag纳米催化剂中ag纳米粒子同时负载在外部聚苯胺壳层和内部聚苯胺纳米纤维/3d rgo复合材料表面；ag纳米粒子直径小于20nm。通过eds表征，ag负载量为2.5％。
63.图2为pani@pani/3d rgo/ag修饰电极在含有1mm的ua、2mm的aa、200μm的da的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。从图中可以看出，da的氧化电流电位范围为0.10v-0.42v，氧化峰电位为0.24v；ua的氧化电流电位范围为0.28v-0.57v，氧化峰电位为0.39v；aa在该测试条件下没有明显电化学响应信号。由此，ua、da、aa、三者共存对da和ua的检测均不存在相互干扰；且该测试方法在ua和da的测试过程中均可完全屏蔽aa的信号干扰。
64.图3为聚苯胺基系列修饰电极在含有200μm da的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。从图中可以看出da在聚苯胺基系列修饰电极上的氧化峰电位发生较大的移动。空间限域结构复合材料pani@pani/3d rgo及其负载ag的纳米催化剂氧化峰电位相比较pani明显正移，有利于da和ua共存条件下da的抗干扰检测。图中，da在空间限域结构复合材料pani@pani/3d rgo和pani@pani/3d rgo/ag修饰电极上的电化学响应信号明显大于pani及pani负载的ag催化剂修饰电极，对da表现出优秀的电催化性能；其中空间限域结构催化剂载体pani@pani/3d rgo对负载的ag纳米材料的协同催化作用明显大于pani载体。该原因可能为空间限域结构的催化剂能够有效的解决金属催化剂在使用过程中发生的催化剂中毒或活性退化问题，使金属基催化剂保持较高的催化活性。
65.图4为聚苯胺基系列修饰电极在含有1mm ua的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。从图中可以看出，ua在聚苯胺基系列修饰电极上的氧化峰电位有所不同。空间限域结构复合材料pani@pani/3d rgo及其负载ag的纳米催化剂氧化峰电位相比较pani变化较小。
图中，ua在空间限域结构复合材料pani@pani/3d rgo和pani@pani/3d rgo/ag修饰电极上的电化学响应信号明显大于pani及pani负载的ag催化剂修饰电极；此外，在对ua的电催化氧化过程中，空间限域结构催化剂载体pani@pani/3d rgo对负载的ag纳米材料的协同催化作用明显大于pani载体；其电催化信号增强幅度略微小于da。
66.图5为pani@pani/3d rgo/ag修饰电极在含有不同浓度da的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。图中可以看出不同浓度的da在修饰电极上氧化电流电位范围均位于0.10v-0.42v，氧化峰电位均位于0.24v附近；随着da浓度的增大，da在修饰电极上的电化学响应信号也随之增大，检出限为0.0005μm。在尿液中da的正常浓度为0.1～2μm，在健康个体细胞外液中da的浓度为0.01～1
×
1μm，而在帕金森患者细胞外液中da的浓度更低为1nm。因此本发明提供的da检测方法具有足够低的检测限有希望用于检测帕金森患者细胞外液中da含量，且不受ua和aa的干扰。
67.图6为da在pani@pani/3d rgo/ag修饰电极上dpv测试的标准曲线。从图中可以看出，在本发明检出的浓度范围0.0005μm-200μm，da浓度与峰电流之间呈现双线性关系。在高浓度(5μm-200μm)线性曲线为y＝0.293x 5.854，其相关系数r2＝0.99733。在低浓度(0.0005μm-5μm)线性曲线为y＝1.148x 1.089，其相关系数r2＝0.9793。
68.图7为pani@pani/3d rgo/ag修饰电极在含有不同浓度ua的0.1m pbs(ph 6.8)溶液中的dpv测试图。图中可以看出不同浓度的ua在修饰电极上氧化电流电位范围均位于0.28v-0.57v，氧化峰电位均位于0.39v附近；随着ua浓度的增大，ua在修饰电极上的电化学响应信号也随之增大，检出限为0.001μm。在健康人体血清中ua浓度一般为120-460μm。因此本发明提供方法具有足够高的灵敏度可以用与人体体液中ua的正常检测；且不受da和aa共存液的干扰。
69.图8为ua在pani@pani/3d rgo/ag修饰电极上dpv测试的标准曲线。从图中可以看出，本发明具有极宽的线性检出浓度范围0.001μm-1mm，ua浓度与峰电流之间呈现线性关系，其线性曲线为y＝0.034x 0.6282，相关系数为r2＝0.99648。
70.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。