氨基功能化三維石墨烯、生物傳感器、製備方法及應用的製作方法
2023-06-02 00:16:26
氨基功能化三維石墨烯、生物傳感器、製備方法及應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種氨基功能化三維石墨烯、生物傳感器、製備方法及應用，屬於生物傳感器製備【技術領域】。本發明採用自組裝技術對三維石墨烯進行氨基功能化改性，並將其作為生物傳感器敏感膜材料，通過對材料的結構和性能表徵及生物分子檢測發現，氨基有機小分子能通過自組裝技術實現對三維石墨烯的氨基功能化，並且能作為基體材料用於單鏈DNA探針的固定。本發明生物傳感器的製備方法為：先將十八硫醇自組裝在金電極表面，接著通過分子間作用力結合三維石墨烯，再在三維石墨烯上自組裝十八胺，製備氨基功能化三維石墨烯，最後通過靜電吸附作用在其表面固定能夠特異性結合不同重金屬離子的單鏈DNA，用於重金屬離子的敏感檢測或吸附。
【專利說明】氨基功能化三維石墨烯、生物傳感器、製備方法及應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氨基功能化三維石墨烯，同時還涉及採用該氨基功能化三維石墨烯的生物傳感器，以及生物傳感器的製備方法和應用，屬於生物傳感器製備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]三維石墨烯是一種具有三維結構的石墨烯單層組裝體，三維結構使單層石墨烯片層具有獨特的性能，如多孔性、表面積大、突出的電子傳導性能及傳質快的特點。功能化三維石墨烯及其複合材料在超級電容器、太陽能電池、納米電子器件等領域有著巨大的應用前景，同時由於功能化三維石墨烯具有較好的生物相容性，也可用於製備生物傳感器。然而，自組裝功能化三維石墨烯較少用作基體材料，尤其是作為DNA傳感器來檢測重金屬離子。
[0003]儘管三維石墨烯具有巨大的應用前景，但是三維石墨烯本身具有零帶隙和反應惰性，且比表面積高，易造成石墨烯層與層之間的聚集，甚至通過強烈的堆積效應和範德華力返回到石墨結構，因此對三維石墨烯進行功能化改性顯得尤為重要。三維石墨烯的功能化改性方法眾多，主要包括石墨烯與有機或無機小分子通過共價或非共價鍵結合、化學摻雜等，以改變三維石墨烯的電化學性能、溶液分散性和生物相容性等。分析認為，基於三維石墨烯的功能器件在生物分析方面具有良好的應用前景。
[0004]核酸適體傳感器是一種可以連續識別分子的裝置。基於核酸適體的電化學適體傳感器由具有電化學活性的基體材料和具有分子識別功能的核酸適體構成，在測試時加入目標物質，與電極表面的核酸適體結合從而引起電極表面的阻抗變化，達到識別和鑑定的目的。電化學生物傳感器具有簡單、成本低、快速檢測、靈敏度高的優點，因此研製基於核酸適體的電化學生物傳感器具有潛在的應用價值。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種氨基功能化三維石墨烯。
[0006]其次，本發明提供一種採用氨基功能化三維石墨烯的生物傳感器。
[0007]再次，本發明提供一種生物傳感器的製備方法。
[0008]最後，本發明提供一種生物傳感器的應用。
[0009]為了實現以上目的，本發明所採用的技術方案是:
[0010]氨基功能化三維石墨烯，在三維石墨烯表面自組裝有伯胺。
[0011]所述伯胺優選直鏈伯胺，如十八烷基伯胺等。十八烷基伯胺屬於長鏈的烷基分子，它能滲透到石墨烯的碳原子中，形成穩定的「之」字形結構，它們之間的作用力主要包括範德華力、氫鍵作用和雙偶極作用。
[0012]所述三維石墨烯可採用市售商品，也可採用以下方法製備:化學還原氧化石墨烯製備石墨烯水溶膠，經冷凍乾燥得到三維石墨烯。
[0013]所述化學還原氧化石墨烯包括利用鐵粉還原或者在鹼性條件下利用水合肼還原坐寸O
[0014]所述在鹼性條件下利用水合肼還原包括以下步驟:在濃度I?15mg/mL的氧化石墨烯水溶液(如懸浮液)中加入氨水，調節體系PH值為5?10，再加入水合肼在溫度80?100°C下反應I?3小時，過濾，洗滌，再冷凍乾燥得到三維石墨烯。
[0015]所述氧化石墨烯與水合肼的質量比為1: (5?20)。
[0016]所述氧化石墨烯可採用STA法或改性STA法製備。具體包括以下步驟:將石墨粉、高錳酸鉀和硫酸(或者石墨烯、高錳酸鉀、硫酸和硝酸)在溫度-5?0°C下混合均勻，升溫至60?100°C反應I?3小時，再依次加入水和過氧化氫，分離出沉澱物，洗滌，(經冷凍乾燥)得到氧化石墨烯。
[0017]所述石墨粉與高錳酸鉀、硫酸(濃)的質量比為1: (3?6): (30?40)。
[0018]所述石墨粉與高錳酸鉀、硫酸(濃)、硝酸(濃)的用量比例參見專利文獻(申請號:201410080836.7，一種具有三維網狀結構石墨烯材料的製備方法)。三維石墨烯的製備方法也可參見上述專利文獻。
[0019]所述三維石墨烯表面自組裝伯胺的方法為:將三維石墨烯浸入十八烷基伯胺的乙醇溶液中，分離出氨基功能化三維石墨烯(後乾燥)即可。
[0020]一種生物傳感器，在金電極上通過金硫鍵自組裝有十八硫醇，十八硫醇通過分子間作用力結合三維石墨烯，三維石墨烯表面自組裝有十八烷基伯胺，十八烷基伯胺通過靜電吸附作用結合有DNA探針。
[0021]一種生物傳感器的製備方法，(生物敏感膜的層層自組裝)包括以下步驟:
[0022](I)十八硫醇在金電極上自組裝:將金電極(或金膜)浸入十八硫醇的乙醇溶液中，取出後水洗，乾燥；
[0023](2)氨基功能化三維石墨烯的自組裝:將自組裝有十八硫醇的金電極浸入三維石墨烯懸浮液中，取出，再浸入十八烷基伯胺的乙醇溶液中，取出後水洗，乾燥；
[0024](3) DNA探針的固定:將自組裝有氨基功能化三維石墨烯的金電極浸入DNA探針溶液中，取出後水洗，乾燥，即得。
[0025]所述步驟(I)中金電極在使用前需進行處理:將金電極用氧化鋁粉拋光，依次在乙醇和水中超聲，將超聲處理後的金電極置於硫酸(如0.5M)中掃描循環伏安進行活化，乾燥，即可。
[0026]所述步驟⑴中十八硫醇的乙醇溶液的濃度為0.2?0.4mg/mL。
[0027]所述步驟(I)中浸入的時間為2?4小時。
[0028]所述步驟⑵中三維石墨烯懸浮液的濃度為0.5?2mg/mL。
[0029]所述步驟⑵中十八烷基伯胺溶液的濃度為0.2?0.4mg/mL。
[0030]所述步驟(3)中DNA探針溶液為單一 DNA探針溶液(P1-DNA、P2_DNA、P3_DNA中任一種)或混合DNA探針(P 1-DNA、P2-DNA、P3-DNA中任意兩種或三種)溶液。
[0031]Pl-DNA(與Ag+特異性結合)的核苷酸序列為:
[0032]AAAAAAAAAAAACTCTCTTCTCTTCATTTTTCAACACAACACAC ；
[0033]P2-DNA (與Hg2+特異性結合)的核苷酸序列為:
[0034]CCCCCCCCCCCCTTCTTTCTTCCCCTTGTTTGTT ；
[0035]P3-DNA (與Cu2+特異性結合)的核苷酸序列為:
[0036]TTCTAATACGATTTAGAATAAATCTGGGCCTCTTTTTAAGAAC。
[0037]所述步驟(3)中DNA探針溶液的濃度為100?300nM，浸入時間為8?12小時。
[0038]所述步驟⑴、⑵、(3)中乾燥均在氮氣氣氛中進行。
[0039]一種生物傳感器的應用，具體為生物傳感器在檢測或吸附重金屬離子方面的應用。
[0040]生物傳感器在檢測重金屬離子方面的應用，包括以下步驟:將生物傳感器浸入含有重金屬離子的溶液中(如含Ag+、Hg2+、Cu2+中任一種或多種離子的溶液)，進行電化學性能測試(如電化學交流阻抗測試)，根據標準曲線計算溶液中重金屬離子的含量。
[0041 ] 本發明的有益效果:
[0042]本發明採用自組裝技術對三維石墨烯進行氨基功能化改性，並將其作為生物傳感器敏感膜材料，考察自組裝前後電化學性質和DNA探針分子在其表面的吸附行為。通過對材料的結構和性能表徵及生物分子檢測發現，氨基有機小分子能通過自組裝技術實現對三維石墨烯的氨基功能化，並且能作為基體材料用於單鏈DNA探針的固定。隨著自組裝過程的進行，三維石墨烯表面C Is和N Is的XPS峰不斷變化，說明氨基基團在三維石墨烯上成功組裝，結合DNA探針後觀察到明顯的P 2s峰。氨基功能化三維石墨烯表面平整光滑，十八胺小分子的存在沒有大幅改變石墨烯的表面形貌。由電化學交流阻抗圖譜可知，氨基功能化後三維石墨烯的電性能沒有明顯降低。與純石墨烯相比，氨基功能化三維石墨烯能固定更多的DNA探針分子，並用於重金屬離子的檢測和吸附。
[0043]本發明中生物傳感器的製備方法為:先將十八硫醇自組裝在金電極表面，接著通過分子間作用力結合三維石墨烯，再在三維石墨烯上自組裝十八胺，製備氨基功能化三維石墨烯，最後通過靜電吸附作用在其表面固定能夠特異性結合不同重金屬離子的單鏈DNA，用於重金屬離子的敏感檢測或吸附。該生物傳感器可用於定性及定量檢測含水體系中少量甚至微量的重金屬離子(或吸附重金屬離子)，檢測靈敏度高、可靠性強，具有廣泛的前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1為本發明實施例1中生物敏感膜自組裝過程示意圖；
[0045]圖2為試驗例中自組裝生物敏感膜在DNA固定前後的XPS圖譜；
[0046]圖3為試驗例中金膜表面依次組裝0DT、三維石墨烯、OTA的表面形貌圖；
[0047]圖4為試驗例中金電極依次自組裝0DT、三維石墨烯、OTA的電化學交流阻抗譜圖；
[0048]圖5為試驗例中在氨基功能化三維石墨烯上固定DNA探針及檢測不同重金屬離子的電化學交流阻抗擬合曲線；
[0049]圖6為試驗例中在氨基功能化三維石墨烯上固定混合DNA探針後檢測重金屬離子的DPV圖譜。
【具體實施方式】
[0050]下述實施例僅對本發明作進一步詳細說明，但不構成對本發明的任何限制。
[0051]實施例1
[0052]本實施例中的氣基功能化二維石墨稀，在二維石墨稀表面自組裝有十八燒基伯胺。
[0053]本實施例中的生物傳感器，在金電極上自組裝有十八硫醇，十八硫醇通過分子間作用力結合三維石墨烯，三維石墨烯表面自組裝有十八烷基伯胺，十八烷基伯胺通過靜電吸附作用結合有DNA探針。
[0054]本實施例中生物傳感器的製備方法，包括以下步驟:
[0055](I)三維石墨烯的製備
[0056]a、稱取Ig石墨粉和4g高錳酸鉀(KMnO4)，另取30mL濃硫酸，在溫度(TC下(冰箱)冷凍1.5小時；
[0057]b、將原料加入反應釜中，在溫度0°C下冷凍1.5小時；
[0058]步驟b、c中兩次冷凍是為防止混合物劇烈反應，釋放出大量的熱，引起不必要的危險；
[0059]C、將反應釜置於80°C烘箱中，反應1.5小時；
[0060]d、將反應釜取出，自然冷卻後打開反應釜，得到粘稠狀產物，將其倒入燒杯中，力口入200mL水，攪拌後變為土黃色，再加入1mL 30%的過氧化氫(H2O2),變為亮黃色；
[0061]e、過濾後依次用5%的HCl和去離子水洗滌，使其pH值為7，再在溫度_22°C下冷凍3小時，再冷凍乾燥24小時，得到氧化石墨烯；
[0062]Ig氧化石墨烯分散在10mL水中，加入5mL氨水，攪拌I小時後，加入2mL水合肼攪拌2小時，再將混合液放入10mL反應釜中，在溫度99°C下攪拌反應24小時，過濾後用水洗滌使PH值為7，冷凍乾燥，得到三維石墨烯；
[0063](2)金電極的處理
[0064]將金電極用氧化鋁粉拋光，依次在乙醇和去離子水中各超聲5分鐘，取出後在
0.5M的硫酸中掃描循環伏安以進行活化，再用超純水清洗表面，最後用洗耳球吹乾待用；
[0065](3)生物敏感膜的層層自組裝(組裝過程見圖1)
[0066]a、十八硫醇在金電極上自組裝:將處理好的金電極密封浸泡在濃度為0.2mg/mL的1-十八烷基硫醇的乙醇溶液中，3小時後取出，用水衝洗並在氮氣氣氛中乾燥；
[0067]b、氨基功能化三維石墨烯的自組裝:將自組裝有十八硫醇的金電極密封浸泡在5mL0.lmg/mL的三維石墨烯懸浮液中，3小時後取出，再在5mL 0.lmg/mL十八胺的乙醇溶液中浸泡2小時，取出後用水衝洗並在氮氣氣氛中乾燥；
[0068]c、DNA探針的固定:將自組裝有氨基功能化三維石墨烯的金電極浸入濃度為10nM的混合DNA探針溶液(Pl-DNA、P2-DNA、P3-DNA三者之間的物質的量之比為1:1:1)中，10小時後取出，用水清洗並在氮氣氣氛中乾燥。
[0069]本實施例中生物傳感器在檢測重金屬離子方面的應用，包括以下步驟:將生物傳感器浸入含有重金屬離子(含Ag+、Hg2+和Cu2+)的溶液中，取出後在0.5mM的鐵氰化鉀電解液中進行電化學交流阻抗測試，電化學交流阻抗測試條件為:使用CHI660D電化學工作站，採用三電極體系，Ag/AgCl電極作為參比電極，Pt片電極為輔助電極，金電極為工作電極，正弦波電位幅值±10mV，測試頻率16?1(Γ2Ηζ，恆定電位；根據各標準曲線(分別對應每種重金屬離子)計算溶液中各重金屬離子的含量。
[0070]實施例2
[0071]本實施例中的氣基功能化二維石墨稀，在二維石墨稀表面自組裝有十八燒基伯胺。
[0072]本實施例中的生物傳感器，在金電極上自組裝有十八硫醇，十八硫醇通過分子間作用力結合三維石墨烯，三維石墨烯表面自組裝有十八烷基伯胺，十八烷基伯胺通過靜電吸附作用結合有DNA探針。
[0073]本實施例中生物傳感器的製備方法，包括以下步驟:
[0074](I)三維石墨烯的製備
[0075]a、稱取Ig石墨粉和4.5g高錳酸鉀(KMnO4)，另取30mL濃硫酸，在溫度(TC下(冰箱)冷凍1.5小時；
[0076]b、將原料加入反應釜中，在溫度0°C下冷凍1.5小時；
[0077]C、將反應釜置於80°C烘箱中，反應1.5小時；
[0078]d、將反應釜取出，自然冷卻後打開反應釜，得到粘稠狀產物，將其倒入燒杯中，力口入200mL水，攪拌後變為土黃色，再加入1mL 30%的過氧化氫(H2O2),變為亮黃色；
[0079]e、過濾後依次用5%的HCl和去離子水洗滌，使其pH值為8，再在溫度_22°C下冷凍3小時，再冷凍乾燥24小時，得到氧化石墨烯；
[0080]f、將Ig氧化石墨烯分散在10mL水中，加入5mL氨水，攪拌I小時後，加入2mL水合肼攪拌2小時，再將混合液放入10mL反應釜中，在溫度99°C下攪拌反應24小時，過濾後用水洗滌使PH值為8，冷凍乾燥，得到三維石墨烯；
[0081](2)金電極的處理
[0082]將金電極用氧化鋁粉拋光，依次在乙醇和去離子水中各超聲5分鐘，取出後在
0.5M的硫酸中掃描循環伏安以進行活化，再用超純水清洗表面，最後用洗耳球吹乾待用；
[0083](3)生物敏感膜的層層自組裝
[0084]a、十八硫醇在金電極上自組裝:將處理好的金電極密封浸泡在濃度為0.3mg/mL的1-十八烷基硫醇的乙醇溶液中，3小時後取出，用水衝洗並在氮氣氣氛中乾燥；
[0085]b、氨基功能化三維石墨烯的自組裝:將自組裝有十八硫醇的金電極密封浸泡在5mL0.lmg/mL的三維石墨烯懸浮液中，3小時後取出，再在5mL 0.lmg/mL十八胺的乙醇溶液中浸泡2小時，取出後用水衝洗並在氮氣氣氛中乾燥；
[0086]c、DNA探針的固定:將自組裝有氨基功能化三維石墨烯的金電極浸入濃度為10nM的混合DNA探針溶液(Pl-DNA、P2-DNA、P3-DNA三者之間的物質的量之比為1:1:1)中，10小時後取出，用水清洗並在氮氣氣氛中乾燥。
[0087]本實施例中生物傳感器在檢測重金屬離子方面的應用，包括以下步驟:將生物傳感器浸入含有重金屬離子(含Ag+、Hg2+和Cu2+)的溶液中，取出後在0.5mM的鐵氰化鉀電解液中進行電化學交流阻抗測試，電化學交流阻抗測試條件為:使用CHI660D電化學工作站，採用三電極體系，Ag/AgCl電極作為參比電極，Pt片電極為輔助電極，金電極為工作電極，正弦波電位幅值±10mV，測試頻率16?1(Γ2Ηζ，恆定電位；根據各標準曲線(分別對應每種重金屬離子)計算溶液中各重金屬離子的含量。
[0088]實施例3
[0089]本實施例中的氣基功能化二維石墨稀，在二維石墨稀表面自組裝有十八燒基伯胺。
[0090]本實施例中的生物傳感器，在金電極上自組裝有十八硫醇，十八硫醇通過分子間作用力結合三維石墨烯，三維石墨烯表面自組裝有十八烷基伯胺，十八烷基伯胺通過靜電吸附作用結合有DNA探針。
[0091]本實施例中生物傳感器的製備方法，包括以下步驟:
[0092](I)三維石墨烯的製備
[0093]a、稱取Ig石墨粉和5g高錳酸鉀(KMnO4)，另取40mL濃硫酸，在溫度0°C下(冰箱)冷凍1.5小時；
[0094]b、將原料加入反應釜中，在溫度0°C下冷凍1.5小時；
[0095]C、將反應釜置於80°C烘箱中，反應1.5小時；
[0096]d、將反應釜取出，自然冷卻後打開反應釜，得到粘稠狀產物，將其倒入燒杯中，力口入200mL水，攪拌後變為土黃色，再加入1mL 30%的過氧化氫(H2O2),變為亮黃色；
[0097]e、過濾後依次用5%的HCl和去離子水洗滌，使其pH值為9，再在溫度_22°C下冷凍3小時，再冷凍乾燥24小時，得到氧化石墨烯；
[0098]f、將Ig氧化石墨烯分散在10mL水中，加入5mL氨水，攪拌I小時後，加入2mL水合肼攪拌2小時，再將混合液放入10mL反應釜中，在溫度99°C下攪拌反應24小時，過濾後用水洗滌使PH值為9，冷凍乾燥，得到三維石墨烯；
[0099](2)金電極的處理
[0100]將金電極用氧化鋁粉拋光，依次在乙醇和去離子水中各超聲5分鐘，取出後在
0.5M的硫酸中掃描循環伏安以進行活化，再用超純水清洗表面，最後用洗耳球吹乾待用；
[0101](3)生物敏感膜的層層自組裝
[0102]a、十八硫醇在金電極上自組裝:將處理好的金電極密封浸泡在濃度為0.4mg/mL的1-十八烷基硫醇的乙醇溶液中，3小時後取出，用水衝洗並在氮氣氣氛中乾燥；
[0103]b、氨基功能化三維石墨烯的自組裝:將自組裝有十八硫醇的金電極密封浸泡在5mL0.lmg/mL的三維石墨烯懸浮液中，3小時後取出，再在5mL 0.lmg/mL十八胺的乙醇溶液中浸泡2小時，取出後用水衝洗並在氮氣氣氛中乾燥；
[0104]C、DNA探針的固定:將自組裝有氨基功能化三維石墨烯的金電極浸入濃度為10nM的混合DNA探針溶液(Pl-DNA、P2-DNA、P3-DNA三者之間的物質的量之比為1:1:1)中，10小時後取出，用水清洗並在氮氣氣氛中乾燥。
[0105]本實施例中生物傳感器在檢測重金屬離子方面的應用，包括以下步驟:將生物傳感器浸入含有重金屬離子(含Ag+、Hg2+和Cu2+)的溶液中，取出後在0.5mM的鐵氰化鉀電解液中進行電化學交流阻抗測試，電化學交流阻抗測試條件為:使用CHI660D電化學工作站，採用三電極體系，Ag/AgCl電極作為參比電極，Pt片電極為輔助電極，金電極為工作電極，正弦波電位幅值±10mV，測試頻率16?1(Γ2Ηζ，恆定電位；根據各標準曲線(分別對應每種重金屬離子)計算溶液中各重金屬離子的含量。
[0106]試驗例
[0107](I)自組裝膜的XPS圖譜分析
[0108]為了確定自組裝生物敏感膜在DNA固定前後的化學結構變化，採用XPS對樣品進行測試，如圖2所示。圖2 (a)為固定DNA前自組裝薄膜的C I s譜圖。通過XPSpeak軟體模擬，模擬出三個峰，即約在284.7、285.8和287.5eV處，分別對應C-C/C-H鍵、C-O鍵和C=O鍵。其中，C-C/C-H、C-0來自表面的有機小分子ODT和三維石墨烯，而C = O則歸屬於三維石墨烯。除此之外，還出現明顯的N Is信號峰，如圖2(b)所示，它來自於組裝在氨基功能化三維石墨烯上的有機小分子OTA(十八烷基伯胺)。
[0109]當DNA在氨基功能化三維石墨烯上固定，在C Is的XPS圖中分解出新峰，如圖2(c)所示。在C Is譜圖中，約288.7eV處出現O = C-N化合鍵，這一鍵合來自於DNA探針分子。同時，還出現N Is信號，如圖2(d)所示。通過軟體分解出兩個峰，分別在約399.6和401.1eV處，均為DNA探針中C-N/N-H和O = C-N化合鍵。除此之外，還出現較明顯的P2p信號，如圖2 (e)所示，同樣來自於DNA探針分子。
[0110](2)自組裝過程的表面形貌變化
[0111]採用AFM對自組裝過程的基體形貌進行測試。圖3為金膜表面依次組裝0DT、石墨烯、OTA的表面形貌圖。圖3(a)為純金膜的表面形貌，其表面光滑，平均粗糙度在0.24nm左右；隨後是ODT在金膜上進行組裝，如圖3(b)所示，其表面形貌稍微有所改變，出現較多的小面積絮狀物，這是ODT在金膜表面形成的，其表面平均粗糙度為0.29nm。當三維石墨烯與ODT結合後，表面形貌並未發生太大改變，如圖3 (c)、圖3 (e)所示，其表面粗糙度為0.33nm,出現的石墨稀片的平均厚度約為1.18nm。最後是OTA的組裝，當OTA在二維石墨稀薄I旲上自組裝後，如圖3(d)所示，其表面平均粗糙度進一步增加，約為0.36nm，說明短鏈有機小分子OTA的存在，稍微增大了自組裝膜的表面粗糙度。
[0112](3)電化學交流阻抗分析
[0113]電化學交流阻抗(EIS)是在頻率變化過程中測試電化學系統阻抗的方法，圖4為金電極依次自組裝0DT、三維石墨烯、OTA的電化學交流阻抗譜圖。金電極作為優異的導電材料，其界面電荷轉移電阻(Rct)是129.6Ω。當金電極表面通過金硫鍵組裝上有機小分子ODT後，其Rct值明顯變化，增加至40065 Ω，說明ODT的組裝降低了原金電極表面的電子遷移率。三維石墨烯具有優異的電性能，隨著三維石墨烯的組裝，其Rct值降低至318.6ΚΩ，說明三維石墨烯的組裝增加了電子遷移率。最後是OTA的組裝，OTA作為有機小分子，當組裝在三維石墨烯表面後，會進一步降低電子遷移率，使Rct值增加至712.5Ω。
[0114]圖5為在氨基功能化三維石墨烯上固定DNA探針及檢測不同重金屬離子的電化學交流阻抗擬合曲線，其中DNAl指代10nM Ag+特異性結合DNA探針，DNA2指代10nM Hg2+特異性結合DNA探針，DNA3指代10nM Cu2+特異性結合DNA探針。當10nM Ag+特異性結合DNA探針固定在金電極上時，其電荷轉移電阻進一步增大，由原來的712.5 Ω增加到843 Ω，這可能是DNA上帶負電荷的基團與電解液中的負電荷產生靜電排斥引起的，所以DNA作為絕緣層進一步阻礙了電荷的轉移。而檢測Ag+時電荷轉移電阻從843 Ω減小到432.9Ω，這是由於DNA與Ag+形成「C-Ag+-C」配合結構增強了電化學活性，並加速電荷的轉移。當10nM Hg2+特異性結合DNA探針固定在金電極上時，其電荷轉移電阻進一步增大，由原來的712.5 Ω增加到2006 Ω。而檢測Hg2+時電荷轉移電阻從2006 Ω減小到786 Ω，這是由於DNA與Hg2+形成「T-Hg2+-T」配合結構。當10nM Cu2+特異性結合DNA探針固定在金電極上時，其電荷轉移電阻進一步增大，由原來的712.5 Ω增加到905 Ω。而檢測Cu2+時電荷轉移電阻從905 Ω減小到762.4 Ω，這是由於DNA與Cu2+形成.配合結構。
[0115]圖6為在氨基功能化三維石墨烯上固定混合DNA探針後檢測重金屬離子的DPV圖譜。從圖中可以看到，檢測重金屬離子時峰電流強度逐漸增加，分析原因是混合DNA探針分子中單鏈DNA分別與Ag+、Hg2+、Cu2+配合形成雙鏈DNA分子，從而增強其電性能。
【權利要求】
1.氨基功能化三維石墨烯，其特徵在於:在三維石墨烯表面自組裝有伯胺。
2.根據權利要求1所述的氨基功能化三維石墨烯，其特徵在於:所述的伯胺為十八烷基伯胺。
3.根據權利要求1所述的氨基功能化三維石墨烯，其特徵在於:所述三維石墨烯的製備方法為:化學還原氧化石墨烯製備石墨烯水溶膠，經冷凍乾燥得到三維石墨烯。
4.根據權利要求3所述的氨基功能化三維石墨烯，其特徵在於:所述化學還原為在鹼性條件下利用水合肼還原，包括以下步驟:在濃度I?15mg/mL的氧化石墨烯水溶液中加入氨水，調節體系PH值為5?10，再加入水合肼在溫度80?100°C下反應I?3小時，過濾，洗滌，再冷凍乾燥得到三維石墨烯。
5.根據權利要求3所述的氨基功能化三維石墨烯，其特徵在於:所述氧化石墨烯的製備方法包括以下步驟:將石墨粉、高錳酸鉀和硫酸在溫度-5?0°C下混合均勻，升溫至60?100°C反應I?3小時，再依次加入水和過氧化氫，分離出沉澱物，洗滌，得到氧化石墨烯。
6.根據權利要求1所述的氨基功能化三維石墨烯，其特徵在於:所述三維石墨烯表面自組裝伯胺的方法為:將三維石墨烯浸入十八烷基伯胺的乙醇溶液中，分離出氨基功能化三維石墨烯即可。
7.一種生物傳感器，其特徵在於:在金電極上通過金硫鍵自組裝有十八硫醇，十八硫醇通過分子間作用力結合三維石墨烯，三維石墨烯表面自組裝有十八烷基伯胺，十八烷基伯胺通過靜電吸附作用結合有DNA探針。
8.—種如權利要求7所述的生物傳感器的製備方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)十八硫醇在金電極上自組裝:將金電極或金膜浸入十八硫醇的乙醇溶液中，取出後水洗，乾燥； (2)氨基功能化三維石墨烯的自組裝:將自組裝有十八硫醇的金電極浸入三維石墨烯懸浮液中，取出，再浸入十八烷基伯胺的乙醇溶液中，取出後水洗，乾燥； (3)DNA探針的固定:將自組裝有氨基功能化三維石墨烯的金電極浸入DNA探針溶液中，取出後水洗，乾燥，即得。
9.一種如權利要求7所述的生物傳感器的應用，其特徵在於:生物傳感器在檢測或吸附重金屬離子方面的應用。
10.根據權利要求9所述的生物傳感器的應用，其特徵在於:生物傳感器在檢測重金屬離子方面的應用，包括以下步驟:將生物傳感器浸入含有重金屬離子的溶液中，進行電化學性能測試，根據標準曲線計算溶液中重金屬離子的含量。
【文檔編號】G01N27/26GK104326468SQ201410435870
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】張治紅, 張帥, 劉健, 張萬賀 申請人:河南賽沃思生物科技有限公司