[发明专利]一种Fe-N-C纳米酶原位修饰的碳纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种Fe‑N‑C纳米酶原位修饰的碳纤维及其制备方法。本发明以碳纤维为基底材料，通过重氮化接枝反应在碳纤维表面接枝苯磺酸基，提高碳纤维在水相中的分散性，而且可以利用静电作用促进聚间二苯胺的紧密包裹，有效增强合成材料在碳纤维上的附着力。进而通过间苯二胺中的N与金属离子Fe³⁺的配位作用锚定前体，经过高温热解使Fe³⁺与N原子在碳纤维表面发生共价键合形成稳定的单原子结构，获得Fe‑N‑C纳米酶原位修饰的碳纤维。改善了碳纤维表面的电荷转移速度，减少其检测脑神经化学物质时的过电位，提高了催化活性，从而实现了脑神经化学物质的高灵敏检测。

技术领域

本发明属于纳米材料合成技术领域，具体涉及一种Fe-N-C纳米酶原位修饰的碳纤维及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前，很多纳米酶都是由金属和金属氧化物组成，因为金属活性中心可以简单地模拟天然酶的催化电子氧化还原过程。研究表明，利用Fe基纳米酶优异的催化活性和选择性，可大幅度降低目标物电极反应的过电位，有效排除体内其它物质的干扰，展示了纳米酶在活体检测中的巨大潜力。

利用植入式电化学生物传感器对脑神经化学物质进行体内分析，是研究脑功能和脑活动映射的重要途径。而碳纤维是用于活体的原位电化学分析的微电极系统中理想的电极材料。通常在碳纤维微电极中，浸(滴)涂是修饰电极传统采用的方法，因此难以实现精确的空间控制，导致再现性较差。目前相关报道均是先合成纳米酶，再修饰到工作电极上，步骤相对繁琐；而且，修饰过程可能会影响催化剂的活性，催化剂与碳纤维间的弱相互作用也无法保证电极的机械稳定性。很多神经退行性疾病(如阿尔茨海默症和帕金森病等)都有较长的病理学过程，长期监检测的需要对装置的稳定性提出了更高要求。因此，有必要探索更加高效便捷的修饰或合成方法，提高纳米酶在碳纤维微电极表面的催化活性和附着力，构建稳健的电极/脑催化界面，从而有效提高活体内神经化学物质检测的灵敏度、选择性、时间分辨率和稳定性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提出一种Fe-N-C纳米酶原位修饰的碳纤维及其制备方法，并将其直接制成碳纤维微电极用于系统的灵敏检测代表性的脑神经化学物质过氧化氢和多巴胺(DA)。本发明以碳纤维为基底材料，通过重氮化接枝反应在碳纤维表面接枝苯磺酸基，提高碳纤维在水相中的分散性，而且可以利用静电作用促进聚间二苯胺的紧密包裹，有效增强合成材料在碳纤维上的附着力。进而通过间苯二胺中的N与金属离子Fe³⁺的配位作用锚定前体，经过高温热解使Fe³⁺与N原子在碳纤维表面发生共价键合形成稳定的单原子结构，获得Fe-N-C纳米酶原位修饰的碳纤维(Fe-N-C/CF)。改善了碳纤维表面的电荷转移速度，减少其检测脑神经化学物质时的过电位，提高了催化活性，从而实现了脑神经化学物质的高灵敏检测。

为了实现以上技术效果，本申请提供以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种Fe-N-C纳米酶原位修饰的碳纤维的制备方法。所述方法包括如下步骤：

(1)将对氨基苯磺酸在超纯水进行溶解，在冰水浴中，缓慢依次滴加预先冷却好的NaOH溶液、HCl溶液以及NaNO₂溶液，并将预处理过的碳纤维分散到溶液中，维持低温进行反应，反应后，将还原性Fe粉加入上述溶液中，搅拌，得到接枝的碳纤维；

(2)将间苯二胺溶于超纯水中，加入浓盐酸，随后将接枝的碳纤维加入上述溶液中；依次缓慢滴加预冷的过硫酸铵和FeCl₃溶液；在低温下控温一段时间，再升温反应；取出后旋蒸再常温干燥；补入FeCl₃，旋蒸，干燥；