[发明专利]一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法及其应用，首先通过氯化钠模板法，调控杂元素碳源，经过热处理，制备出氮和硫双掺杂的多孔碳纳米片，然后以该材料作为基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱的新型碳基质，质谱分析有机环境污染物小分子(m/z﹤700)，并且该新基质也可用于大气雾霾(PM_2.5)中环境污染物小分子的成分组成及含量分析。该方法还可以用于不同种类氨基酸生物分子的分析及定量检测。采用本发明双杂原子掺杂的多孔碳材料作为新基质检测环境污染物分子时，具有低的背景干扰峰和高的离子强度等优势。

技术领域

本发明涉及一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法，以及该材料作为新基质在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测大气雾霾和环境中小分子环境污染物的应用，属于材料和分析化学交叉领域。

背景技术

近年来，绝大多数北方城市在寒冷的冬天，会出现严重的雾霾天气。而PM_2.5(空气动力学当量直径小于2.5μm的大气颗粒物)是导致雾霾的主要因素，可能引起肺损伤和心脏舒张功能不全等多种人体疾病。已经有文献(Inhalation Toxicol.,2007,19,811–832)报道，这些不良因素的产生与PM_2.5中重金属和有机化合物的含量有关。其中，硝基酚类环境污染物类小分子包含4-硝基儿茶酚和硝基愈创木酚等，主要来自于建筑染料、农药、燃料燃烧和生物质燃烧等；羟基多环芳烃类环境污染物如1-羟基-芘等，来自于木材和煤等不完全燃烧。它们不仅在PM_2.5中有高浓度的含量，而且可以与DNA结合导致基因突变。因此，我们有必要采取有效的方法对这些有机环境污染物分子进行高灵敏性的检测。

但是目前的检测方法遇到很多困难，不准确，不方便，而且成本高。

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)，因其具有高的灵敏性、高通量性、样品用量极少和响应速度快等优势，已经广泛应用于生物大分子的分析。然而，当激光照射传统基质α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA)、2，5-二羟基苯甲酸(DHB)和芥子酸(SA)时，会产生结构碎片使其在m/z＜700范围内出现严重的背景干扰峰，影响MALDI-TOF MS在小分子检测中的应用。最近，研究者们已经合成多种新型材料(多孔硅、金属颗粒、金属氧化物和基于碳的材料)代替传统基质避免其背景噪音，实现对多种小分子化合物的分析检测应用。其中，基于碳的物种像富勒烯、石墨、碳纳米管和石墨烯等，由于其显著的电荷迁移率和光学吸收性能，展现出良好的离子化(LDI)效率可作为新型的MALDI基质。

多孔碳材料由于具有高的电导率、大的比表面积、良好的化学稳定性和热导性等特点，进一步，杂原子的掺杂可以改变碳材料的石墨层的电子给予/接收性能，二者结合吸引了大量关注，并且已经应用于电化学传感、MALDI-TOF MS、超级电容器、钠离子电池和氧还原等众多领域。其中，Shih等人(Chem.Commun.,2017,53,5725)通过直接碳化金属有机凝胶得到N-掺杂多孔碳材料，其作为一种MALDI基质可用于小分子量生物分子的检测。与单独的多孔碳材料相比，N-掺杂多孔碳材料基质检测小分子时具有更高的信噪比(S/N)和更强的耐盐性。尽管N-掺杂的多孔碳材料已经成功地应用于MALDI-TOF MS分析小分子化合物，然而到目前为止，还没有报道过基于双杂原子掺杂的多孔碳材料用于MALDI-TOF MS检测PM_2.5中环境污染物小分子化合物。

发明内容

本发明旨在提供一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法，此外，本发明还提供了上述材料作为一种新基质，在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析检测大气雾霾和环境中小分子环境污染物中的应用。

本发明双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳材料，是由具有三维类石墨烯的片状纳米碳片组成，纳米碳片的厚度在2-50纳米之间，比表面积为500m²/g～750m²/g，孔径分布为0.1-2nm、2-50nm和50-100nm等多级孔。该材料中的双杂原子包含但不局限于硫、氮原子。