[发明专利]氨基功能化三维石墨烯、生物传感器、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氨基功能化三维石墨烯，同时还涉及采用该氨基功能化三维石墨烯的生物传感器，以及生物传感器的制备方法和应用，属于生物传感器制备技术领域。

背景技术

三维石墨烯是一种具有三维结构的石墨烯单层组装体，三维结构使单层石墨烯片层具有独特的性能，如多孔性、表面积大、突出的电子传导性能及传质快的特点。功能化三维石墨烯及其复合材料在超级电容器、太阳能电池、纳米电子器件等领域有着巨大的应用前景，同时由于功能化三维石墨烯具有较好的生物相容性，也可用于制备生物传感器。然而，自组装功能化三维石墨烯较少用作基体材料，尤其是作为DNA传感器来检测重金属离子。

尽管三维石墨烯具有巨大的应用前景，但是三维石墨烯本身具有零带隙和反应惰性，且比表面积高，易造成石墨烯层与层之间的聚集，甚至通过强烈的堆积效应和范德华力返回到石墨结构，因此对三维石墨烯进行功能化改性显得尤为重要。三维石墨烯的功能化改性方法众多，主要包括石墨烯与有机或无机小分子通过共价或非共价键结合、化学掺杂等，以改变三维石墨烯的电化学性能、溶液分散性和生物相容性等。分析认为，基于三维石墨烯的功能器件在生物分析方面具有良好的应用前景。

核酸适体传感器是一种可以连续识别分子的装置。基于核酸适体的电化学适体传感器由具有电化学活性的基体材料和具有分子识别功能的核酸适体构成，在测试时加入目标物质，与电极表面的核酸适体结合从而引起电极表面的阻抗变化，达到识别和鉴定的目的。电化学生物传感器具有简单、成本低、快速检测、灵敏度高的优点，因此研制基于核酸适体的电化学生物传感器具有潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种氨基功能化三维石墨烯。

其次，本发明提供一种采用氨基功能化三维石墨烯的生物传感器。

再次，本发明提供一种生物传感器的制备方法。

最后，本发明提供一种生物传感器的应用。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

氨基功能化三维石墨烯，在三维石墨烯表面自组装有伯胺。

所述伯胺优选直链伯胺，如十八烷基伯胺等。十八烷基伯胺属于长链的烷基分子，它能渗透到石墨烯的碳原子中，形成稳定的“之”字形结构，它们之间的作用力主要包括范德华力、氢键作用和双偶极作用。

所述三维石墨烯可采用市售商品，也可采用以下方法制备：化学还原氧化石墨烯制备石墨烯水溶胶，经冷冻干燥得到三维石墨烯。

所述化学还原氧化石墨烯包括利用铁粉还原或者在碱性条件下利用水合肼还原等。

所述在碱性条件下利用水合肼还原包括以下步骤：在浓度1～15mg/mL的氧化石墨烯水溶液(如悬浮液)中加入氨水，调节体系pH值为5～10，再加入水合肼在温度80～100℃下反应1～3小时，过滤，洗涤，再冷冻干燥得到三维石墨烯。

所述氧化石墨烯与水合肼的质量比为1:(5～20)。

所述氧化石墨烯可采用STA法或改性STA法制备。具体包括以下步骤：将石墨粉、高锰酸钾和硫酸(或者石墨烯、高锰酸钾、硫酸和硝酸)在温度-5～0℃下混合均匀，升温至60～100℃反应1～3小时，再依次加入水和过氧化氢，分离出沉淀物，洗涤，(经冷冻干燥)得到氧化石墨烯。

所述石墨粉与高锰酸钾、硫酸(浓)的质量比为1:(3～6):(30～40)。

所述石墨粉与高锰酸钾、硫酸(浓)、硝酸(浓)的用量比例参见专利文献(申请号：201410080836.7，一种具有三维网状结构石墨烯材料的制备方法)。三维石墨烯的制备方法也可参见上述专利文献。

所述三维石墨烯表面自组装伯胺的方法为：将三维石墨烯浸入十八烷基伯胺的乙醇溶液中，分离出氨基功能化三维石墨烯(后干燥)即可。

一种生物传感器，在金电极上通过金硫键自组装有十八硫醇，十八硫醇通过分子间作用力结合三维石墨烯，三维石墨烯表面自组装有十八烷基伯胺，十八烷基伯胺通过静电吸附作用结合有DNA探针。

一种生物传感器的制备方法，(生物敏感膜的层层自组装)包括以下步骤：

(1)十八硫醇在金电极上自组装：将金电极(或金膜)浸入十八硫醇的乙醇溶液中，取出后水洗，干燥；

(2)氨基功能化三维石墨烯的自组装：将自组装有十八硫醇的金电极浸入三维石墨烯悬浮液中，取出，再浸入十八烷基伯胺的乙醇溶液中，取出后水洗，干燥；

(3)DNA探针的固定：将自组装有氨基功能化三维石墨烯的金电极浸入DNA探针溶液中，取出后水洗，干燥，即得。