一种改性石墨烯酶电极葡萄糖传感器的制备方法与流程

1.本发明涉及生物传感器技术领域，具体的说，是涉及一种改性石墨烯酶电极葡萄糖传感器的制备方法。


背景技术：

2.糖尿病是一类以高血糖为主要特征的由体内胰岛素分泌缺陷或者组织细胞的胰岛素抵抗引起的代谢性疾病。随着近年来糖尿病患者的增多，糖尿病的早期诊断有着愈发重要的意义。葡萄糖生物传感器是用来检测液体系中葡萄糖浓度的传感器，能对血糖含量进行快速、准确的诊断，其研究备受科研工作者的关注。新型材料是推动生物传感器发展的动力，石墨烯，一种碳基材料，由单层类似蜂窝状的二维晶格组成，由于其良好的导电性、高比表面积及良好的生物相容性，使其在电化学传感器方面有很大的应用潜能。
3.然而，石墨烯分散性较差且容易团聚的特性阻碍了其应用。目前，石墨烯及其复合材料在葡萄糖氧化酶生物传感器的应用中有生物相容性差、线性范围低、制备过程复杂、成本偏高等缺点。因此，如何将石墨烯成功的应用在葡萄糖氧化酶生物传感器上是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种改性石墨烯酶电极葡萄糖传感器的制备方法。
5.本发明技术方案如下所述：
6.本发明提供一种改性石墨烯酶电极葡萄糖传感器的制备方法，包括：
7.步骤s1、在石墨烯表面修饰羧基，得到羧基化石墨烯；
8.步骤s2、将羧基化石墨烯与四氧化三铁混合制备，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料；
9.步骤s3、将羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料和葡萄糖氧化酶混合固定在丝网印刷碳电极表面，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极；
10.步骤s4、在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯外膜，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印刷碳电极。
11.根据上述方案的本发明，步骤s1具体包括：
12.步骤s11、将氧化石墨烯配置成氧化石墨烯悬浊液；
13.步骤s12、将氢氧化钠和氯乙酸钠加入到氧化石墨烯悬浊液中，水浴超声，得到澄清溶液；
14.步骤s13、先用稀盐酸中和得到的澄清溶液，再用去离子水反复冲洗至中性，然后离心，去除上清液，最后将所得产物放入到烘箱中烘干，得到羧基化石墨烯。
15.进一步的，在步骤s12中，氢氧化钠和氯乙酸钠为等摩尔比。
16.根据上述方案的本发明，步骤s1具体包括：
17.步骤s11、将氧化石墨烯配置成浓度为1g/l的氧化石墨烯悬浊液；
18.步骤s12、将50mg的氢氧化钠和50mg的氯乙酸钠加入到1ml浓度为1g/l的氧化石墨烯悬浊液中，然后水浴超声2h，得到澄清溶液；
19.步骤s13、先用稀盐酸中和得到的澄清溶液，再用去离子水反复冲洗至中性，然后离心，去除上清液，最后将产物放入到40℃的烘箱中烘干，得到羧基化石墨烯。
20.根据上述方案的本发明，步骤s2具体包括：
21.步骤s21、向fecl2·
4h2o和fecl3·
6h2o混合溶液中加入氨水溶液，剧烈搅拌，水浴恒温，以使反应充分进行，混合溶液由橙红色逐渐变成黑色后停止反应；
22.步骤s22、反应完成后，离心分离，去离子水反复洗涤产物至中性，去除上清液，将洗涤后的产物放在真空下干燥，最后得到四氧化三铁；
23.步骤s23、将羧基化石墨烯溶于去离子水中，超声分散使溶液充分混合均匀；
24.步骤s24、将研磨后的四氧化三铁加入到配置好的羧基化石墨烯溶液中，超声分散均匀后，真空干燥，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料。
25.进一步的，在步骤s22中，fecl2·
4h2o：fecl3·
6h2o物质的量的比为1:1。
26.根据上述方案的本发明，步骤s2具体包括：
27.步骤s21、向物质的量为1：1的fecl2·
4h2o和fecl3·
6h2o混合溶液中加入质量分数为25％-28％的氨水溶液，然后剧烈搅拌，水浴恒温，以使反应充分进行，混合溶液由橙红色逐渐变成黑色后停止反应；；
28.步骤s22、反应完成后，离心分离，去离子水反复洗涤产物至中性，去除上清液，将洗涤后的产物在60℃真空干燥，最后得到四氧化三铁；
29.步骤s23、将羧基化石墨烯溶于去离子水中，超声分散使溶液充分混合均匀；
30.步骤s24、将研磨后的四氧化三铁颗粒加入到配置好的羧基化石墨烯溶液中，超声分散均匀后，在60℃下真空干燥12h，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料。
31.根据上述方案的本发明，步骤s3具体包括：
32.步骤s31、取适量的羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料配置成悬浮液，并向其中加入葡萄糖氧化酶涡旋震荡，溶液混合均匀后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液；
33.步骤s32、将羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液涂覆在丝网印刷碳电极表面，干燥后得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极。
34.进一步的，步骤s3具体包括：
35.步骤s31、取适量的羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料配置成1mg
·
ml-1
的悬浮液，并向其中加入5mg
·
ml-1
的葡萄糖氧化酶涡旋震荡，溶液混合均匀后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液；
36.步骤s32、将羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液涂覆在丝网印刷碳电极表面，干燥后得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极。
37.根据上述方案的本发明，步骤s4具体包括：
38.步骤s41、在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯外膜；
39.步骤s42、干燥后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印
刷碳电极，并放入磷酸缓冲盐溶液中保存备用。
40.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
41.1、本发明通过将石墨烯进行功能化，在其表面修饰羧基，使其更容易分散在水溶液中，然后将羧基化石墨烯与四氧化三铁混合制备，得到了羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料，同时将复合材料和葡萄糖氧化酶混合固定在丝网印刷碳电极表面，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极，并在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯外膜，从而制备得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印刷碳电极，即一种新型的葡萄糖传感器；
42.2、通过羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料来修饰葡萄糖生物传感器电极材料，该电极制备方法简单，生物相容性好，成本较低，构建的葡萄糖生物传感器能在很大程度上提升传感器灵敏度，增大线性范围，具有很好的应用价值；
43.3、羧基化石墨烯材料有高比表面积、易于保存和改善导电性的优点，能与电极材料共价结合，具有良好的亲水性，更好分散于溶剂中，且该材料带负电，能够增强传感器的抗干扰性能。
附图说明
44.图1为本发明的方法流程图；
45.图2为图1中步骤s1的具体流程图；
46.图3为图1中步骤s2的具体流程图；
47.图4为图1中步骤s3的具体流程图；
48.图5为图1中步骤s4的具体流程图；
49.图6为本发明中羧基化石墨烯合成过程的示意图。
具体实施方式
50.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
51.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
52.实施一
53.请参阅图1至图5，本发明实施例提供了一种改性石墨烯酶电极葡萄糖传感器的制备方法，包括以下步骤：
54.步骤s1、在石墨烯表面修饰羧基，得到羧基化石墨烯(gc)，具体为：
55.步骤s11、将氧化石墨烯(go)配置成氧化石墨烯悬浊液；
56.步骤s12、将氢氧化钠(naoh)和氯乙酸钠加入到氧化石墨烯悬浊液中，水浴超声，得到澄清溶液；
57.步骤s13、先用稀盐酸(氯化氢质量分数低于20％的盐酸)中和得到的澄清溶液，使用稀盐酸的目的是为了得到羧基，除去多余的氢氧化钠并避免其他离子的加入影响，再用
去离子水反复冲洗至中性，以除去多余的酸和碱，然后离心，去除上清液，最后将产物放入到烘箱中烘干，得到羧基化石墨烯，合成过程如图6所示。
58.步骤s2、将羧基化石墨烯与四氧化三铁(fe3o4)混合制备，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁(gc/fe3o4)纳米复合材料，具体为：
59.步骤s21、向fecl2·
4h2o和fecl3·
6h2o混合溶液中加入氨水溶液，剧烈搅拌，水浴恒温，以使反应充分进行，混合溶液由橙红色逐渐变成黑色后停止反应；
60.步骤s22、反应完成后，离心分离，去离子水反复洗涤产物至中性以除去多余的碱，去除上清液，将洗涤后的产物放在真空下干燥，最后得到四氧化三铁；
61.步骤s23、将羧基化石墨烯溶于去离子水中，超声分散使溶液充分混合均匀；
62.步骤s24、将研磨后的四氧化三铁加入到配置好的羧基化石墨烯溶液中，超声分散均匀后，真空干燥，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料。
63.步骤s3、将羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料和葡萄糖氧化酶(gox)混合固定在丝网印刷碳电极(spce)表面，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极(gc/fe3o4/spce)，具体为：
64.步骤s31、取适量的羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料配置成悬浮液，并向其中加入葡萄糖氧化酶涡旋震荡，溶液混合均匀后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液，即内膜混合溶液；
65.步骤s32、将羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液涂覆在丝网印刷碳电极表面，干燥后得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极。
66.步骤s4、在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯(pu)外膜，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印刷碳电极(gc/fe3o4/gox/spce/pu)，具体为：
67.步骤s41、在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯外膜，聚氨酯外膜的作用是限制葡萄糖的进入，保护电极的内部结构；
68.步骤s42、干燥后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印刷碳电极，并放入磷酸缓冲盐溶液中保存备用。
69.在本实施例中，在步骤s12中，氢氧化钠和氯乙酸钠为等摩尔比，加入目的是为了使氧化石墨烯上的羟基和环氧基转化为羧基，氢氧化钠为反应提供碱性环境，增强水解，与氯乙酸钠中残存氯乙酸进行反应形成相应的盐，避免其他离子的加入影响。
70.在本实施例中，在步骤s21中，fecl2·
4h2o：fecl3·
6h2o按物质的量为1：1混合，反应理论摩尔比fe
2
:fe
3
为1:2，但由于二价铁离子容易氧化成三价铁离子，所以实际反应中二价铁离子应适当过量。
71.实施二
72.请参阅图1，本发明实施例提供一种改性石墨烯酶电极葡萄糖传感器的制备方法，包括以下步骤：
73.步骤s1、在石墨烯表面修饰羧基，得到羧基化石墨烯，具体为：
74.步骤s11、将氧化石墨烯配置成浓度为1g/l的氧化石墨烯悬浊液；
75.步骤s12、将50mg的氢氧化钠和50mg的氯乙酸钠加入到1ml浓度为1g/l的氧化石墨烯悬浊液中，氢氧化钠和氯乙酸钠为等摩尔比，加入目的是为了使氧化石墨烯上的羟基和
环氧基转化为羧基，氢氧化钠为反应提供碱性环境，增强水解，与氯乙酸钠中残存氯乙酸进行反应形成相应的盐，避免其他离子的加入影响，然后水浴超声2h，得到澄清溶液；
76.步骤s13、先用稀盐酸中和得到的澄清溶液，使用稀盐酸的目的是为了得到羧基，除去多余的氢氧化钠并避免其他离子的加入影响，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去多余的酸和碱，然后离心，去除上清液，回收所得固体，最后将产物放入到烘箱中烘干，得到羧基化石墨烯，合成过程如图6所示。因温度过高或过低都会影响羧基的存在，因此选择在40℃的温度下烘干产物。
77.步骤s2、将羧基化石墨烯与四氧化三铁混合制备，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料，具体为：
78.步骤s21、向物质的量为1：1的fecl2·
4h2o和fecl3·
6h2o混合溶液中加入质量分数为25％-28％的氨水溶液(fecl2·
4h2o：fecl3·
6h2o按物质的量为1：1混合，使得反应理论摩尔比fe
2
:fe
3
为1:2，但由于二价铁离子容易氧化成三价铁离子，所以实际反应中二价铁离子应适当过量，而选用质量分数为25％-28％的氨水溶液的目的在于，如果氨水浓度过高，就会有许多未反应的nh3·
h2o附着在产物粒子表面，从而使产物粒径增大)，然后剧烈搅拌，水浴恒温，以使反应充分进行，混合溶液由橙红色逐渐变成黑色后停止反应；
79.步骤s22、反应完成后，离心分离，去离子水反复洗涤产物至中性以除去多余的碱，去除上清液，将洗涤后的产物在60℃真空干燥，最后得到四氧化三铁；
80.步骤s23、将羧基化石墨烯溶于去离子水中，超声分散使溶液充分混合均匀，将研磨后的四氧化三铁颗粒加入到配置好的羧基化石墨烯溶液中，超声分散均匀后，在60℃下真空干燥12h，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料。因为四氧化三铁高温下会被还原，所以需要在60℃的真空下干燥。
81.步骤s3、将羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料和葡萄糖氧化酶混合固定在丝网印刷碳电极表面，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极，具体为：
82.步骤s31、取适量的羧基化石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料配置成1mg
·
ml-1
的悬浮液，并向其中加入5mg
·
ml-1
的葡萄糖氧化酶涡旋震荡，溶液混合均匀后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液，即内膜混合溶液；上述配比的羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液为最优选，可以将复合材料和葡萄糖氧化酶更好的混合固定在丝网印刷碳电极表面；
83.步骤s32、将羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶混合溶液涂覆在丝网印刷碳电极表面，干燥后得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极。
84.步骤s4、在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯外膜，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印刷碳电极，具体为：
85.步骤s41、在羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶丝网印刷碳电极上涂覆一层聚氨酯外膜，聚氨酯外膜的作用是限制葡萄糖的进入，保护电极的内部结构；
86.步骤s42、干燥后，得到羧基化石墨烯/四氧化三铁/葡萄糖氧化酶/聚氨酯丝网印刷碳电极，并放入磷酸缓冲盐溶液中保存备用。
87.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，
而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
88.上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。