CN103018305A - 一种基于碳纳米管的便携式酶传感器 - Google Patents

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马靖
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本发明属于植保机械领域，具体为一种基于碳纳米管的便携式酶传感器。主要用于毒死蜱等有机磷农药浓度的测定。该便携式酶传感器由丝网印刷金电极（1）、连接线（2）和固定有乙酰胆碱酯酶的碳纳米管复合材料修饰层（3）构成；连接线（2）两端分别连接丝网印刷金电极和测试仪；碳纳米管复合材料修饰层（3）由碳纳米管和壳聚糖组成，乙酰胆碱酯酶固定于碳纳米管复合材料修饰层（3）中。本发明提出的酶传感器响应速度快、检测精度高、加工方便，且丝网印刷金电极是膜片式电极，便于携带和更新，可用于现场实时监测目标物质。

Description

一种基于碳纳米管的便携式酶传感器
技术领域
本发明属于植保机械领域。
背景技术
目前用于检测有机磷农药浓度的方法主要有酶联免疫法、色谱检测法、超临界萃取技术、酶抑制法等。其中酶联免疫法虽然具有灵敏度高、专一性强、操作简便等优点，但是由于农药种类繁多，抗体制备难度大，导致该方法的应用范围受到很大限制；色谱分析法可以给出有机磷农药的定性、定量结果，但对检测人员的技术要求较高，且需要较大的检测设备投入；超临界萃取设备一次性投资很大，操作人员技术要求较高；酶抑制法则需要工作电极、参比电极、对电极同时置于溶液中进行检测，该方法中的三电极的分散开来的，且待测物用量大，除此之外，该方法最大的缺点在于电极表面固体膜无法更新，进行一次检测后必须进行电极表面的抛光打磨，实验室多用玻碳作工作电极，虽然比较容易打磨，但是修饰基团相对困难。
本发明研究一种检测有机磷农药浓度的新设备，该设备不仅投资少，制作简单，便于携带，还可以一次性使用，修饰基团方面更是优于碳电极，同时也保持了检验的高灵敏度。实现了农药浓度现场实时监测。
发明内容
本发明目的在于提出一种可用于现场实时检测毒死蜱等有机磷农药浓度的便携式酶传感器。
 该便携式酶传感器，是一种丝网印刷金电极表面固定有乙酰胆碱酯酶的碳纳米管复合材料的酶传感器，由丝网印刷金电极1、连接线2和固定有乙酰胆碱酯酶的碳纳米管复合材料修饰层3构成；丝网印刷金电极1一端与连接线2相连，另一端工作电极被包裹有乙酰胆碱酯酶的碳纳米管复合材料修饰层3所覆盖；碳纳米管复合材料修饰层3由碳纳米管和壳聚糖-醋酸组成。
 连接线2一般采用铜丝作导线，外包绝缘层构成。
丝网印刷金电极1是三电极合一的膜片式微电极，长*宽*高为33mm*10mm*0.5mm，是一种便于携带的可弃式酶电极。
本发明还提出了基于碳纳米管的便携式酶传感器的制备方法，具体步骤如下：
（1）、配制0.5%壳聚糖-醋酸溶液：称取0.2g 0.5%壳聚糖置于40mL 2%醋酸溶液中，放在超声清洗仪中处理直至壳聚糖溶解，将溶解完全的壳聚糖-醋酸溶液用pH计和1mol/L NaOH溶液调节pH=5.0 ，4℃条件下冷藏备用；
（2）、碳纳米管酸化处理：称取3g碳纳米管置于酸化液（浓H2SO4：浓HNO3=3:1）中超声分散6h，分装在4支离心管中，对称置于离心机中900rpm条件下离心3min，去除上层酸液后用二次水超声清洗再离心，如此反复直到上清液呈中性为止；将酸化后的碳纳米管置于80℃真空干燥箱中烘干，烘干时每隔30min称重一次，直至两次称量质量相差不超过0.1g即可停止干燥；
（3）、电沉积液配制：取3mg/mL碳纳米管12mg，1mg/mL乙酰胆碱酯酶液4mg超声分解于4mL 0.5%壳聚糖-醋酸溶液中形成电沉积液；
（4）、对丝网印刷金电极进行修饰：将丝网印刷金电极的三电极都浸于沉积液中，利用电化学工作站在0.3V电压下沉积3min，使得碳纳米管复合材料修饰层包裹乙酰胆碱酯酶覆盖于电极表面（为了使沉积均匀，在进行电沉积时要放入磁转子），即得到基于碳纳米管的便携式酶电极；
（5）、将得到的基于碳纳米管的便携式酶电极与连接线一端的电极夹相连即构成便携式酶传感器。
碳纳米管起到导电和催化剂的作用，同时提高了材料的分散性和比表面积。
基底电极丝网印刷金电极是三电极合一的膜片式电极，是便于携带的可弃式电极；壳聚糖-醋酸溶液用于使碳纳米管均匀分散，并固定乙酰胆碱酯酶；乙酰胆碱酯酶可特异性与乙酰胆碱反应。由于转接线与丝网印刷金电极是由电极夹相连，使丝网印刷金电极便于更换，实现了电极的方便携带功能，且此法制作出的酶电极响应速度快，检测精度高，电极加工业极为方便，故本发明制作的基于碳纳米管的便携式酶电极在食品分析、植保机械和生命科学等领域有良好的应用前景。
附图说明
图1为基于碳纳米管的便携式酶电极结构示意图。
图2为固定有乙酰胆碱酯酶的碳纳米管复合材料修饰后的丝网印刷金电极。
图3为向基于碳纳米管的便携式酶电极表面滴加混有农药毒死蜱的磷酸盐缓冲溶液。
图4为电化学工作站显示的基于碳纳米管的便携式酶电极用于测农药时的循环伏安曲线，可以看到很明显的农药峰；横坐标表示电流值，纵坐标表示电压值。
图中标号，1为丝网印刷碳电极，2为连接线，3为固定有碳纳米管的复合材料修饰层，a为混有农药毒死蜱的磷酸盐缓冲溶液。
具体实施方式
实施例1：
第一步称取0.2g 0.5%壳聚糖置于40mL 2%醋酸溶液中，放在超声清洗仪中处理直至壳聚糖溶解，将溶解完全的壳聚糖-醋酸溶液用pH计和1mol/L NaOH溶液调节pH=5.0；
第二步 称取3g碳纳米管置于酸化液（浓H2SO4：浓HNO3=3:1）中超声分散6h，分装在4支离心管中，对称置于离心机中900rpm条件下离心3min，去除上层酸液后用二次水超声清洗再离心，如此反复直到上清液呈中性为止；
第三步 将酸化后的碳纳米管置于80℃真空干燥箱中烘干，烘干时每隔30min称重一次，直至两次称量质量相差不超过0.1g即可停止干燥；
第四步 取3mg/mL碳纳米管12mg，1mg/mL乙酰胆碱酯酶液4mg超声分解于4mL 0.5%壳聚糖-醋酸溶液中形成电沉积液；
第五步 将丝网印刷金电极的三电极都浸于沉积液中，利用电化学工作站在0.3V电压下沉积3min，使得碳纳米管复合材料修饰层包裹乙酰胆碱酯酶覆盖于电极表面（为了使沉积均匀，在进行电沉积时要放入磁转子），即得到基于碳纳米管的便携式酶电极，如图1和图2所示；
第六步 将得到的基于碳纳米管的便携式酶电极与连接线一端的电极夹相连即构成便携式酶传感器。
 
2、实施例2（本发明中修饰丝网印刷金电极的工作电极还可用以下方式）
第一步称取0.2g 0.5%壳聚糖置于40mL 2%醋酸溶液中，放在超声清洗仪中处理直至壳聚糖溶解，将溶解完全的壳聚糖-醋酸溶液用pH计和1mol/L NaOH溶液调节pH=5.0；
第二步称取3g碳纳米管置于酸化液（浓H2SO4：浓HNO3=3:1）中超声分散6h，分装在4支离心管中，对称置于离心机中900rpm条件下离心3min，去除上层酸液后用二次水超声清洗再离心，如此反复直到上清液呈中性为止；
第三步将酸化后的碳纳米管取6mg超声分散于2mL 0.5%壳聚糖-醋酸溶液中形成碳纳米管复合材料修饰液；
第四步用将丝网印刷金电极用小支架固定，使其工作电极一端朝上，将碳纳米管复合材料修饰液滴于丝网印刷金电极的工作电极表面，形成碳纳米管/壳聚糖修饰的电极；
第五步 用10uL微型注射器取2uL乙酰胆碱酯酶滴涂于上述电极上，在电极片外部罩上烧杯，室温下晾干，即得基于碳纳米管的便携式酶电极；
第六步 将得到的基于碳纳米管的便携式酶电极与连接线一端的电极夹相连即构成便携式酶传感器。
利用该便携式酶传感器测定毒死蜱农药的浓度，则称取7.16gNa2HPO4和3.12gNaH2PO4分别用二次水定容到100mL，再分别取Na2HPO4  81 mL，NaH2PO4 19 mL混合定容至100mL即得pH=7.4的磷酸盐缓冲液。
如图3所示，向上述基于碳纳米管的便携式酶电极的工作电极端滴磷酸盐缓冲溶液（pH=7.4），并利用10uL微型注射器向其表面滴入1uL农药毒死蜱，另一端接转接口与电化学工作站相连，利用电化学工作站对毒死蜱农药浓度进行检测，得到如图4所示循环伏安曲线，可以看到明显的农药峰。

Claims (7)

1.一种基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于由丝网印刷金电极（1）、连接线（2）和固定有乙酰胆碱酯酶的碳纳米管复合材料修饰层（3）构成；连接线（2）两端分别连接丝网印刷金电极和测试仪；碳纳米管复合材料修饰层（3）由碳纳米管和壳聚糖组成，乙酰胆碱酯酶固定于碳纳米管复合材料修饰层（3）中。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于所述的丝网印刷金电极（1）的工作电极为金，辅助电极为铂，参比电极为银，它是集三电极于一体的膜片式电极。
3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于所述的丝网印刷金电极（1）是一次性使用的电极，可随时进行更换。
4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于所述的连接线（2）由铜丝外包绝缘层制作而成。
5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于所述的连接线（2）两侧都有电极夹，便于酶电极的随时更换。
6.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于所述的碳纳米管是经过特殊处理的，具体步骤为：将碳纳米管粉末分散于酸化液（75%浓H2SO4：25%浓HNO3）中，超声分散6小时后离心、清洗直至中性，然后在真空干燥箱中烘干。
7.根据权利要求书1所述的基于碳纳米管的便携式酶传感器，其特征在于所述的丝网印刷金电极长度范围在25-45mm之间，宽度在6-20mm之间，厚度在0.1-0.8mm之间。
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