基於氧化石墨烯/石墨纖維複合結構的電極材料及其製備和應用方法與流程
2023-06-03 07:25:31
本發明涉及一種電極材料，特別涉及一種基於氧化石墨烯/石墨纖維複合結構的電極材料的製備和應用方法。
背景技術：
生物傳感器在臨床診斷、醫藥、疫病防治、生物工程以及環境保護等方面發揮著重要應用。其中，電化學方法以其簡單、廉價、靈敏度高等優勢獲得了越來越多的青睞。各種構建電化學生物傳感器的方法也已經發展起來，如基於各種納米粒子、DNA嵌入劑及酶學分析的電化學生物傳感器等。各種電化學檢測手段也已經應用在電化學生物傳感器中，包括方波伏安、微分脈衝伏安、循環伏安、電化學阻抗等。在電化學生物傳感器中，電極是一個非常關鍵的元件，如何製備穩定、靈敏的電極一直是研究的熱點和難點。近年來，氧化石墨烯以其獨特的平面結構、巨大的比表面積、豐富的親水基團等特性，引起了科學家的極大興趣。目前的研究主要通過Hummers法製備得到氧化石墨烯片層，再將該片層滴塗在電極上。這種方法的問題在於電化學中常規的電極如玻碳電極或金電極，它們的直徑一般為1-3mm，表面積較小，用以進行組裝或修飾的部位較少。儘管研究者們通過層層組裝的方法，在一定程度上增加了電極的表面積，提高了生物分子的固定量和檢測靈敏度。但由於基礎電極面積較小，在提高靈敏度上難以實現大的突破。另外，氧化石墨烯在複雜體系中容易團聚，致使傳感器的壽命短、可靠性差等。因此，開發操作簡單、靈敏度高的生物傳感器仍是急待解決的問題。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種新的、基於氧化石墨烯/石墨纖維複合結構的電極材料及其製備和應用方法。為了達到上述目的，本發明首先提供一種基於氧化石墨烯/石墨纖維複合結構的電極材料，主要由氧化石墨烯和石墨纖維組成，其特徵在於，所述材料由如下方法製得：將石墨纖維放入酸液中進行氧化反應，將反應後的纖維取出、清洗並乾燥後，既為所需產物；優選地，所述氧化反應的溫度為65-100℃；優選地，所述氧化反應的溫度為70-90℃；優選地，所述氧化反應的時間為8-32小時；優選地，所述氧化反應的時間為10-24小時；優選地，所述酸液包括濃硫酸和高錳酸鉀，還包括濃硝酸或濃磷酸；優選地，所述濃磷酸或濃硝酸與濃硫酸和高錳酸鉀的摩爾比例為1:8:0.4-1:10:0.5。本發明還提供一種氧化石墨烯/石墨纖維複合結構微納電極材料的應用方法，其特徵在於將其作為電化學生物傳感器的電極使用，其中所述氧化石墨烯/石墨纖維複合結構材料由石墨纖維直接氧化得到，其中的氧化石墨烯用於後續的接枝反應。與現有技術相比，本發明的優勢在於首次採用濃酸氧化法製備了氧化石墨烯/石墨纖維複合的電極材料，不僅方法簡便、易於實施，更獲得了具有大量規整氧化石墨烯片層的電極表面，非常有利於對待測分子的配體的固定和檢測靈敏度及穩定性的提高。並且可擴展性強，適用範圍廣，具有較高的推廣價值。附圖說明通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於顯示出本發明的主旨。圖1未經過氧化處理的石墨纖維及氧化處理後的石墨纖維的電鏡照片，（a）未處理；（b）65℃氧化12小時；c）70℃氧化20小時；d)80℃氧化24小時；圖2未經過氧化處理的石墨纖維（a）和經過氧化處理（65℃氧化12小時）的（b）石墨纖維的紅外圖譜。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明採用了一種全新的方法來製備氧化石墨烯/石墨纖維複合結構材料，使用石墨纖維做原料，具體包括酸液氧化、清洗和乾燥等步驟。其中：對原料石墨纖維沒有特殊要求，可以直接使用商業化的石墨纖維。在酸液氧化步驟中，需要首先配製酸液。一般採用濃硫酸、濃磷酸和高錳酸鉀的混合液作為氧化酸液，其中濃磷酸也可以用濃硝酸代替。三種成分的配比為：濃硫酸：（濃磷酸或濃硝酸）：高錳酸鉀=8:1:0.4-10:1:0.5，該比例為摩爾比。上述三種組分均勻混合成所需的酸液後，把石墨纖維直接投入即可。該過程需要控制反應的溫度和時間，其中反應溫度可以為65-100℃，優選70-90℃，更優選80℃；反應時間可以為8-32小時，優選10-24小時，更優選20小時。氧化反應完成後，將石墨纖維取出並用大量去離子水衝洗，以除去表面的酸液。衝洗乾淨後經真空乾燥，即得所需產物。對所得產物做電鏡分析，發現氧化後的纖維表面呈現大量有序的片層結構（參見圖1-b至圖1-d）；經紅外光譜（參見圖2）及X射線光電子能譜鑑定，其表面帶有大量的羥基、羧基及其它環氧基團。因此可以確定，本發明所製備的材料表面為氧化石墨烯結構。同時，石墨纖維的骨架結構也仍然保留。所以，本發明通過簡單的酸液氧化法直接得到了氧化石墨烯/石墨纖維複合微納結構。為考察氧化反應的條件對產物結構的影響，本發明對比了（a）未處理、（b）65℃氧化12小時、c）70℃氧化20小時和d)80℃氧化24小時的產物。通過電鏡照片（參見圖1）可以看到，未經過氧化反應處理的石墨纖維表面光滑，沒有任何片層結構，隨著反應溫度的提高和反應時間的延長，石墨纖維表面逐漸出現了越來越明顯的氧化石墨烯片層結構。由此可以看出，氧化反應的溫度和時間對產物結構的影響很明顯。本領域的技術人員可以根據實際的需要來調整反應條件，例如為了獲得更大的比表面積和更豐富的表面可功能化基團，可以適當延長反應時間和/或提高反應溫度。本發明所製備的氧化石墨烯/石墨纖維複合結構不僅保留了石墨纖維所具有的高的電子傳輸效率，同時還通過氧化在石墨纖維表面直接剝離產生了片層狀的氧化石墨烯，顯著的增加了電極的比表面積和可功能化的表面基團，而且其結構有序，不會團聚，是作為電化學生物傳感器電極的很好選擇。在使用時可以包括如下步驟：首先，將氧化石墨烯/石墨纖維複合材料固定並與導線連接，以便使用。具體為：剪取一段氧化石墨烯/石墨纖維複合材料，通過銀膠粘於導電玻璃上，前面接上一段銅絲作為電極導線。留下一定長度的纖維用於後續檢測，其它部分通過環氧樹脂及聚四氟乙烯帶封閉，即可用作傳感器的工作電極。該步驟中，可以通過調整氧化石墨烯/石墨纖維複合材料的長度來控制電極的有效面積，以便調節電極的檢測靈敏度。如果該電極還需接枝某些分子以實現功能化，那麼最好還要包括將電極表面的羥基基團轉化為羧基基團的步驟，以利於後續的接枝反應。一個典型的過程為：將固定連接好的工作電極浸入質量比為1:1的氫氧化鈉：氯乙酸鈉的混合溶液中，反應16-20小時，纖維經去離子水大量衝洗後，再浸入稀鹽酸中反應0.5-2小時，即可。將電極功能化在本領域中有很多常規方法，一般包括活化步驟和接枝分子步驟，具體條件根據所接枝探針分子種類的不同而變化。本發明的重點並不在此，所以僅給出一個典型的過程供人們在使用時參考：製備好的電極先經大量二次水衝洗後，再浸入到1ml含400mM1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（EDC）和100mMN-羥基丁二醯亞胺（NHS）的2-嗎啉代乙磺酸（MES）緩衝液中（500mM，pH6.1），37℃激活30分鐘。然後浸入到一定濃度的表面帶有氨基的生物分子溶液中，例如末端氨基化的DNA探針分子或蛋白分子，在4℃條件下反應16-20小時。生物材料在電極表面的固定或生物分子識別將會改變電極表面的電子傳輸。因此本發明的電極可採用常規的電化學方法對生物分子進行檢測。本發明僅給出一個典型過程供參考：將接枝有識別分子的功能化電極浸入不同濃度的待檢分子溶液中（如互補DNA溶液、或酶底物、抗原等）溶液中，37℃下作用1小時。取出後用大量0.02MpH7.4的磷酸緩衝溶液進行衝洗，然後進行常規電化學檢測，如鉑片或鉑絲作為對電極，Ag/AgCl（飽和KCl）作為參比電極。實施例1：製備電化學DNA傳感器1）將商業化的石墨纖維進行氧化：將濃硫酸100ml，濃硝酸10ml，高錳酸鉀4g混勻，作為氧化液。將纖維直接放入上述氧化溶液中，65℃，氧化12小時。將纖維取出，用去離子水大量衝洗。2）氧化後的纖維用電鏡、紅外光譜及X射線光電子能譜進行表徵，確定表面形成大量有序的氧化石墨烯（簡寫為GO，下同）片層。3）剪取一段氧化後的纖維，通過銀膠粘於導電玻璃上，前面接上一段銅絲作為電極導線。留下長度為1.5cm的纖維用於後續檢測，其它部分通過環氧樹脂及聚四氟乙烯帶封閉。用作傳感器的工作電極。4）在該電極上先固定DNA探針分子，然後採用三電極體系，通過電化學阻抗技術檢測不同濃度的互補DNA分子，即可用作電化學DNA傳感器。實施例2：製備電化學酶傳感器1）將商業化的石墨纖維進行氧化：濃硫酸90ml，濃磷酸10ml，高錳酸鉀4.5g混勻，作為氧化液。將纖維直接放入上述氧化溶液中，70℃，氧化20小時。將纖維取出，用去離子水大量衝洗。2）氧化後的纖維用電鏡、紅外光譜及X射線光電子能譜進行表徵，確定表面形成大量有序的GO片層。3）剪取一段氧化後的纖維，通過銀膠粘於導電玻璃上，前面接上一段銅絲作為電極導線。留下長度為1cm的纖維用於後續檢測，其它部分通過環氧樹脂及聚四氟乙烯帶封閉。用作傳感器的工作電極。4）在該電極上先固定酶分子，然後採用三電極體系，通過電化學方法檢測酶的底物分子，即可用作電化學酶傳感器。實施例3：製備電化學免疫傳感器1）將商業化的石墨纖維進行氧化：濃硫酸90ml，濃磷酸10ml，高錳酸鉀4.5g混勻，作為氧化液。將纖維直接放入上述氧化溶液中，80℃，氧化24小時。將纖維取出，用去離子水大量衝洗。2）氧化後的纖維用電鏡、紅外光譜及X射線光電子能譜進行表徵，確定表面形成大量有序的GO片層。3）剪取一段氧化後的纖維，通過銀膠粘於導電玻璃上，前面接上一段銅絲作為電極導線。留下長度為0.5cm的纖維用於後續檢測，其它部分通過環氧樹脂及聚四氟乙烯帶封閉。用作傳感器的工作電極。4）在製備的工作電極上先固定抗體分子，然後採用三電極體系，通過電化學方法進行抗原檢測，即可用作電化學免疫傳感器。