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本发明提供一种基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极，所述电极采用巯基化氧化还原石墨烯作为离子‑电子传导层，所述传导层上覆盖离子选择性传感膜。巯基化氧化还原石墨烯在金电极表面的共价键连接形成稳定的传导层。得到的电极具有能斯特响应和低检测限以及良好的选择性。更重要的是，当模拟外界环境时，把电极置于使用蠕动泵的持续流动的溶液中长达两周后，基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极具有比氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极更长的寿命。这些优点使得巯基化氧化还原石墨烯有望成为开发经久耐用的固接型离子选择性电极的一种通用可靠的离子‑电子传导层。

说明书

一种基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极

技术领域

本发明涉及离子检测技术领域，尤其涉及一种基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极。

背景技术

使用离子选择电极(ISEs)分析离子，其具有灵敏度高、选择性好、携带方便、成本低廉等优点，因而在复杂的生物和环境样品分析中广泛应用。固接型离子选择电极(SC-ISEs)作为新一代的离子选择电极，其将离子选择膜直接涂覆在金属导体上，具有检测限低、易于小型化的优点。最初的SC-ISEs是以包被丝电极的形式制备的，即将离子选择传感膜直接裹在金属电极上。然而，离子传感膜与电子导体之间缺乏热力学定义上的良好电化学界面，导致电位漂移，限制了其长期应用。此外，在离子传感膜和电子导体之间会形成一层水膜，这也是引起电位不稳定性的另一个重要因素。因此，为了提高电极性能，将具有高的离子-电子传导能力的组分直接加入到传导膜中或作为中间层来改善这个问题。

一方面，导电聚合物(CPs)如聚吡咯(PPy)、聚3-辛基噻吩(POT)和聚3,4-亚乙基二氧基噻吩(PEDOT)是作为离子-电子传感器的最常见有机材料，他们能促进电极界面电荷转移。然而，在某些条件下，基于CPs-based SC-ISEs可能会受到光、氧化还原物或不可避免的水层的干扰。为了解决这个问题，研发出了具有高氧化还原能力的疏水性有机材料，如聚吡咯全氟辛烷磺酸(PPy-PFOS,水接触角:97±5°)和聚3,4-亚乙基二氧基噻吩碳14(水接触角:136±5°)。结果显示基于PPy-PFOS和PEDOT-C14的SC-ISEs拥有极好的E0重复性(±0.7mV)和长期稳定性(0.02±0.03mV/day)。另一方面，无机材料尤其是碳基材料，诸如碳纳米管和石墨烯，因其具有高导电性和对光和氧化还原物质的惰性，是出色的导电聚合物替代品。当前，石墨烯因其优异的电子和电化学性能受到广泛关注，如固有的疏水性和易改造性。通常，通过滴注法在电极的整个界面涂覆电化学还原氧化石墨烯(CRGO)作为中间层。然后某些SC-ISEs在连续使用后，由于不稳定的中间层的存在会导致水膜的慢慢形成。Fibbioli等人报告了一项开创性工作，即用巯基化富勒烯(乙基(8-磺胺基辛基)1，2-甲氧基[60]富勒烯-61，61二羧酸)作为固接层制备SC-ISEs。巯基化富勒烯通过强Au-S相互作用自组装到金电极上。结果表明，制备的SC-ISEs具有较好的稳定性和对氧气和氧化还原物的抵抗性。但是，作者未能显示基于自组装的巯基化富勒烯基SC-ISEs的寿命。巯基化氧化石墨烯衍生物已被广泛应用于贵金属纳米粒子(AuNPs,AgNPs and PtNPs)的锚定媒介。例如，混合材料中的强Au-S相互作用阻止了AuNPs的凝聚，提高了其催化活性。此外，有报道了十六烷硫醇和硫酚官能化的氧化石墨烯通过强Au-S相互作用，在盘状液晶的柱状中间层表面以超分子形式自组装。据我们所知，2-氨基乙硫醇官能化氧化还原石墨烯还没有被报道用在SC-ISEs中作为离子-电子传导层。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种经久耐用的基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极。

本发明的第二个目的在于提供巯基化氧化还原石墨烯在制备固接型离子选择性电极的离子-电子传导层中的应用。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极，其特征在于，所述电极采用巯基化氧化还原石墨烯作为离子-电子传导层，所述传导层上覆盖离子选择性传感膜。

作为一个优选方案，所述传导层采用定点沉积的方法，覆盖电极界面的金导体部分。

作为一个优选方案，所述巯基化氧化还原石墨烯是2-氨基乙硫醇官能化氧化还原石墨烯。

作为一个优选方案，所述离子选择性传感膜为K+选择性传感膜或者NO3-选择性传感膜。

为了实现本发明第二个目的，本发明提供了巯基化氧化还原石墨烯在制备上述基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极的离子-电子传导层中的应用。

作为一个优选方案，所述巯基化氧化还原石墨烯是2-氨基乙硫醇官能化氧化还原石墨烯。

本发明的优点在于，本发明提出了以2-氨基乙硫醇官能化氧化还原石墨烯为中间层的SC-ISEs，采用X射线能谱仪(EDS)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱分析(XPS)等多种方法对制备的2-氨基乙硫醇官能化氧化还原石墨烯进行表征。采用一种简便的定点沉积方法，在金溅射铜电极上自组装TRGO，作为离子-电子的传导层。使用K+作为阳离子模型，NO3-作为阴离子模型来对所得的电极进行研究，研究了该方法的响应斜率、检测限和选择性等电位性能。此外，还可以通过水层的电位测试来探讨在界面处形成薄膜的可能性。我们还将提供了使用基于TRGO的SC-ISEs收集的寿命数据，并将其性能特征与基于石墨烯氧化物的SC-ISEs进行比较。基于上述实验结果，TRGO有望被制成与大电极拥有相同性能的微型ISEs的通用的离子-电子传导层。

附图说明

图1巯基化氧化还原石墨烯TRGO的TEM图谱。

图2 TRGO的EDS能谱图。

图3 TRGO和未修饰的氧化石墨烯GO的拉曼图谱。

图4 TRGO和未修饰的氧化石墨烯GO的傅里叶红外光谱图。

图5 TRGO和未修饰的氧化石墨烯GO的XRD图谱。

图6 TRGO的C1s,N1s和S2p的XPS图谱。

图7 K+-TRGO-ISEs(A)and NO3--TRGO-ISEs(B)的电位响应以及K+-TRGO-ISEs(C)and NO3--TRGO-ISEs(D)的校准曲线。

图8 K+-TRGO-ISEs(A)and NO3--TRGO-ISEs(B)的水层实验。

图9 K+-TRGO-ISEs(A)和NO3--TRGO-ISEs(B)第一天和两周后的标准曲线的比较图。

图10 K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs的选择性系数以及已报道的K+-ISEs和NO3--ISEs的相比较。

具体实施方式

以下，结合具体实施方式对本发明的技术进行详细描述。应当知道的是，以下具体实施方式仅用于帮助本领域技术人员理解本发明，而非对本发明的限制。

实施例1.基于巯基化氧化还原石墨烯的固接型离子选择性电极

试剂

高分子量聚氯乙烯(PVC)，双(2-乙基己基)癸二酸酯(DOS)，2-硝基苯基正辛醚(NPOE)，缬氨霉素，硝酸根离子载体，三十二烷基甲基氯化铵(TDMACl)和四氢呋喃(THF)购于西格玛奥德里奇(瑞士)。四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸钠(NaTFPB)购自DojindoLaboratories(日本)。石墨粉购于南京先丰纳米材料科技有限公司。所有的盐均购自Sigma-Aldrich，并在新鲜的去离子水(DI water，阻抗18.25MΩcm，Millipore，美国)。其他所有使用到的化学品均为分析级，并在收到时使用。

TRGO的合成与表征

TRGO通过三个合成步骤合成。第一步，以石墨粉为原料，通过改进的Hummers方法制备原料氧化石墨烯。用K2S2O8(1g)和P2O5(1g)在80℃下在硫酸(7ml)中连续搅拌6h，对石墨粉(1g)进行氧化。冷却至室温，将溶液稀释并过滤，得到氧化石墨。在丙酮中超声处理约1h，可使氧化石墨剥落为粗氧化石墨烯，溶剂蒸发后得到粗氧化石墨烯。用粗氧化石墨烯(1g)在浓硫酸(23ml)中缓慢加入KMnO4(3g)，在35℃的冰水浴中搅拌4h，以提纯处粗氧化石墨烯。然后在悬浮液中添加30％的H2O2，直到溶液颜色变为玻璃黄色。离心后，用稀盐酸、去离子水和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)反复洗涤沉淀，得到所需的氧化石墨烯。第二步，将氧化石墨烯(0.1g)与2-氨基乙硫醇(0.1g)在200ml DMF中混合，进行氧化石墨烯的硫化反应。在60℃反应10h后，过滤溶液，得到固体产物2-氨基乙硫醇官能化的氧化石墨烯(SGO)，将SGO粉末用DMF冲洗数次。第三步，用水合肼(0.1g)在200ml DMF中于90℃进行还原SGO(0.1g)24h。最后，通过过滤、洗涤和真空干燥，获得所需的2-氨基乙硫醇官能化的还原氧化石墨烯(TRGO)。用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)对TRGO进行了表征。

传感器的制备

对金盘电极(Au，2mm内径)进行预处理以得到镜面状表面，用0.3μm氧化铝悬浮液抛光，去离子水冲洗，分别用乙醇和去离子水超声处理，最后在氮气下干燥。将清洁的金色电极紧密地插入一段PVC管(1cm长，5mm内径和8mm外径)的远端。

为了获得固接型金电极，将20μl 0.20mg/ml TRGO分散剂溶液滴注在裸电极表面，覆盖整个金区域。为了进行比较，按照相同的程序制备了氧化还原石墨烯(rGO)修饰的金电极(0.20mg/ml)。蒸发溶剂后，用大量的去离子水洗涤TRGO和rGO涂层的SC-ISEs，然后在氮气下干燥。

为了制备修饰的K+选择性或NO3-选择性电极，将100μL K+选择性或NO3-选择性膜混合物滴注在TRGO或氧化还原石墨烯(rGO)覆盖的电极上。将1.1wt％缬氨霉素，0.25wt％NaTFPB，32.8wt％PVC和65.8wt％DOS溶解在1mL THF中制备K+选择性膜的混合物(总质量200mg)。将2.0wt％硝酸盐离子载体IV，1.1wt％TDMACl，32.3wt％PVC和64.6wt％NPOE加入1ml THF中制备。制备NO3-选择性膜的混合物(总质量200mg)。随后，在环境温度下彻底蒸发溶剂。将制备的SC-ISEs分别置于0.01M KCl或KNO3溶液中过夜。不使用时，保存在上述溶液中。

仪器和测量

采用S-3400N II型电子显微镜(日立)和蔡司EVO 50型分析显微镜(德国)进行了透射电镜和扫描电镜成像。在室温下，使用带有532nm Ar离子激光器的激光微拉曼光谱系统(Renishaw公司)进行拉曼光谱分析。使用Nicolet Nexus 670 FTIR光谱仪，以透射比模式记录FTIR光谱，分辨率为4cm-1。所有结合能参考表面不定碳284.8eV时的C 1s峰。使用Bruker D8 Advance X射线衍射仪(Cu-Kα1照射，)采集了XRD数据。

电化学响应在Lawson Labs公司的16通道EMF界面上完成，通过PCI-6281数据处理系统和LabView 8.5软件控制。使用的参比电极为Metrohm Ion Meter(瑞士)公司生产的双液接的银/氯化银参比电极，内参比溶液为3M KC1溶液，外参比为1M CH3COOLi溶液。离子的活度与活度系数有关，它是通过扩展的Debye-Hückel方程计算获得。所有SC-ISEs的电位值都是至少三根平行电极在室温下测量得到的平均值。

在进行水层实验之前，将所制备的基于TRGO的K+选择性或NO3-选择性电极在10-2MKCl溶液(或10-2M KNO3)中浸泡2小时。进行寿命实验时，将所制备的电极置于通过蠕动泵(管25#，内径4.8mm，外径8.0mm)中的连续流动的溶液体系(10-2M KCl溶液或10-2M KNO3)中。

结果与讨论

TRGO的表征

如图1所示，利用透射电镜(TEM)对2-氨基乙硫醇官能化氧化还原石墨烯(TRGO)的表面形貌进行了研究。TEM图中透明的纳米尺寸的TRGO具有平板折痕的特征。为了评估还原氧化石墨烯的巯基官能团化效果，采用拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、粉末X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)进行研究。图2的EDS能谱图上可以观察到C、N和S的峰，证明2-氨基乙硫醇成功修饰到氧化石墨烯上。图3的FTIR光谱也证明了2-氨基乙硫醇在氧化还原石墨烯上的成功修饰。与巯基相关的峰如下：S-H伸缩峰(2580cm-1),amide C＝O(1630cm-1),C-N伸缩峰(1470cm-1),N-H伸缩峰(3420cm-1)and N-H弯曲峰(1590cm-1).在2920and 2850cm-1的峰是与亚甲基相关的[27].此外，拉曼光谱(图4)也可用于鉴别功能化的石墨材料，因为它能够检测碳材料石墨结构的变化。图4显示了纳米碳材料的特征信号，包括1354cm-1处的D带，与未修饰的区域的氧化缺陷、边缘效应相关；1592cm-1处的G带，与石墨结构上的C–C拉伸有关。D带和G带之间的强度比(ID/IG)通常用于评估sp2材料的一般缺陷性质，更具体地说，是与功能化程度相关。如图4所示，未修饰氧化石墨烯的ID/IG比值为1.06，而TRGO的ID/IG比值为1.20。ID/IG比值的增加与氧化还原石墨烯平面的缺陷有关，表明了巯基的成功修饰。此外，在图5中显示了TRGO和GO的对比XRD图谱。通常，氧化石墨烯在2θ为11.4°处显示衍射峰，表明层间距为巯基化修饰后的TRGO，在2θ为23.7°处显示出一个尖锐的强峰，更高的层间距为对应了巯基修饰的氧化石墨烯界面。而且，图6的XPS光谱中的C1s,N1s和S2p峰证明了巯基的成功修饰。在284.7eV,286.2eV and 288.5eV处的峰分别对应了C1s核能级谱的C-C,C-O和-CONH。通过曲线拟合N1s核能级谱得出，398.4eV的峰对应于酰胺的N-H官能团。而在400.5eV的峰与2-氨基乙硫醇和水合肼中未反应的N-H官能团有关。图6C中拟合了S2p核能级谱的2p1/2and 2p3/2双轨道信号。在163.8eV区域的峰确认了氧化还原石墨烯中的巯基的存在。而在165.0eV区域的峰与未反应的2-氨基乙硫醇中的巯基峰相关。

基于TRGO电极的电位响应

基于TRGO修饰的离子选择性电极分别以钾离子(K+-TRGO-ISEs)和硝酸根离子(NO3--TRGO-ISEs)为阳离子和阴离子模型。通过不断加入钾离子和硝酸根离子溶液记录K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs的电位响应，分别如图7A和B所示。K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs在线性范围内的能斯特响应值分别为60.0±0.4mV/decade和60.0±0.5mV/decade。如图7C所示，K+-TRGO-ISEs的检测限为2.5×10-6M，与传统的不加传导层的钾离子选择性电极的检测限一致。如图7D所示，NO3--TRGO-ISEs的检测限为5.0×10-6M，比已报道的基于还原氧化石墨烯的电极的检测限更低(3×10-5M)。K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs的标准曲线与Y轴的轴截距的标准偏差分别为2.6和4.8mV。这些结果表明TRGO的引入没有影响电极的响应性能。如图7A和B图内的插图所示，制备的电极具有小于5s的快速响应时间。

基于TRGO电极的选择性

基于TRGO的电极的选择性系数根据分离溶液法测得。图10中展示了K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs的选择性系数，并与已报道的K+-ISEs和NO3--ISEs相比较。K+-TRGO-ISEs在Na+,Li+,NH4+,Ca2+和Mg2+存在时对K+的选择性要比已报道的基于石墨烯的钾离子选择性电极和基于电化学还原氧化石墨烯的钾离子印刷电极的选择性要好。而且NO3--TRGO-ISEs的选择性比基于电化学还原氧化石墨烯和碳黑的硝酸根离子选择性电极的选择性更高。

水层实验

离子传感膜与金属导体之间的水层的形成导致了电位的不稳定性，影响电极长期的应用。本工作的关键是消除金电极表面和离子传感膜之间的潜在水层。基于TRGO的离子选择性电极首先置于主离子溶液中(0.01M KCl或KNO3)，然后置于干扰离子溶液中(0.01MCaCl2或K2SO4)。图8A和B显示出由相界面电位变化引起的瞬时电位偏移(K+-TRGO-ISEs为284mV；NO3--TRGO-ISEs为91mV)，与K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs的高选择性一致。而当干扰离子溶液被换成主离子溶液时，平衡迅速，电位值在10s内恢复至初始值。长达27小时的连续电位值记录结果显示K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs具有较好的长期稳定性，电位漂移值分别为1.75μV/h和8.79μV/h。而之前报道的基于三维多孔碳(C.Lai,M.A.Fierke,A.Stein,P.Bühlmann,Ion-selective electrodes with three-dimensionally orderedmacroporous carbon as solid contact,Anal.Chem.79(2007)4621–4626.)和四(4-氯苯基)硼酸酯阴离子掺杂的纳米团簇(M.Zhou,S.Gan,B.Cai,F.Li,W.Ma,D.Han,L.Niu,Effective solid contact for ion-selective electrodes:tetrakis(4-chlorophenyl)borate(TB-)anions doped nanocluster films,Anal.Chem.84(2012)3480–3483.)分别作为传导层的固接型电极具有较大的电位漂移值，分别为9.17μV/h和10.1μV/h。低的电位漂移值主要归因于高电容的TRGO的共价连接及其界面水层的消失。

基于TRGO电极的寿命

基于TRGO的离子选择性电极的寿命通过不断记录电极的标准曲线获得，如图9所示。为了模拟外界环境，制备的电极当不使用时，将其置于使用蠕动泵的连续流动的溶液中(0.01M KCl或KNO3)。此外，测定了基于还原氧化石墨烯的固接型离子选择性电极作为对照组。K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs均显示出长达2周的稳定的离子响应性能，响应斜率和检测限的变化均不大。如图9A所示，响应斜率分别从60.0±0.4降至59.8±0.2mV/decade(K+-TRGO-ISEs)，从60.0±0.4降至59.8±0.2mV/decade(NO3--TRGO-ISEs)；检测限从2.5×10-6M降至5.0×10-6M(K+-TRGO-ISEs)，从2.5×10-6M降至6.3×10-6M(NO3--TRGO-ISEs)。而基于还原氧化石墨烯的固接型离子选择性电极的校准曲线的线性范围显示严重的下降，如图9B所示。由此我们可以得出基于TRGO的离子选择性电极比基于还原氧化石墨烯的电极重复性更好，更经久耐用，主要原因可归结于TRGO的供价固定。

结论

综上所述，首次以水合肼为还原剂，DMF为溶剂，通过氧化石墨烯的巯基化和还原来制备TRGO，它可以共价连接于金电极上表面，作为一种新的传感层来制备经久耐用的SC-ISE。EDS，Raman，XRD和XPS的结果证明了还原氧化石墨烯上的巯基官能团的成功修饰。基于TRGO的电极分别通过测定钾离子和硝酸根离子作为阳离子和阴离子的模型。制备的K+-TRGO-ISEs和NO3--TRGO-ISEs均具有能斯特斜率，良好的电位稳定性以及对水层的抵制力。最重要的是基于TRGO的电极具有比基于还原氧化石墨烯的电极更长的寿命，证明了TRGO作为传导层，是制备经久耐用的电极更佳的选择。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。