一种孔状单壁碳纳米管及其修饰电极的制备和应用

摘要

本发明提供了一种孔状单壁碳纳米管的制备方法，是将单壁碳纳米管与高锰酸钾混合后高温煅烧，再用盐酸将嵌入在单壁碳纳米管管壁上的锰纳米粒子除去，即得孔状单壁碳纳米管，该孔状单壁碳纳米管具有良好的吸附性和生物相容性，是优异的电极修饰材料。用孔状单壁碳纳米管修饰的电极对8‑OHdG检测有很高的灵敏度（检出限为9.96×10‑10M），与其它8‑OHdG传感器相比，检测范围宽，检测限低，检测过程简单，灵敏度高、快速简便。本发明通过“碳热还原法”在单壁碳纳米管管壁上刻蚀出纳米级的孔，省去了纯化碳纳米管的繁琐步骤，节省了大量时间和试剂，大大降低了成本，使工业化生产成为可能。

权利要求

1.一种孔状单壁碳纳米管的制备方法，是将单壁碳纳米管与高锰酸钾混合后高温煅烧，再用盐酸将嵌入在单壁碳纳米管管壁上的锰纳米粒子除去，即得到孔状单壁碳纳米管；

具体包括以下工艺步骤：

（1）单壁碳纳米管-锰复合物的制备：先将单壁碳纳米管超声分散于二次蒸馏水中，在搅拌条件下缓慢加入高锰酸钾，将混合液避光搅拌2.5 3h；再将混合液置于0 -4℃的环境~ ~下冷冻10 15h，得到的固状物经低压冷冻干燥得固体粉末；然后将固体粉末置于管式炉中；

~

氮气保护下升温到500 800℃，煅烧 2 3h，自然降温至室温，得到单壁碳纳米管-锰复合物；

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（2）孔状单壁碳纳米管的制备：将单壁碳纳米管-锰复合物分散在盐酸溶液中，在室温下强力搅拌70   72h，除去复合物中的锰纳米粒子；然后用孔径为0.22μm微孔滤膜过滤，水~洗至中性，真空干燥，得孔状单壁碳纳米管。

2.如权利要求1所述一种孔状单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，单壁碳纳米管与高锰酸钾的质量比为1:2   1:3。

~

3.如权利要求1所述一种孔状单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，升温速率为8℃/min   10℃/min。

~

4.如权利要求1所述一种孔状单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，强力搅拌速度为220   250 rap/min。

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5.一种基于如权利要求1所述孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法，是将经清洗处理的裸玻碳电极插入含有1.0mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，取出用二次蒸馏水冲洗并吹干后，将孔状单壁碳纳米管溶液涂覆在上述处理的玻碳电极上，室温下干燥，得孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极。

6.如权利要求5所述孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于：循环伏安扫描条件：电压窗口设置为-0.2   0.8V，扫描圈数1   4圈。

~ ~

7.如权利要求5所述孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于：孔状单壁碳纳米管溶液浓度为0.4 0.5mg/ml。

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8.如权利要求5所述孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极在检测8-羟基脱氧鸟苷的应用，其特征在于：以孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，浸于含有8-羟基脱氧鸟苷的0.2M pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中，在电位窗口0.1V 0.7V下进行线性伏安扫描，得修饰玻碳电极对8-羟基脱氧鸟苷的线~性扫描伏安曲线。

9.如权利要求8所述孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极在检测8-羟基脱氧鸟苷的应用，其特征在于：8-羟基脱氧鸟苷浓度与电流的线性关系如下：2

低浓度线性为：Ipa (μA) =-0.6069 – 0.9696 C (μM) (R =0.9993)；

高浓度线性为 Ipa (μA) =- 6.2866 – 0.2429 C (μM) (R2 =0.9975)。

说明书

一种孔状单壁碳纳米管及其修饰电极的制备和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种孔状单壁碳纳米管的制备，本发明同时涉及该孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极的制备以及在检测8-羟基脱氧鸟苷的应用。

背景技术

[0002] 单壁碳纳米管（SWNT）是一种新型的一维碳基纳米材料，它独特的电学、光学和力学性能，使其迅速成为当前物理、化学和材料学等领域的研究热点。据报道，通过修饰碳纳米管的结构（基底或边缘）可以改进碳纳米管的性能，产生新型的碳纳米管基材料。近年来，越来越多的研究人员开始关注碳纳米管中结构的潜在应用，并发现碳纳米管上的许多催化反应、电子转移和化学反应活性都发生在缺陷位点处。

[0003] 孔状单壁碳纳米管（PSWNT）是一种改性的碳纳米管，在其管壁上有许多纳米级的孔，这种新型的材料与单壁碳纳米管相比有更好的性质，比如大的比表面积，较快的物质扩散和传质。此外，孔状单壁碳纳米管还具有良好的吸附性能，在气体分离、海水淡化、燃料电池、电化学电容器和电化学传感器中有潜在的应用价值。然而，目前有关在单壁碳纳米管上制孔的报道很少，尤其是未见有用碳热还原法制备的报道。

[0004] 8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）是由活性氧自由基攻击DNA分子中的鸟嘌呤碱基第8位碳原子而产生的一种氧化性化合物，由于DNA的氧化损伤与基因突变、细胞癌变及个体衰老等密切相关，因此研究DNA中8-OHdG的水平对评估机体氧化损伤的程度、衰老机制和癌发生机制的研究均有重要意义。目前，检测8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）的方法主要有HPLC-ECD，ELISA、32P后标记法，气质联用分析法（GD-MS）法。其中HPLC-ECD法存在DNA的不完全没接，可导致检测值比真实值偏高的问题；ELISA法存在交叉反应，可能可导致检测值比真实值偏高的缺陷；32P后标记法的特异性还有待提高，且容易造成放射性污染； GD-MS法由于DNA碱基必须首先进行衍生化反应，而这一过程容易导致副产物的形成，从而导致假阳性结果。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种孔状单壁碳纳米管的制备方法；

[0006] 本发明的另一目的是提供孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法；

[0007] 本发明还有一个目的，就是孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极在检测8-OHdG的应用。

[0008] 一、孔状单壁碳纳米管的制备

[0009] 本发明制备孔状单壁碳纳米管的方法，是将单壁碳纳米管与高锰酸钾混合后高温煅烧，再用盐酸将嵌入在单壁碳纳米管管壁上的锰纳米粒子除去，即得到孔状单壁碳纳米管。其具体制备工艺如下：

[0010] （1）单壁碳纳米管-锰复合物的制备：先将单壁碳纳米管超声分散于二次蒸馏水中，在搅拌条件下缓慢加入高锰酸钾，将混合液避光搅拌 2.5 3h；再将混合液置于0   -4~ ~℃的环境下冷冻10   15h，得到的固状物经低压冷冻干燥得固体粉末；然后将固体粉末置~
于管式炉中；氮气保护下升温到500 800℃（以8 10℃/min的速率升温），煅烧2   3h，自然~ ~ ~
降温至室温，得到单壁碳纳米管-锰复合物；单壁碳纳米管与高锰酸钾的质量比为1:2 1:3。
~

[0011] （2）孔状单壁碳纳米管的制备：将单壁碳纳米管-锰复合物分散在盐酸溶液中，在室温下以（220 rap/min   250 rap/min）强力搅拌70  72h，除去复合物中的锰纳米粒子；~ ~
然后用孔径为0.22μm微孔滤膜过滤，水洗至中性，真空干燥，得孔状单壁碳纳米管。

[0012] 图1为单壁碳纳米管（A）和本发明制备的孔状单壁碳纳米管（B）的透射电镜图（TEM）。从图A中可以看出，单壁碳纳米管上没有纳米孔存在。从图B中可以看出，在单壁碳纳米管上分布由2 3nm的孔，表明孔状单壁碳纳米管成功制备。孔结构使单壁碳纳米管具有更~大的比表面积、更好的吸附性能、以及较快的电子传递速率，这种改性碳材料在电化学传感器上有潜在的应用价值。

[0013] 图2为孔状单壁碳纳米管（a）、单壁碳纳米管/锰复合物（b）的X-射线荧光衍射(XRD)谱图。由图a可以看出，单壁碳纳米管制出孔以后特征峰并没有改变，而且锰的特征峰消失，说明孔状单壁碳纳米管管壁上的锰纳米粒子已除去。由图b可知，单壁碳纳米管-锰复合物有锰的特征峰存在。

[0014] 二、孔状单壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备

[0015] （1）玻碳电极的预处理：将经清洗处理的裸玻碳电极插入含有1.0mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用；

[0016] 循环伏安扫描条件：电压：-0.2 0.8V，扫描圈数1 4圈。~ ~

[0017] （2）孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极的制备：将孔状单壁碳纳米管配置成浓度为0.4 0.5mg/ml的溶液（溶剂为二次蒸馏水），滴涂在上述处理的玻碳电极上，室温下干燥，~得孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极，标记为PSWNT/GCE。

[0018] 三、修饰玻碳电极检测8-羟基脱氧鸟苷

[0019] 以孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并浸于含有8-羟基脱氧鸟苷的0.2M pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中，在电位窗口0.1V 0.7V下进行线性伏安扫描，得到PSWNT/GCE修饰电极对8-OHdG的线~性扫描伏安曲线。

[0020] 为了便于对比，我们将不同电极在8.0μM 8-OHdG的0.2M PBS（pH=7.0）中的线性扫描伏安曲线。图3为不同修饰电极在8.0μM 8-OHdG的0.2M PBS（pH=7.0）中的线性扫描伏安曲线。其中，a为裸电极；b为孔状单壁碳纳米管修饰电极；c为单壁碳纳米管修饰电极。从图a中可以看到裸电极在0.4V左右出现了8-OHdG的氧化峰。图b中显示同样在0.4V左右出现了8-OHdG的氧化峰，而且峰电流特别大，说明孔状单壁碳纳米管对8-OHdG的检测效果很好。从图c可以看出，单壁碳纳米管修饰电极效果没有孔状单壁碳纳米管的好。

[0021] 图4为孔状单壁碳纳米管修饰电极对不同浓度的8-OHdG检测的线性扫描伏安图及8-OHdG浓度与电流的关系。其中A：孔状单壁碳纳米管（PSWNT）修饰电极在0.2M PBS（pH=
5.0）中对不同浓度的8-OHdG检测的线性扫描伏安曲线图（从内至外分别为9×10-10，3×10-9 -9 -8 -8 -7 -7 -6 -6 -5 -5 -
，7×10 ，3×10 ，7×10 ，3×10 ，7×10 ，3×10 ，7×10 ，3×10 ，7×10 ，9×10
5M）。图B：8-OHdG氧化峰电流与其浓度的关系图，插图为8-OHdG氧化峰电流与其小浓度的线性关系图。

[0022] 从图4可以看出，8-OHdG浓度与电流的线性关系为：

[0023] 低浓度线性为Ipa (μA) =-0.6069 – 0.9696 C (μM) (R2 =0.9993)，高浓度线性为 Ipa (μA) =-6.2866 – 0.2429 C (μM) (R2 =0.9975)。

[0024] 孔状单壁碳纳米管修饰电极对8-OHdG的检测线性范围为2.99×10-9 9.76×10-7，~9.76×10-7 8.72×10-5M，检出限为9.96×10-10M。
~

[0025] 综上所述，本发明相对于现有技术具有以下优点：

[0026] 1、本发明通过“碳热还原法”在单壁碳纳米管管壁上刻蚀出纳米级的孔，省去了纯化碳纳米管的繁琐步骤，节省了大量时间和试剂，大大降低了成本，使工业化生产成为可能；

[0027] 2、本发明研制的孔状单壁碳纳米管（PSWNT）具有良好的吸附性和生物相容性，是优异的电极修饰材料。PSWNT/GCE修饰电极对8-OHdG检测有很高的灵敏度（检出限为9.96×-1010 M），与其它8-OHdG传感器相比，检测范围宽，检测限低，检测过程简单，灵敏度高、快速简便。

附图说明

[0028] 图1为本发明不同材料的透射电镜图（TEM）。

[0029] 图2为单壁碳纳米管-锰复合物与孔状单壁碳纳米管（PSWNT）的X-射线荧光衍射(XRD)谱图。

[0030] 图3为 a：裸电极（GCE）；b：孔状单壁碳纳米管（PSWNT）；c：单壁碳纳米管修饰电极（SWNT）对8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）的线性扫描伏安曲线。

[0031] 图4为孔状单壁碳纳米管修饰（玻碳）电极在0.2M PBS（pH=5.0）中不同浓度的8-OHdG的线性扫描伏安曲线及8-OHdG的氧化峰电流与浓度的线性关系。

具体实施方式

[0032] 下面通过具体实施例对本发明孔状单壁碳纳米管、修饰玻碳电极的制备以及修饰玻碳电极检测8-OHdG的方法作进一步的说明。

[0033] 使用的仪器和药品：CHI 660C电化学工作站（上海辰华仪器公司）用于进行循环伏安的实验，石英管加热式自动双重纯水蒸馏器（1810B，上海亚太技术玻璃公司）用于蒸二次蒸馏水。电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司），用于称量药品。超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。三氧化二铝打磨粉（0.30μm，0.05μm，上海辰华仪器试剂公司）用于处理玻碳电极。饱和甘汞参比电极，铂对电极，铁氰化钾、氯化钾、高锰酸钾、单壁碳纳米管（深圳纳米港有限公司）。实验过程中使用的水均为二次蒸馏水，实验所用的试剂均为分析纯。

[0034] 实施例1、孔状单壁碳纳米管的制备

[0035] 称量0.8g单壁碳纳米管，加入到30mL二次蒸馏水中超声30min，得到碳纳米管分散液；将2.4g高锰酸钾溶解在40mL的二次蒸馏水中配置成高锰酸钾溶液；再在搅拌条件下缓慢加入到碳纳米管分散液中；避光搅拌3h；然后将混合液放入冰箱在0℃以下的环境下冷冻12h，得到的固状物经低压冷冻干燥，得固体粉末。

[0036] 将固体粉末加入瓷舟中，然后放入管式炉中，在N2保护下以10℃/min的速率升温到800℃，高温煅烧3h；降温至室温，得到单壁碳纳米管-锰复合物。

[0037] 将制得的单壁碳纳米管-锰复合物分散在200mL的1M盐酸溶液中，在室温下以转速为（220rap/min   250rap/min）强力搅拌70h；产物用0.22μm微孔滤膜过滤，水洗至中性，真~空干燥，制得孔状单壁碳纳米管。其结构见图1、2。

[0038] 实施例2、孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极的制备

[0039] 玻碳电极预处理：将玻碳电极依次用0.30μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，插入含有1.0mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描（扫描电势窗为-0.2 0.8），取出用二~次蒸馏水冲洗并吹干。

[0040] 孔状单壁碳纳米管修饰电极的制备：将上述孔状单壁碳纳米管（PSWNT）量取7ul滴涂在上述处理好的玻碳电极（GCE）上（直径为3mm），室温下干燥制得PSWNT/GCE修饰电极。

[0041] 实施例3、8-羟基脱氧鸟苷的检测

[0042] 在电化学工作站的技术选项中选择线性扫描伏安技术：将电位窗设置为0.1V~0.7V。采用孔状单壁碳纳米管修饰的玻碳电极为工作电极，铂柱为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，组成三电极体系，并将其共同浸入含有8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）的0.2M pH=5.0的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中进行线性伏安扫描，采用origin软件作图，绘制得到PSWNT/GCE修饰电极对8-OHdG的线性扫描伏安曲线。

[0043] 从该线性关系中可得，8-羟基脱氧鸟苷的浓度为Ipa (μA) =-0.6069 – 0.9696 C (μM) (R2 =0.9993)和Ipa (μA) =－6.2866 – 0.2429 C (μM) (R2 =0.9975)。