基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极、其制备方法及应用。本发明专利技术是以离子液体碳糊电极(CILE)为基底电极，混合滴涂海藻酸衍生物(AAD)‑石墨烯(GR)‑肌红蛋白(Mb)复合材料于基底电极表面，滴涂Nafion固定修饰电极。AAD具有两亲性、良好的胶体界面活性和优异的生物相容性，对疏水性的石墨烯能实现有效分散，能促进蛋白质与电极间的电子转移，并且保持蛋白质和石墨烯的物化性能。本发明专利技术将GR优异的电化学性能与AAD良好的胶体界面活性和优异的生物相容性结合起来，开发出具有较高的电催化性能的第三代新型生物传感器，以应用于对自来水中TCA的实时监测。

Modified electrode based on alginate derivative dispersed graphene, its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种生物传感器，特别涉及一种基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极、其制备方法及应用，属于电化学生物传感

技术介绍
肌红蛋白(Mb)因其结构已知，易购买及相对分子质量较低而成为一种理想的氧化还原蛋白质。Mb的直接电子转移是基于其结构中存在生物活性物质亚铁血红素辅基电对Fe(III)/Fe(II)。然而它的结构复杂，其活性中心深藏于蛋白质的内部结构中，远离电极表面，且电极表面蛋白分子的方向定位以及蛋白质在电极表面存在不可逆吸附而发生变性等原因，使得蛋白质与基体电极之间的电子转移通常较难实现。因此，需选择适当的电极修饰材料如聚合物，金属氧化物纳米粒和石墨烯(GR)等来对基体电极进行修饰，帮助蛋白质有效定位于电极表面，以缩短活性基团与电极之间的距离，继而加快它们之间的电子转移速率。GR具有较大的比表面积，良好的机械性能，较高的导电性和优良的电催化活性，成为构建生物传感器中最有前景的材料之一。GR是一种由碳原子sp2杂化构成的二维单片层晶体结构。自从2004年发现GR以来，就因其特殊的理化性质和独特的结构特征，极大地引发了电化学及电化学生物传感器领域众多研究者的兴趣。GR在水介质中存在范德华力和π-π键堆积，其片层间较易发生不可逆聚集，使得GR较难分散在水溶液中，不利于生物传感器的构建。在实际的电化学应用中，通常将GR进行化学功能化来提高它的分散能力。但是，功能化过程可能会破坏GR的独特结构，从而降低其导电性以及其它方面的性能。因此，我们提出一种无需GR功能化的有效方法来促进GR的分散。有关文献报道，水溶性的表面活性剂能促进电极与氧化还原蛋白之间的电子转移。表面活性剂与蛋白质之间的相互作用抑制了蛋白质在电极表面的因不可逆吸附而发生的变性行为，有助于定位蛋白质于疏水性的电极表面，从而实现蛋白质在电极表面的电化学行为。海藻酸钠的改性是通过引入疏水基团到其亲水骨架上，使其成为具有两亲性的海藻酸盐衍生物，可以增强其与疏水性GR的亲和性。所以，我们可以利用具有双亲性的海藻酸盐衍生物来分散GR，不仅促进了电极与蛋白质之间的电子转移，而且还保持了蛋白质的生物活性和GR的物化性能。据文献查阅得知，到目前为止，有关使用具有生物相容性的两亲性海藻酸盐衍生物来分散GR和固定氧化还原蛋白质来构建电化学生物传感器的报道甚少。三氯乙酸(TCA)是一种氟氯碳有机污染物，在工业，农业和公共健康等领域得到日益广泛的关注，已经成为重要的环境问题。
技术实现思路
本专利技术针对石墨烯片层间存在较大的范德华力,易发生堆积和聚集的缺陷，提出了一种基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极的制备方法，该方法利用两亲性AAD的胶体界面活性和优异的生物相容性，一方面促进GR在聚合物基质中的充分分散，另一方面保持氧化还原蛋白质的生物活性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建电化学生物传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)离子液体碳糊电极(CILE)将石墨粉，正己基吡啶六氟磷酸盐(HPPF6)和液体石蜡按2.4～3.8g：1.0～2.0g：0.8～1.6mL的比例混合，用研钵充分研磨2～4小时后将其作为填料装到玻璃管中压实，插入铜丝作为导线，并将其表面打磨光亮即得到CILE；(2)AAD-GR-Mb复合材料修饰电极的制备配置两亲性海藻酸盐衍生物(AAD)分散石墨烯(GR)混合液，超声分散后得到均匀分散的悬浮液，再向其中加入肌红蛋白(Mb)，震荡混合均匀后，得到AAD浓度为1.5～2.5mg/mL、GR浓度为0.8～1.8mg/mL、Mb浓度为4.0～8.0mg/mL的AAD-GR-Mb混合液；AAD-GR-Mb混合液滴涂于已打磨光亮的CILE表面，待其表面晾干后，再涂覆一层Nafion，以阻止复合膜中Mb的渗漏，从而制得稳定的修饰电极Nafion/AAD-GR-Mb/CILE。本专利技术是以离子液体碳糊电极(CILE)为基底电极，混合滴涂海藻酸衍生物(AAD)-石墨烯(GR)-肌红蛋白(Mb)复合材料于基底电极表面，滴涂Nafion固定修饰电极。AAD具有两亲性、良好的胶体界面活性和优异的生物相容性，对疏水性的石墨烯能实现有效分散，能促进蛋白质与电极间的电子转移，并且保持蛋白质和石墨烯的物化性能。本专利技术通过AAD构建的生物界面，使GR和Mb铆合得更加紧密，提高两者之间的直接电子转移速率。将GR优异的电化学性能与AAD良好的胶体界面活性和优异的生物相容性结合起来，开发出具有较高的电催化性能的第三代新型生物传感器，以应用于对自来水中TCA的实时监测。石墨烯(GR)由于其较大的比表面积，较高的导电性和优良的电催化活性，成为构建生物传感器中最有前景的材料之一。但是石墨烯片层间存在较大的范德华力，易发生堆积和聚集，从而限制了其应用。本专利技术主要是利用两亲性海藻酸盐衍生物(AAD)的胶体界面活性和优异的生物相容性，一方面促进GR在聚合物基质中的充分分散，另一方面保持肌红蛋白(Mb)的生物活性。通过AAD构建的生物界面，使GR和Mb铆合得更加紧密，提高两者之间的直接电子转移速率。在本专利技术中，利用滴涂技术将AAD分散GR和Mb的均匀混合液涂覆于离子液体碳糊电极(CILE)的表面。待其表面晾干后，涂覆一层Nafion，以阻止Mb从电极表面泄漏，从而制备得到稳定的修饰电极Nafion/AAD-GR-Mb/CILE。所制备的AAD-GR-Mb复合涂层，由于降低了GR和Mb的物理屏障，使其展现出较高的电催化性能，可应用于对自来水中三氯乙酸(TCA)的电化学传感分析。本专利技术构建的电化学生物传感器具有较高的电催化性能，且选择性好、灵敏度高和成本较低，可应用于对自来水中三氯乙酸(TCA)的实时监测。作为优选，步骤(2)所述的滴涂于修饰电极的AAD-GR-Mb混合液的用量为6.0～12.0μL，Nafion的质量分数为5％～10％，用量为5～10μL。作为优选，AAD的制备方法包括海藻酸盐的酰化反应改性、酯化反应改性、Ugi反应改性和SN2反应改性四种方法，其中海藻酸盐的酰化反应是以癸胺为改性剂，在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)的催化作用下实现偶联接枝改性；海藻酸盐的酯化反应是以癸醇为改性剂，在N,N'-二环己基碳二亚胺/4-二甲氨基吡啶(DCC/DMAP)的催化作用下实现偶联接枝改性；海藻酸盐的Ugi反应改性是由海藻酸盐、癸胺、甲醛和环己基异腈实施的四组分组合反应；海藻酸盐的SN2反应改性是将海藻酸中和为海藻酸四丁基铵盐，然后在有机溶液DMF中以1-氯癸烷为改性剂实施SN2反应接枝改性。AAD的制备由于海藻酸盐分子链上含有大量可被修饰的羟基和羧基基团，通过合理的化学偶联方法将适量的疏水侧基接枝到其主链上，可以通过疏水侧基的疏水缔合作用自组装形成疏水微畴来改善海藻酸盐凝胶材料的结构稳定性。疏水侧基的接枝赋予了海藻酸盐独特的亲水亲油性能，能够实现对GR和Mb的分散和包覆，降低GR和Mb的物理屏障，促进两者的电子转移。两亲性AAD的制备方法主要涉及海藻酸盐的酰化反应改性、酯化反应改性、Ugi反应改性和SN2反应改性四种改性方式。其反应过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：(1)离子液体碳糊电极(CILE) 的制备将石墨粉，正己基吡啶六氟磷酸盐(HPPF6) 和液体石蜡按2.4~3.8g：1.0~2.0 g：0.8~1.6 mL的比例混合，用研钵充分研磨2~4小时后将其作为填料装到玻璃管中压实，插入铜丝作为导线，并将其表面打磨光亮即得到CILE；(2) AAD‑GR‑Mb复合材料修饰电极的制备配置两亲性海藻酸盐衍生物(AAD)分散石墨烯(GR)混合液，超声分散后得到均匀分散的悬浮液，再向其中加入肌红蛋白(Mb)，震荡混合均匀后，得到AAD浓度为 1.5~2.5 mg/mL 、GR浓度为 0.8~1.8 mg/mL、Mb浓度为4.0~8.0 mg/mL的AAD‑GR‑Mb混合液；AAD‑GR‑Mb混合液滴涂于已打磨光亮的CILE表面，待其表面晾干后，再涂覆一层Nafion，以阻止复合膜中Mb的渗漏，从而制得稳定的修饰电极Nafion/AAD‑GR‑Mb/CILE。

【技术特征摘要】
1.一种基于海藻酸衍生物分散石墨烯构建的修饰电极的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：(1)离子液体碳糊电极(CILE)的制备将石墨粉，正己基吡啶六氟磷酸盐(HPPF6)和液体石蜡按2.4~3.8g：1.0~2.0g：0.8~1.6mL的比例混合，用研钵充分研磨2~4小时后将其作为填料装到玻璃管中压实，插入铜丝作为导线，并将其表面打磨光亮即得到CILE；(2)AAD-GR-Mb复合材料修饰电极的制备配置两亲性海藻酸盐衍生物(AAD)分散石墨烯(GR)混合液，超声分散后得到均匀分散的悬浮液，再向其中加入肌红蛋白(Mb)，震荡混合均匀后，得到AAD浓度为1.5~2.5mg/mL、GR浓度为0.8~1.8mg/mL、Mb浓度为4.0~8.0mg/mL的AAD-GR-Mb混合液；AAD-GR-Mb混合液滴涂于已打磨光亮的CILE表面，待其表面晾干后，再涂覆一层Nafion，以阻止复合膜中Mb的渗漏，从而制得稳定的修饰电极Nafion/AAD-GR-Mb/CILE。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的滴涂于修饰电极的AAD-GR-Mb混合液的用量为6.0~12.0μL，Nafion的质量分数为5%~10%，用量为5~10μL。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：AAD的制备方法包括海藻酸盐的酰化反应改性、酯化反应改性、Ugi反应改性和SN2反应改性四种方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜慧琼，陈秀琼，林强，孙伟，史载锋，柯超然，张薇，王月，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：海南,46