氧化石墨烯表面分子印迹复合材料、制备方法和应用与流程

1.本发明涉及的是一种电化学传感领域的技术，具体是一种用于检测毒品及新精神活性物质的氧化石墨烯(go)表面分子印迹复合材料、制备方法和应用。


背景技术：

2.新精神活性物质，又称“策划药”或“实验室毒品”，是不法分子为逃避打击而对管制毒品进行化学结构修饰得到的毒品类似物，具有与管制毒品相似或更强的兴奋、致幻、麻醉等效果，已成为继传统毒品、合成毒品后全球流行的第三代毒品。4-甲基乙卡西酮(4-mec)，是一种近年来在英、美、澳等国家较为流行的新兴的合成类兴奋剂，属于合成卡西酮类物质，是管制精神药物卡西酮和甲卡西酮的衍生物。目前滥用4-mec导致精神错乱和死亡的案例已有报道，我国从2014年1月1日起，将其列为第一类精神药品进行管制。目前4-mec的检测方法主要集中在色谱法，其它类型的检测手段仍存在较大空白。
3.基于表面分子印迹石墨烯复合材料的电化学传感器，大多还是在有机溶剂中制备的，因而在有机相体系中具有好的识别性能，在水性体系中的识别能力大大下降，极大的限制了传感器在血液、尿液等生物检材领域中的应用。现有表面分子印迹聚合物制备方法一方面需要提前将合成的聚合物进行研磨和筛分，过程费时、费力、吸附结合位点损失较多，而且得到的无定形颗粒的粒径不均匀，会降低印迹过程中的传质效率；另一方面由于聚合物的高度交联结构，会致使其内部印迹空穴可接近性差，影响印迹效率。
4.现有技术如《用于检测内分泌干扰物的氧化石墨烯分子印迹聚合物平台》(y.li,x.li,c.dong,j.qi,x.han,“a graphene oxide-based molecularly imprinted polymer platform for detecting endocrine disrupting chemicals”,carbon 2010,48,3427-3433.)中记载了一种方法，将可逆加成-断裂链转移试剂以共价键形式固定在石墨烯的方案是利用氯化亚砜先将氧化石墨烯表面的羧基转化为酰氯，再与2-羟乙酯-2
’‑
溴异丁酸通过酰化反应后引入溴原子，格式试剂苯基溴化镁先与二硫化碳反应引入二硫代酯后与溴原子反应得到二硫代酯类可逆加成-断裂链转移试剂共价修饰的氧化石墨烯，该方法不仅操作复杂，而且使用到二硫化碳发反应过程中会有大量恶臭气味放出。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种氧化石墨烯表面分子印迹复合材料、制备方法和应用，这种复合材料以氧化石墨烯(go)为载体，表面含有与4-甲基乙卡西酮(4-mec)形状、尺寸相匹配空穴的亲水性分子印迹聚合物。这种复合材料的制备方法以4-甲基乙卡西酮(4-mec)为模板分子，2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸共价修饰的氧化石墨烯作为大分子链转移试剂，加入引发剂、交联剂及亲水性单体，通过严格的可逆加成-断裂链转移(raft)聚合操作，洗脱掉模板分子后得到氧化石墨烯表面分子印迹复合材料。用该氧化石墨烯表面分子印迹复合材料修饰玻碳电极构建电化学传感器，可用于4-甲基乙卡西酮(4-mec)的电化学检测，具有稳定性好、特异性强、灵敏度高、操作简单等优点。
[0006]
本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007]
本发明涉及一种氧化石墨烯表面分子印迹复合材料，包括：氧化石墨烯、2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸、聚甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯和与4-甲基乙卡西酮(4-mec)形状尺寸与印迹一致的空穴。
[0008]
本发明涉及上述氧化石墨烯表面分子印迹复合材料的制备方法，以具有单片层结构的氧化石墨烯与2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸进行缩合反应制备得到可逆加成-断裂链转移(raft)转移试剂共价修饰的氧化石墨烯后，再以偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂、二乙烯基苯(dvb)作为交联剂、甲基丙烯酰胺(maam)作为单体、4-甲基乙卡西酮(4-mec)作为模板分子进行表面raft聚合反应，待聚合结束后洗脱掉模板分子4-甲基乙卡西酮后得到分子印迹聚合物共价修饰的氧化石墨烯复合材料。
[0009]
所述的单片层结构的氧化石墨烯，采用改进的hummers法制备出氧化程度较高的氧化石墨，并对其水相分散液进行超声得到，具体为：向浓硫酸中加入石墨粉、nano3和kmno4并搅拌反应后，稀释并进一步加入h2o2水溶液，并用稀盐酸搅拌再分散得到。
[0010]
所述的缩合反应，利用2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸上的羧基基团与氧化石墨烯片层表面的羟基官能团的缩合反应，在氧化石墨烯表面共价连接raft试剂，具体为：将单片层结构的氧化石墨烯分散于无水n,n-二甲基甲酰胺后，依次加入2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸、二环己基碳二亚胺(dcc)和4-二甲氨基吡啶(dmap)，待反应充分后用二氯甲烷洗涤至少四次直至滤液里无2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸，得到raft试剂共价修饰的氧化石墨烯(go-raft)。
[0011]
所述的聚合反应，以三硫代酯类raft试剂2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸共价修饰的氧化石墨烯(go-raft)作为大分子链转移剂，通过raft聚合使甲基丙烯酰胺(maam)单体在氧化石墨烯表面发生可控自由基聚合，具体为：在氮气保护下，将4-甲基乙卡西酮加入无水四氢呋喃后，依次加入甲基丙烯酰胺(maam)、二乙烯基苯(dvb)以及上述制备得到的go-raft并分散均匀后，氮气保护下向密闭体系中加入偶氮二异丁腈(aibn)并油浴反应，待反应充分后采用氯仿、甲醇、丙酮洗涤并洗脱至无目标分子检出为止，得到分子印迹聚合物共价修饰的氧化石墨烯复合材料(go-mip)。
[0012]
本发明涉及上述氧化石墨烯表面分子印迹复合材料的应用，将溶液涂滴在基材表面作为工作电极，与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上构建电化学传感器，用于对4-甲基乙卡西酮(4-mec)进行电化学检测。
[0013]
所述的基材，采用但不限于裸玻碳电极。技术效果
[0014]
本发明将单层氧化石墨烯与2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸通过共价键相连得到三硫代酯类raft试剂功能化的氧化石墨烯(go-raft)，以甲基丙烯酰胺(maam)作为单体，二乙烯基苯(dvb)作为交联剂，4-甲基乙卡西酮(4-mec)作为模板分子通过raft表面自由基聚合制备厚度可控且具有良好水相容性的氧化石墨烯表面分子印迹复合材料(go-mip)，并进一步构建基于氧化石墨烯表面分子印迹复合材料的电化学传感器。相比现有技术，本发明既增大了复合材料的吸附容量，也增强了整体复合材料的机械性能，提高了复合材料的再生性和稳定性，整体制备过程简单、条件温和且环境友好，可以通过控制分子印迹聚合物层的生长的来均匀调节分子印迹层的厚度，使得分子印迹聚合物结构中
交联点分布更加均匀，有利于减少“包埋”现象，进一步提高了电化学传感器的特异性和灵敏度。
附图说明
[0015]
图1为go-nip和go-mip的制备流程图；
[0016]
图2为go、go-raft、go-nip和go-mip的红外光谱图；
[0017]
图3为go、go-raft和go-mip的拉曼光谱图；
[0018]
图4为实施例扫描电镜图；
[0019]
图中：(a)go、(b)go-raft和(c)go-mip；
[0020]
图5为实施例透射电镜图；
[0021]
图中：(a)go和(b)go-mip；
[0022]
图6为为实施例中go-mip和go-nip的吸附动力学曲线；
[0023]
图7为实施例中重复去除效率图；
[0024]
图中：(a)go-mip和go-nip的选择性识别性能；(b)go-mip；
[0025]
图8为实施例中裸电极、go、go-nip和go-mip的效果示意图；
[0026]
图中：(a)循环伏安图、(b)差示脉冲伏安曲线图；
[0027]
图9为实施例中go-mip电极检测不同浓度4-mec的检测效果示意图；
[0028]
图中：(a)dpv曲线图、(b)峰电流校正曲线图。
具体实施方式
[0029]
如图1所示，本实施例涉及一种氧化石墨烯表面分子印迹复合材料(go-mip)，包括：氧化石墨烯、2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸、聚甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯和与4-甲基乙卡西酮形状尺寸一致的空穴。
[0030]
如图1所示，为本实施例涉及一种氧化石墨烯表面分子印迹复合材料(go-mip)的制备方法，具体包括：
[0031]
步骤1)利用改进的hummers法制备氧化石墨烯(go)(参考文献：shen,j.f.；hu,y.z.；shi,m.；li,n.；ma,h.w.；ye,m.x.one step synthesis of graphene oxide-magnetic nanoparticle composite.j.phys.chem.c 2010,114,1498
–
1503.)：在干燥的烧杯中加入250ml 98％的浓硫酸，冷却至0℃，搅拌下加入5g石墨粉，5g nano3和20g kmno4，控制反应液温度在0-10℃，低温反应搅拌4h；然后将烧杯置于35℃左右的恒温水浴中，待反应液温度升至35℃左右时继续搅拌，中温反应12h；最后进行高温反应，即在搅拌中加入250ml去离子水，继续搅拌至自然冷却至室温。用去离子水将反应液稀释至1000ml后加入50ml 30％h2o2水溶液,自然分层后移去上清液，用5％hcl搅拌再分散，静置分层后移去上清液，去离子水多次充分洗涤直至滤液中性，且无so
42-(用bacl2溶液检测)，冷冻干燥得到棕黄色的粉末氧化石墨。取该粉末分散于水中制备1mg/ml悬浮液，超声3h，以10000rpm的转速离心，收集上层清液后旋干水分后得到黄色屑状产品氧化石墨烯(go)。
[0032]
步骤2)制备raft试剂共价修饰的氧化石墨烯(go-raft)：取1g的氧化石墨烯，分散到500ml的无水n,n-二甲基甲酰胺，充分搅拌15min后超声30min。加入2.5g 2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸，室温下搅拌5min后加入2.5g二环己基碳二亚胺(dcc)和
0.5g4-二甲氨基吡啶(dmap)，室温下反应24h，旋蒸除去溶剂，剩余固体用二氯甲烷洗涤至少四次直至滤液里无2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸，得到固体(go-raft)，35℃真空干燥过夜。
[0033]
步骤3)制备分子印迹聚合物共价修饰的氧化石墨烯(go-mip)：氮气保护下，取200mg的4-甲基乙卡西酮(4-mec)于史莱克反应管中，加入20ml的无水四氢呋喃，随后依次加入1.02g的甲基丙烯酰胺(maam)，8.2ml的二乙烯基苯(dvb)，200mg的go-raft，经三次冷冻-抽真空-溶解通氮气循环来除去反应液中的氧气。超声30min使各反应物分散均匀。氮气保护下，向密闭体系中加入2mg偶氮二异丁腈(aibn)。氮气保护下，55℃油浴反应24h。反应结束后抽滤收集产物，产物依次用氯仿、甲醇、丙酮各洗涤3次后，洗脱至无目标分子检出为止。60℃下真空干燥过夜，得到分子印迹聚合物共价修饰的氧化石墨烯(go-mip)。通过控制反应时间，可以得到不同厚度的分子印迹聚合物。非分子印迹聚合物共价修饰的氧化石墨烯(go-nip)的制备过程，除不加4-甲基乙卡西酮外(4-mec)其它实验步骤与go-mip相同。
[0034]
采用红外光谱技术对go-mip复合材料制备过程中每一步产物的化学结构进行表征，如图2所示，go在3400cm-1
的宽峰归因于-oh的伸缩振动，1723cm-1
处是典型的羰基峰，在1645cm-1
处的特征吸收峰归属于c＝c官能团；当go表面的羟基官能团的发生缩合反应后，go-raft的羟基峰明显减弱，1386cm-1
时出现了-ch2伸缩振动峰，在807cm-1
处出现了c-s伸缩振动峰。当继续在go引发raft聚合后，在1000-1250cm-1
的范围内出现了多个峰为-ch面内振动，1559cm-1
处的峰是来自n-h键振动，以上结果证明了go-raft表面成功生成了聚合物层。此外，go-nip和go-mip的特征峰在检测范围内无明显差异，说明4-甲基乙卡西酮(4-mec)作为模板分子己被完全去除。
[0035]
拉曼光谱是研究碳素材料的重要手段，如图3所示，为go、go-raft和go-mip的拉曼光谱图，由图可知go，go-raft和go-mip在1325cm-1
和1583cm-1
处均有吸收峰，分别对应d带和g带。g带通常与sp2杂碳原子在二维六角晶格内的振动有关，而d带的强弱表示无序性。说明在分子印迹聚合物形成的过程中，模板分子和功能单体并没有破环石墨烯中特有的π电子网络状结构。
[0036]
扫描电镜图(sem)能够直观的显示纳米材料表面形态，图4为go、go-raft和go-mip的扫描电镜图。由图4a可知，氧化石墨烯go形貌呈层状，且能明显观察到褶皱。go-raft与go的表面形貌相差不大(图4b)，小分子raft试剂与go的共价相连未引起go表面形貌的明显变化；但从图4c中可以明显看出go-mip表面呈现的是致密、粗糙的结构，说明在go-raft表面形成了一层致密的分子印迹聚合物层。
[0037]
利用透射电子显微镜(tem)进一步观察制备的go和go-mip的微观结构与形貌。从图5a中可以看出氧化石墨烯是层状结构，厚度很薄、透明，像一层柔性膜，且表面有明显褶皱这是经过氧化超声后石墨片层被撑开不均匀留下的空隙，为其作为分子印迹材料载体提供了很好的基础。从go-mip的tem(图5b)可见，go表面上出现大量包覆物，看到分子印迹聚合物层已负载到go表面上，这说明go是分子印迹过程的优良载体。tem表征进一步证明分子印迹聚合物层已经成功接枝到go表面。
[0038]
为了考察go-mip复合材料对代表性模板分子4-mec的吸附速率，图6为go-mip和go-nip吸附动力学曲线。go-mip对4-mec的吸附容量在20min内急速的增加后达到平衡时吸附容量的62％，随后吸附量逐渐趋缓，100min后基本达到吸附平衡，平衡吸附量约为
22.36mg g-1
，然而go-nip对4-mec有很少量的吸附，平衡吸附量仅为7.39mg g-1
，属于非特异性吸附。go-mip和go-nip的吸附动力学曲线进一步说明了在分子印迹过程中，模板分子在分子印迹聚合物中留下的印迹孔穴的活性结合位点决定了分子印迹聚合物对模板分子的高度亲和力和特异吸附性。
[0039]
特异性检测实验采用4-甲基甲卡西酮(4-mmc)、1-(4-甲基苯基)-2-(二甲基氨基)-1-丙酮(4-mdmc)、四氢呋喃芬太尼(thf-f)和甲基橙(mo)作为干扰物进行对比实验。由图7a所示，go-mip对4-mec的吸附容量为22.36mg g-1
，远远大于4-mmc、4-mdmc、thf-f和mo，这表明4-mec与分子印迹聚合物的结合能力强。这是由于go-mip具有与4-mec分子大小、空间结构相匹配的印迹位点，可特异性的选择性吸附模板分子。其它干扰物由于形状尺寸与印迹空穴不同，不能进行特异性结合，所以表现出吸附容量较小。go-nip对五种化合物吸附量相差很小，这是因为在go-nip的内部没有选择性的结合点，主要依靠聚合物表面非选择作用吸附底物分子，对底物无法进行有效的分离与识别。
[0040]
再生性和稳定性是衡量go-mip应用的重要指标，该氧化石墨烯表面分子印迹复合材料可以通过氯仿、甲醇、丙酮等有机溶剂的多次洗脱得以重复利用。为研究其稳定性和再生性，进行了吸附-解吸附循环实验6次。从图7b中可以看出，go-mip在经过6次重复利用后，其对4-mec的去除效率仍然保持在70％以上，说明经过多次洗涤，具有较高的可重复利用性。
[0041]
本实施例涉及一种氧化石墨烯表面分子印迹复合材料的应用，将上述方法制备得到的氧化石墨烯表面分子印迹复合材料的溶液涂滴在基材表面作为工作电极，与参比电极和对电极一起正确连接在电化学工作站上构建电化学传感器：采用裸玻碳电极作为基材，用0.05μm的al2o3粉末在麂皮上抛光成镜面后，依次用丙酮、hno3、naoh(1mol/l)和二次蒸馏水中超声，室温下晾干待用。3mg的go-mip加入至1ml水/乙醇(3:7)溶液，加入25μl nafion，超声混合均匀，接着取该混合溶液4μl涂滴在处理好的裸玻碳电极表面，干燥后作为工作电极，汞/氯化汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系放入到5.0mmol l-1
k3[fe(cn)6](含0.1mol l-1
kcl)的缓冲溶液中，分别采用循环伏安法(cv)和差分脉冲伏安法(dpv)对其进行测试。
[0042]
图8a是裸电极、go、go-nip和go-mip的循环伏安图(cv)，从图中可观察在裸的玻碳电极上，[fe(cn)6]
3-/
4-能自由的发生氧化还原反应，具有可逆的电子转移过程，拥有一对对称的氧化还原峰。go-nip电极在此条件下峰值不太明显，可能是非印迹材料表面覆盖着聚合物阻碍了离子在电极表面的氧化还原反应，所以峰电流减小。go-mip电极具有较强的氧化还原峰，一是由于选择性识别位点的“孔穴”提供，二是石墨烯的层状结构为反应提供较多的空间位点，促进了电子的传输。在相同的条件下采用差分脉冲伏安法(dpv)对分子印迹电化学传感器的印迹效应进行评价，图8b的结果和cv曲线的结论一致。
[0043]
对于分子印迹电化学传感器来说，对目标分子有高的检测灵敏度是非常重要的。通过dpv测试该分子印迹电化学传感器对4-mec检测的灵敏度和线性范围。在最优条件下，随着4-mec浓度的增大，dpv的峰氧化峰电流随之增大(图9a)。在5到100μg ml-1
范围内，4-mec的峰电流与浓度呈一个良好的线性关系(图9b)，其回归方程为y＝0.3317x 4.622,相关系数r＝0.9907。这可能是因为在go-mip具有大的比表面积和很多印迹位点，使得该材料对印迹分子具有强吸附性能。应用公式lod＝3s/m(s是空白峰电流的标准偏差，m是校准曲线
的斜率)计算出检测限为0.574μg ml-1
。
[0044]
与现有技术相比，本方法引入raft聚合技术，以三硫代酯类raft试剂2-[十二烷硫基(硫代羰基)硫基]-2-甲基丙酸共价修饰的氧化石墨烯片层作为大分子链转移剂，采用可控自由基聚合在氧化石墨烯表面制备分子印迹聚合物，整体制备过程简单、条件温和且环境友好，可以通过控制分子印迹聚合物层的生长的来均匀调节分子印迹层的厚度，使得分子印迹聚合物结构中交联点分布更加均匀，有利于减少“包埋”现象。基于氧化石墨烯表面亲水性聚合物的自组装，实现在水相中检测目标分子的电化学传感器的制备，可用于未经处理的实际生物检材样本(如尿液、血液等)进行回收分析，为新精神活性物质4-甲基乙卡西酮的痕量检测提供一种全新的检测方法，具有稳定性好、特异性强、灵敏度高、操作简单等优点。
[0045]
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。