CN102879442A - 石墨烯量子点修饰的电化学传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯量子点修饰的电化学传感器及其制备方法和应用，该传感器采用三电极体系，以石墨烯量子点修饰后的金电极为工作电极。本发明采用化学键将石墨烯量子点的羧基与改性后的金电极表面的氨基结合，构筑石墨烯量子点电化学传感器。以石墨烯量子点修饰后的金电极为工作电极，使用计时电流法测定H₂O₂浓度的工作曲线。本发明测定H₂O₂浓度的线性范围为2μM～8mM，检测下限为1.3μM。同时，该传感器能够实时的检测活细胞释放的H₂O₂含量，且响应快，线性范围宽、检测极限低等优点，对于因ROS引起的疾病的诊断检测具有重要意义，应用前景广泛。

Description

石墨烯量子点修饰的电化学传感器及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种电化学传感器的制备，具体涉及一种石墨烯量子点修饰金电极的电化学传感器及其对活细胞释放的H₂O₂含量的检测。

背景技术

细胞代谢过程中产生的一系列活性氧(reactive oxygen species，ROS)，其在细胞代谢过程中扮演着重要作用。ROS在低含量时，可作为生长因子、信号传递等第二信使。但是，ROS浓度过高会导致一系列的生理病变如神经元退变、心血管疾病、阿尔茨海默病、癌症等。因此，测定ROS的含量对研究生理病变以及早期诊断具有十分重要的意义。然而，ROS中·OH，O₂-·等分子不能稳定存在，不便用于检测。过氧化氢作为ROS中的一种，其浓度与·OH，O₂-·等其他ROS分子有密切关系，同时其具有很好的稳定性和对细胞膜的穿透性，可反映ROS的含量。因此，过氧化氢的含量能够直接反映细胞中ROS的情况。发展一种可靠的、灵敏的检测活细胞释放的H₂O₂含量的方法具有十分重要的意义。

目前，用于检测过氧化氢的方法有很多，其中电化学传感器由于其灵敏性高，设备简单，方便快捷广泛应用于检测诊断中。对于H₂O₂浓度的检测目前使用较为广泛的是酶传感器。由于酶催化活性高，专一性好，能够降低检测极限，提高灵敏性。但是酶自身存在严重的缺陷，受环境影响明显，易形变失去活性，且制备纯化过程时间长、复杂、昂贵。因此，酶传感器成本昂贵，稳定性差，存储/使用条件苛刻。

近年来，随着纳米科学技术的发展，越来越多的纳米材料用于制备新型的电化学传感器。石墨烯量子点由于其独特的二维自由态原子晶体结构，其具有良好的电子传递能力。目前，石墨烯量子点修饰电极大多基于物理吸附，其稳定性能较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯量子点修饰的电化学传感器及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种石墨烯量子点修饰的电化学传感器，该电化学传感器为三电极体系传感器，其中对电极为铂电极，参比电极为饱和甘贡电极，其特征在于，工作电极为以化学键结合的石墨烯量子点修饰的金电极。

以化学键结合的石墨烯量子点修饰的金电极是将石墨烯量子点通过化学键结合到金电极表面，具体步骤为：将β-巯基乙胺修饰后的金电极垂直浸入经过EDC/NHS活化后的石墨烯量子点溶液中，培育12h，经过大量水冲洗，氮气干燥，即得到石墨烯量子点修饰的金电极。

所述的β-巯基乙胺修饰后的金电极是通过以下步骤制得：将金电极抛光至镜面，清洗干净后用氮气吹干，得到的干净金电极浸没于H₂O₂与浓H₂SO₄的混合液中1min，取出清洗干净后用氮气吹干，然后浸没于β-巯基乙胺中4h，取出洗涤后用氮气吹干即得β-巯基乙胺修饰后的金电极。

所述的H₂O₂与浓H₂SO₄的混合液为体积比为1∶3的H₂O₂与浓H₂SO₄的沸腾混合液。

所述的EDC/NHS活化后的石墨烯量子点溶液是1mg/mL石墨烯量子点溶液中添加4mg/mL EDC和1mg/mLNHS，活化4h。

所用的石墨烯量子点根据现有文献公开的方法合成。具体制备方法参见文献(Zhou，X.；Zhang，Y.；Wang，C.；Wu，X.；Yang，Y.；Zheng，B.；Wu，H.；Zhang，J.；Guo，S.，ACS Nano2012，6(8)，6592-6599)

一种石墨烯量子点修饰的电化学传感器的应用，其特征在于，将该电化学传感器用于检测H₂O₂浓度，检测方法为：首先采用计时电流法通过石墨烯量子点修饰后的金电极传感器检测H₂O₂浓度的工作曲线作为标准曲线，再利用计时电流法采集样品的I-t数据，根据建立的工作曲线，得到活细胞释放的H₂O₂含量。

所述的计时电流法的工作电位为-0.4V。

为了克服稳定性差的问题，本发明采用化学键结合，将石墨烯量子点牢固结合于电极表面。同时，石墨烯量子点本身具有过氧化物酶类似催化性能。因此，采用石墨烯量子点修饰后的电极不仅具有酶电极的性能，而且克服了酶自身的缺陷。

与现有技术相比，本发明第一次将石墨烯量子点通过化学键结合与金电极表面，得到稳定的石墨烯量子点修饰的金电极。研究了石墨烯量子点修饰对电化学响应的影响，以及对H₂O₂浓度的检测。结果表明，石墨烯量子点能够增强电化学的电流响应，能够对H₂O₂进行检测。同时，H₂O₂浓度与电流呈线性响应。

本发明构建了一种检测H₂O₂浓度的新型电化学传感器，该传感器由于其生物相容性好，能够用于实时检测活细胞释放出的H₂O₂浓度。同样还可推广到其他领域中H₂O₂浓度的检测，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为石墨烯量子点修饰金电极示意图；

图2a为金电极在PBS(10mM，pH7.4)缓冲溶液中添加1mM H₂O₂前(实线)后(虚线)的循环伏安曲线；

图2b为石墨烯量子点修饰后的金电极在PBS(10mM，pH7.4)缓冲溶液中添加1mM H₂O₂前(实线)后(虚线)的循环伏安曲线；

图3a为石墨烯量子点修饰后的电极在PBS(10mM，pH7.4)缓冲溶液中连续滴加H₂O₂的电流响应图；

图3b为不同浓度H₂O₂对应的电流响应图；

图4为比较有无MCF-7细胞存在的情况下，在PBS(10mM，pH7.4)缓冲溶液中添加PMA的电流变化图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所用的石墨烯量子点根据文献报道的方法合成。具体制备方法参见文献(Zhou，X.；Zhang，Y.；Wang，C.；Wu，X.；Yang，Y.；Zheng，B.；Wu，H.；Zhang，J.；Guo，S.，ACS Nano2012，6(8)，6592-6599)

实施例1

一种石墨烯量子点修饰的电化学传感器，该电化学传感器为三电极体系传感器，其中对电极为铂电极，参比电极为饱和甘贡电极，工作电极为以化学键结合的石墨烯量子点修饰的金电极。

其中石墨烯量子点修饰的金电极通过以下方法制备：(1)将金电极(直径为3mm)在抛光布上依次采用1.0μm，0.3μm，0.05μm的Al₂O₃粉抛光至镜面。每次抛光后在超纯水中超声1min，再用超纯水、乙醇分别超声清洗5min，然后用大量超纯水洗涤，用氮气吹干。(2)将干净的金电极浸没于热的H₂O₂/浓H₂SO₄(1/3)混合液中1min，取出后用大量水冲洗，再用超纯水超声清洗，氮气吹干。(3)将处理后的金电极浸没于1mL50mMβ-巯基乙胺中4h，然后用大量超纯水洗涤，用氮气吹干。(5)1mg/mL石墨烯量子点溶液中添加1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC，4mg/mL)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS，1mg/mL)，活化4h后，将β-巯基乙胺修饰后的金电极垂直浸入其中，培育12h，然后大量水冲洗，氮气干燥，即得到石墨烯量子点修饰的金电极。

将表面处理干净的裸电极和本发明制备的石墨烯量子点修饰的金电极，在CHI660C电化学工作站上分别测定PBS缓冲溶液(磷酸盐缓冲液)中循环伏安信号的大小。将电极放入10mM的PBS溶液中(pH7.4)，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝，进行循环伏安扫描得到循环伏安曲线。结果参见图2，石墨烯量子点修饰后的电极电信号明显大于裸电极。由此可知石墨烯量子点是一种优异的修饰电极的材料。将石墨烯量子点修饰后的电极在上述条件下连续扫描(50mV/s)50圈，考察其稳定性，实验结果表面形状保持不变，说明该电极具有较好的稳定性。在溶液中添加1mM H₂O₂后，裸电极的电信号无明显变化，而石墨烯量子点修饰后的金电极的电流增加显著。说明石墨烯量子点修饰后的电极能够用于鉴定H₂O₂的存在。

通过计时电流法定量检测溶液中H₂O₂的浓度。在CHI660C电化学工作站上采集电流-时间(I-t)数据。工作电压设定为-0.4V，连续添加H₂O₂观测电流的变化。实验结果参见图3，随着H₂O₂浓度的增加，电流不断增大。该传感器电流对H₂O₂浓度的响应呈线性，线性范围为2μM～8mM，检测下限为1.3μM。

采用石墨烯量子点修饰后的金电极通过计时电流法检测活细胞MCF-7释放的H₂O₂。工作电压设定为-0.4V，将4×10⁸个细胞分散在溶液中，通过添加PMA刺激MCF-7细胞释放大量的H₂O₂。I-t图上出现的明显的电流变化，根据实施例四中建立的工作曲线得到相应的浓度。结果如图4，无细胞情况下，添加PMA系统电流无变化，说明PMA对H₂O₂浓度检测无干扰。当MCF-7细胞存在时，随着PMA加入量的增多，电流明显提高。检测过程方便快捷，响应迅速，应用方便。

Claims (7)

1.一种石墨烯量子点修饰的电化学传感器，该电化学传感器为三电极体系传感器，其中对电极为铂电极，参比电极为饱和甘贡电极，其特征在于，工作电极为以化学键结合的石墨烯量子点修饰的金电极。

2.一种如权利要求1所述的石墨烯量子点修饰的电化学传感器的制备方法，其特征在于，以化学键结合的石墨烯量子点修饰的金电极是将石墨烯量子点通过化学键结合到金电极表面，具体步骤为：将β-巯基乙胺修饰后的金电极垂直浸入经过EDC/NHS活化后的石墨烯量子点溶液中，培育12h，经过大量水冲洗，氮气干燥，即得到石墨烯量子点修饰的金电极。

3.根据权利要求2所述的石墨烯量子点修饰的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的β-巯基乙胺修饰后的金电极是通过以下步骤制得：将金电极抛光至镜面，清洗干净后用氮气吹干，得到的干净金电极浸没于H₂O₂与浓H₂SO₄的混合液中1min，取出清洗干净后用氮气吹干，然后浸没于β-巯基乙胺中4h，取出洗涤后用氮气吹干即得β-巯基乙胺修饰后的金电极。

4.根据权利要求3所述的石墨烯量子点修饰的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的H₂O₂与浓H₂SO₄的混合液为体积比为1∶3的H₂O₂与浓H₂SO₄的沸腾混合液。

5.根据权利要求2所述的石墨烯量子点修饰的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的EDC/NHS活化后的石墨烯量子点溶液是1mg/mL石墨烯量子点溶液中添加4mg/mL EDC和1mg/mL NHS，活化4h。

6.一种如权利要求1所述的石墨烯量子点修饰的电化学传感器的应用，其特征在于，将该电化学传感器用于检测H₂O₂浓度，检测方法为：首先采用计时电流法通过石墨烯量子点修饰后的金电极传感器检测H₂O₂浓度的工作曲线作为标准曲线，再利用计时电流法采集样品的I-t数据，根据建立的工作曲线，得到活细胞释放的H₂O₂含量。

7.根据权利要求6所述的石墨烯量子点修饰的电化学传感器的应用，其特征在于，所述的计时电流法的工作电位为-0.4V。

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