阅读说明：本技术 可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜的制备方法 (Preparation method of reduced graphene oxide film capable of enhancing carbon dot fluorescence ) 是由 孙向英 翁文婷 何维 刘斌 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜、制备方法和应用,采用循环伏安法及恒电电位法快速制备还原氧化石墨烯薄膜ErGO。本发明在基底膜表面组装聚电解质分子层,精确调控ErGO与碳点的间隔距离,可增强自组装膜外层碳点的荧光信号。本发明制得的石墨烯基底具有贵金属纳米增强基底所不能比拟的廉价和环保的优点,可解决荧光传感膜的荧光信号弱、检测灵敏度低的问题。(The invention discloses a reduced graphene oxide film capable of enhancing carbon dot fluorescence, a preparation method and application thereof, and the reduced graphene oxide film ErGO is rapidly prepared by adopting a cyclic voltammetry method and a constant-potential method. According to the invention, the polyelectrolyte molecular layer is assembled on the surface of the basement membrane, the spacing distance between ErGO and the carbon point is accurately regulated and controlled, and the fluorescence signal of the carbon point on the outer layer of the self-assembled membrane can be enhanced. The graphene substrate prepared by the invention has the advantages of low price and environmental protection which cannot be compared with a noble metal nano enhanced substrate, and can solve the problems of weak fluorescence signal and low detection sensitivity of a fluorescence sensing film.)

可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜、制备方法和应用。

背景技术

表面增强荧光(Surface enhanced fluorescence，SEF)效应是指利用特殊物质表面或纳米结构的表面等离子体震荡和电磁场剪裁效应，使荧光物质的荧光发射增强的技术。能从本质上解决问题荧光分析灵敏度不高的问题。

关于金属纳米粒子进行荧光增强的研究多验证是基于表面等离激元共振(surface plasmon resonance，SPR)效应。研究表明，在金属纳米基底表面形成MEF现象受到主要三个方面因素的影响：(1)两者的光谱重叠程度；(2)荧光团和金属之间的距离；(3)增强基底的结构与性能(有尖端，边缘和弯角)的纳米颗粒可以更有效的增强荧光。此外，还与荧光分子的激发极化程度和荧光团在金属颗粒表面沉积的数量与密度等因素有关。各种类型的金属纳米的金属表面增强荧光的研究相继报道。但是，这些基于金属纳米基底建立起来的荧光增强体系，均存在基底原料易氧化、不稳定、造价相对昂贵且污染环境等不足。再加上金属纳米作为SPR研究材料时，本身光学损耗比较大，且其自身电磁特性难以改变，不利于调控SP的传播和共振。

据报道，石墨烯具有等离子激元增强近场荧光信号的特性，SPs多产生于采用固相生长法在SiC表面形成的5层以内的石墨烯晶格结构。高取向的热解石墨上机械剥离下来的石墨烯片可诱发产生的共振等离子体，增强邻近的氧化锌纳米层的荧光信号。但是，物理剥落的石墨烯性质稳定，溶解性差，其悬浊的水溶液易团聚而沉淀，不利于在固相基底上形成均匀的成膜过程。不得不通过壳聚糖包裹石墨烯后沉积在玻璃基底上，再研究对碳点的荧光增强效应，薄膜基底的制备过程难以做到保留少层石墨烯的结构。而氧化石墨烯(GO)作为石墨烯氧化后的衍生物，具有较好溶解性能，可以通过聚电解质PDDA包裹同步化学还原的方法制备还原石墨烯，实现对碳点荧光信号的增强效应。但是，整个薄膜基底的制备过程涉及多个合成步骤，较为繁琐，并且在石墨烯基底中引入化学物质。最理想的还原氧化石墨烯的方法应该是绿色、安全和简便的，尽量减少杂质和缺陷的引入。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜、制备方法和应用，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)采用循环伏安法在导电FTO玻片上沉积氧化石墨烯，制备得到FTO/GO薄膜；

2)结合恒电电位法进行氧化石墨烯的还原，制备得到FTO/ErGO薄膜；

3)将FTO/ErGO膜依次放入PDDA溶液和PSS溶液中，交替重复进行，通过自组装的方式制备得到自组装膜FTO/ErGO/[PDDA/PSS]_n SAMs，其中，n为1～5。

4)将自组装膜浸泡在荧光碳点溶液制备得到FTO/ErGO/[PDDA/PSS]_n/CDs SAMs，其中，n为1～5；

在本发明一较佳实施例中，n为3，步骤3)制备得到自组装膜FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃SAMs，步骤4)制备得到FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDs SAMs。

在本发明一较佳实施例中，步骤1)中，所述循环伏安法包括如下步骤：

以导电FTO玻片为工作电极，Ag-AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极的三电极体系，在0.02g·L^-1GO的pH＝5.0的HAc-NaAc缓冲溶液中，以50mV/s扫描速度于-0.6～1.0V进行循环伏安曲线扫描，扫描圈数为8，一步制得FTO/GO薄膜。

在本发明一较佳实施例中，步骤2)中，所述恒电电位法包括如下步骤：

将FTO/GO薄膜为工作电极，Ag-AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极的三电极体系置于0.1mol·L^-1KCl电解液中进行恒电位还原，电位为-1.4V，时间为1000s，制得FTO/ErGO薄膜。

在本发明一较佳实施例中，步骤3)包括如下步骤：

将FTO/ErGO膜放入体积分数为1％的PDDA溶液中组装1h，取出后用超纯水清洗，置于恒温恒湿箱晾干；再置于1g·L^-1的PSS溶液中组装1h，取出后用超纯水清洗，置于恒温恒湿箱晾干；交替重复上述过程3次，制备得到自组装膜FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃SAMs；

其中，所述PDDA溶液和PSS溶液中含体积分数为1％的NaCl。

在本发明一较佳实施例中，步骤4)包括如下步骤：

将自组装膜浸泡在荧光碳点溶液中3h，取出后用氮气吹干后即可得到增强碳点荧光自组装膜FTO/ErGO/[PDDA/PSS]_n/CDs SAMs。

在本发明一较佳实施例中，还包括0)前处理，所述前处理包括氧化石墨烯母液的配制和导电FTO玻片的清洁。

在本发明一较佳实施例中，所述氧化石墨烯母液的配制包括如下步骤：

取氧化石墨烯粉末均匀分散在超纯水中，置于温度不高于40℃超声波中溶解1h，配制成0.2g·L^-1的氧化石墨烯澄清溶液为母液。

在本发明一较佳实施例中，所述导电FTO玻片的清洁包括如下步骤：

将导电FTO玻片导电面朝上，用超纯水洗涤30min，然后用无水乙醇在超声条件下洗涤10min，接着在现配现用的Piranha溶液中超声洗涤30min，最后用超纯水进行多次超声清洗，洗净后置于恒温恒湿箱中干燥。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了上述方法制备的可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜，所述还原氧化石墨烯薄膜为增强碳点荧光自组装膜FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDs SAMs。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：提供了上述的可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜在荧光分析检测中的应用，作为基底薄膜用于增强荧光探针信号。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明中选用廉价易得的氧化石墨烯为材料。相比于金、银纳米及稀有金属等纳米材料，具有化学性质稳定，比表面积大，光电性能优异等优点。因为避免繁琐的合成步骤，所以本发明的制备流程绿色环保，不产生二次污染，节约了生产成本。

2.本发明中采用绿色安全的电化学方法还原氧化石墨烯的工艺。无需机械剥离、化学气相沉积和外延生长等传统方法的高性能高费用设备要求。简便的电化学还原石墨烯的方法，克服了热还原法制备过程中导致石墨烯片层缺陷增多的缺点。避免了化学还原法过程中引入有毒化学物质和杂质原子的操作。弥补了光还原法耗时长，辐射大的不足。

3.本发明中采用层层自组装技术进行薄膜构建。具有可精确控制薄膜基底与探针之间的间隔距离，可随意设计组装薄膜表面的荷电状态的优势。

附图说明

图1为不同循环伏安条件下形成FTO/GO膜的(a)循环伏安曲线与(b)交流阻抗曲线(Nyquist图)及(c)对应数值变化趋势图。

图2为不同还原电位下形成FTO/ErGO膜的(a)循环伏安曲线和(b)交流阻抗曲线及(c)对应数值变化趋势图，(d)拉曼光谱和(e)表面增强荧光光谱及(f)对应数值变化趋势图。

图3为不同还原时间下形成FTO/ErGO膜的(a)循环伏安曲线和(b)交流阻抗曲线及(c)对应数值变化趋势图，(d)拉曼光谱和(e)表面增强荧光光谱及(f)对应数值变化趋势图。

图4为不同氧化石墨烯浓度下形成FTO/ErGO膜的(a)循环伏安曲线和(b)交流阻抗曲线及(c)对应数值变化趋势图，(d)拉曼光谱和(e)表面增强荧光光谱及(f)对应数值变化趋势图。

图5为FTO/GO/[PDDA/PSS]_n/CDs和FTO/ErGO/[PDDA/PSS]_n/CDs的(a)荧光光谱、(b)荧光衰减曲线、(c)FTO/GO/[PDDA/PSS]_n/CDs的激光共聚焦显微图片和(d)FTO/ErGO/[PDDA/PSS]_n/CDs的激光共聚焦显微图片及(e)不同位点的发光信号对比图。

图6为不同类型的氧化石墨烯还原制备的FTO/ErGO膜的(a)循环伏安曲线，(b)交流阻抗曲线和(c)拉曼光谱及(d)其对碳点的表面增强荧光光谱。

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种可增强碳点荧光的还原氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

0)前处理：

a.取氧化石墨烯粉末均匀分散在超纯水中，置于温度不高于40℃超声波中溶解1h。配制成0.2g·L^-1的氧化石墨烯澄清溶液为母液，根据后期实验要求，用超纯水稀释至所需浓度；

b.将1cm×2cm的导电FTO玻片导电面朝上，用超纯水洗涤30min，然后用无水乙醇在超声条件下洗涤10min，接着在Piranha溶液(98％H₂SO₄:30％H₂O₂＝7:3，V/V，注意现配现用)中超声洗涤30min，最后用超纯水进行多次超声清洗，洗净后置于恒温恒湿箱中干燥；

1)FTO/GO薄膜的制备：

以FTO导电玻璃为工作电极，Ag-AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极的三电极体系，在0.02g·L^-1GO的pH＝5.0的HAc-NaAc缓冲溶液中，以50mV/s扫描速度于-0.6～1.0V进行循环伏安曲线扫描，扫描圈数为8，一步制得FTO/GO薄膜。取出冲洗，氮气吹干。

2)FTO/ErGO薄膜的制备：

将FTO/GO薄膜为工作电极，Ag-AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极的三电极体系置于0.1mol·L^-1KCl电解液中进行恒电位还原，电位为-1.4V，时间为1000s，制得FTO/ErGO薄膜。

3)自组装膜的制备：

将FTO/ErGO膜放入1％(V/V)的PDDA溶液(含1％NaCl)中组装1h，取出后用超纯水清洗，置于恒温恒湿箱晾干。再置于1g·L^-1的PSS溶液(含1％NaCl)中组装1h，取出后用超纯水清洗，置于恒温恒湿箱晾干。交替重复该过程3次，就形成FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃SAMs。

4)荧光碳点传感膜的制备：

将该自组装膜浸泡在荧光碳点溶液中3h，取出后用氮气吹干后即可得到FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDs SAMs。

采用循环伏安法进行反复的氧化还原过程会导致折叠化边缘的多层石墨烯的形成，虽有利于氧化石墨烯在电极上的均匀沉积，但还原不彻底，而恒电位法更有利于氧化石墨烯层的还原，因此，本实施例选用循环伏安法结合恒电位法进行还原氧化石墨烯基底制备。制备得到的FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDs SAMs可作为石墨烯基底应用于增强荧光探针信号，具有贵金属纳米增强基底所不能比拟的化学性能稳定、廉价和环保的优点，可解决荧光薄膜传感膜的荧光信号弱、检测灵敏度低的问题。

一、循环伏安法沉积条件的对比实验

1、选取CV的扫描速度和时间为变量，对各条件下制备的FTO/GO进行电化学性能检测。选用CV扫速变量为10mV·s^-1、30mV·s^-1、50mV·s^-1、60mV·s^-1。当扫描速度过慢，容易在FTO表明出现折叠化边缘石墨烯层吸附的现象，当扫描速度太快，使得GO很难通过电化学法附着在FTO玻片上，难以形成均匀石墨烯层。由此可见，循环伏安方法的扫描速度50mV·s^-1为最佳条件。

2、保持50mV·s^-1的扫描速度，选取不同的时间时间为变量，考察不同的扫描圈数(segments)为4、6、8、10、12对制备的石墨烯薄膜的电化学性能影响。结果如图1所示，段数的增加意味着还原时间的增加，随之对应制备的GO膜的ΔE先升后降，在segments＝8时达到最小。对应的Nyquist图上高频区半圆随着还原时间的增加而增大。这是由于当扫描圈数太少，GO很难附着于FTO玻片上，甚至FTO部分表面未能被GO覆盖。但是，随着扫描圈数的增加，GO层逐渐变厚，导电能力逐渐减弱，如果形成边缘折叠式石墨烯层，将不利于后期恒电位法还原石墨烯的完全和均一性。

二、恒电位法还原电位的对比实验

将不同还原电位下制备的FTO/ErGO作为工作电极，测绘循环伏安和交流阻抗曲线，结果表明如图2所示，当沉积电位为-1.4V时，氧化还原电对在石墨烯膜上形成的氧化还原电位差ΔE最小，对应的Nyquist图上电子传递电阻R_et较小。分析其原因，可能是随着还原电位越小，GO表面在相同时间内受还原程度相对越大，但是当还原电位太负，会导致形成的ErGO表面形成的晶体缺陷过多，见图2(c)。对应石墨烯基底制备成增强荧光碳点的传感膜时，增强能力反而下降。综合上述分析，本方法选择-1.4V为最佳还原电位。

三、恒电位法还原时间的对比实验

在还原电位为-1.4V的条件下，考察不同还原时间对ErGO膜的形成效果的影响。实验结果如图3所示，当还原时间从小到大变化时，制得的FTO/ErGO膜的循环伏安曲线的ΔE随时间先减小后增大。对应的FTO/ErGO膜对电子的传递性随时间先减小后增大。结合ErGO膜的拉曼光谱实验结果可以看出，当还原时间太短，FTO玻片表面的GO并没有被完全还原，表面大部分仍残留绝缘物GO，导电性较差。随着还原时间的增加，GO被还原的程度逐渐增加，ErGO膜的导电性能逐渐改善。当还原时间超过1000s，FTO玻片表面的ErGO因还原过度使得石墨烯表面晶体缺陷过多，反而导致ErGO膜的导电能力减弱。在还原时间为1200s条件下制备的ErGO膜的拉曼光谱图中，D峰远高于G峰，这是sp²杂化簇增多导致晶体缺陷较大所致。将制备的还原氧化石墨烯基底按实验方法构建荧光增强薄膜。对应的荧光光谱如图3(d)所示，荧光增强效果最好的出现在还原时间为700s和1000s时制备的ErGO膜。可见，石墨烯基底对荧光探针的增强效应和石墨烯被还原至一定程度所得到的晶格结构完整度有关。

四、氧化石墨烯浓度的对比实验

考察不同浓度的氧化石墨烯溶液对ErGO膜的形成和荧光增强效果的影响。实验结果如图4所示，随着GO溶液浓度的增加，形成的FTO/ErGO对电子传递能力的增强，表现为循环伏安曲线的氧化还原峰的电位差△Ep变小，对应交流阻抗谱图的电子传递R_et也变小。对应的拉曼光谱如图4(c)所示，还原程度逐渐增加，当采用0.020g·L^-1的GO溶液制备FTO/ErGO对碳点的荧光增强效果最好，图4(d)，因此0.020g·L^-1为最佳浓度。

五、自组装膜性能验证实验

将FTO/ErGO基底通过聚电解质的静电吸附作用进行间隔层的组装，最终在末端组装正电荷荧光碳点[email protected]，构建石墨烯增强荧光碳点的传感膜FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDs。将还原前后的石墨烯薄膜作为基底构建荧光碳点自组装薄膜，对比荧光光谱如图5(a)所示。FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDs相比于FTO/GO/[PDDA/PSS]₃/CDs自组装膜的相对荧光强度增强了近3倍。对应的荧光自组装膜的荧光寿命数据如图5(b)所示，FTO/GO/[PDDA/PSS]₃/CDs荧光衰减曲线经过拟合后的荧光平均寿命为2.636ns，而FTO/ErGO/[PDDA/PSS]₃/CDsSAMs的荧光寿命缩短为1.887ns。结果符合金属纳米颗粒基于表面等离子效应增加CDs的荧光强度和辐射衰减率的结论。

在同一条件下，采用激光共聚焦荧光显微技术对增强前后的自组装膜进行验证。其结果如图5(c)所示，FTO/ErGO/[PDDA/PSS]_n/CDs的发光性能明显强于FTO/GO/[PDDA/PSS]_n/CDs，取界面中均匀分布的九个位点上生成的光信号进行对比，结果进一步说明石墨烯增强碳量子点的特性。

六、氧化石墨烯类型对增强荧光效果的影响对比

分别选用单层氧化石墨烯(GO)、氨基化氧化石墨烯(NGO)、羧基化石墨烯(CGO)和巯基化石墨烯(SGO)四种类型电解液，按实施例1的方法制备为相应的FTO/ErGO膜，测绘其电化学曲线并进行光谱表征。

实验结果如图6所示，相比于FTO电极，各种类型还原的石墨烯膜都表现出导电性能的下降。其中只有含氧量差别的ErGO和ErCGO膜具有较好的可逆性，而引入杂原子的ErNGO和ErSGO膜的电化学可逆性下降，表现出较差的导电能力。而NGO和SGO膜的结构中引入杂原子，还原后易形成太多的晶体缺陷，不利于电子传递的缘故。对应的拉曼光谱图中ErGO和ErCGO膜表现出明显被还原的现象，存在大量sp²杂化簇。而同等还原条件下，ErNGO和ErSGO膜则难以形成石墨烯晶格结构，所以没有出现明显的D和G特征峰。对碳点的增强效果也相应地表现为ErGO和ErCGO膜为基底时最好，而ErNGO和ErSGO膜没有明显的增强效应。进一步验证增强荧光效果与石墨烯完整晶格结构有关。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。