CN103499625A - 二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米/微米尺度材料制备和应用技术领域，具体涉及一种二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的制备方法及其应用。具体步骤为：先用固态水热法合成稀土硼酸盐纳米材料，然后将漆酶固定于稀土硼酸盐纳米材料的层状结构中，制成稀土硼酸盐漆酶传感器，研究该纳米生物传感器在酚溶液中的电化学性质，并将其应用于水体中酚类污染物的监测与处理。利用层状硼酸盐纳米材料固定漆酶，方法简单、高效；利用漆酶/稀土硼酸纳米生物传感器测定对苯二酚，邻苯二酚的方法灵敏度高、简单易行，具有较高的应用潜力。

Description

二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的制备方法。属于纳米/微米尺度材料制备和应用技术领域。

背景技术

近几十年来，稀土硼酸盐的制备与性质的研究受到了广泛的关注，形成这种现象的原因主要归功于：1）其有趣的微观形貌；2）其特殊的性质。众所周知，物质微观形貌的多样化不仅与不同的制备路线有关，而且与晶体结构的多样性相联系。稀土硼酸盐晶体结构多样性产生的主要原因是硼酸根阴离子的结构单元和空间位置的多变性。稀土硼酸盐的化学通式是LnBO₃，其中B原子既可以与3个O原子配位形成平面和非平面的BO₃结构单元，也可以与4个O原子配位形成四面体的BO₄结构单元；其中BO₃和BO₄结构单元可以以不同的连接方式形成岛状、环状、链状、层状、架状结构，这种硼酸根阴离子组合方式的多变性导致了稀土硼酸盐晶体结构的多样性。在过去几十年里，由于稀土硼酸盐具有高的真空紫外透明度，宽的电子带隙，特殊的光学损伤阈值，物理和化学稳定性等优点，其被广泛应用于光源，显示成像，医疗等众多领域。纳米材料的微观形貌和尺寸的差异会对其物理和化学性质产生巨大的影响，因此大量的制备方法被用来制备结构多样的纳米材料。到目前为止，已经报道制备出形貌多种多样的稀土硼盐，包括纳米棒，纳米纤维，纳米球，纳米核壳结构，有序纳米片，微纳米盘，分散纳米晶，花状结构和多层纳米饼。通过文献查阅，我们发现固态水热法具有很多优点：1）没有副产物；2）操作简易；3）成本低。但是，用固态水热法制备稀土硼酸盐的报道却非常少。

漆酶属于多铜蛋白，其广泛存在于自然界特别是真菌，它是一种酚类氧化酶，因此能催化氧化水中的多种有机污染物。由于漆酶对底物具有专一性，同时不对环境产生负面效应，因此其常结合其他方法一起来去除环境中的污染物。尽管漆酶本身具有相当可观的稳定性，但由于环境条件的复杂性，其在实际应用中常常容易失活，因此限制了其在工业领域中的进一步应用。相比于游离酶，固定化酶具有很多优点，其主要包括以下四点：1）可重复利用；2）易从反应介质中分离出产物；3）易回收；4）稳定性提高。因此，近年来，漆酶的固定化受到了广泛的关注。漆酶的固定化方法多种多样，其中常见的有吸附法，诱捕法，交联法，共价连接法。成功用于固定漆酶的载体种类也很多，例如活性碳，磁性壳聚糖，海藻酸盐壳聚糖，多孔玻璃，纤维素-聚氨复合物，海藻酸盐，高岭土，玻璃粉聚合物，聚苯乙烯微球薄膜，短程有序氢氧化铝等。但是在漆酶固定化过程中，由于漆酶自身，载体，反应试剂，工艺条件等相关因素，存在漆酶的泄漏、解吸以及活性损失等问题。因此，探索新奇的漆酶固定化技术来提高催化活性和工业应用领域成为近年来的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种操作简便、条件易控、副产物少、经济的二维稀土硼酸盐纳米材料的制备方法。

先用固态水热法合成稀土硼酸盐纳米材料，合成反应经历了两个步骤，首先Ln₂O₃与水反应生成Ln(OH)₃, 然后Ln(OH)₃与H₃BO₃反应生成稀土硼酸盐LnBO₃。经过SEM表征，该稀土硼酸盐呈多层穿插的纳米片状结构。基于该纳米材料层状穿插的特殊结构，可以将漆酶固定于稀土硼酸盐纳米材料的层状结构中，从而成功制备了二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器。被固定在稀土硼酸盐纳米材料中的漆酶保持着原有的化学性质，能够氧化酚类物质。因此研究该纳米生物传感器在酚溶液中的电化学性质，可以将其应用于酚类污染物的监测与处理。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的制备方法，其特征在于，包括

大步骤1，稀土硼酸盐纳米片的合成：

采用以聚四氟乙烯为内衬的密闭水热反应釜，在中温条件下，利用固态水热法制备产物二维层状稀土硼酸盐纳米材料，具体为：

1）首先，在清洁干燥的聚四氟乙烯内衬中依次加入0.5-1.0 mmol Ln₂O₃, 1.2摩尔当量的H₃BO₃和10-15 ml H₂O原料，保证H₃BO₃过量，使混合原料分散均匀；

2）将内衬放入反应釜中密闭，控制在180℃-220 ℃并保持24-48小时进行反应；

3）反应结束后自然冷却至室温后，进行分离和洗涤；

4）在55℃-65 ℃内真空干燥后即得纳米片状结构的产物。

大步骤2，漆酶在稀土硼酸盐纳米片中的固定化：

将质量比为3倍-6倍的LnBO₃(Ln=Sm, Gd)与漆酶，并依次加入到PH值接近中性的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，超声，在室温下搅拌使之吸附，离心分离，得到固定化样品漆酶/LnBO₃(Ln=Sm, Gd)。

大步骤3，稀土硼酸盐漆酶传感器的制备，具体为：

1）取漆酶/LnBO₃(Ln=Sm, Gd), 将其溶于Nafion溶液中，在室温下将其分散均匀，获得混合溶；

2）将玻碳电极在抛光布上分别用两次不同量的 Al₂O₃粉末抛光，并依次清洗、干燥；

3）然后用漆酶/LnBO₃(Ln=Sm, Gd)/Nafion混合溶液滴在洁净的玻碳电极上，在常温下自然凉干，即得稀土硼酸盐漆酶传感器。

上述技术方案，利用固态水热法合成了层状稀土硼酸盐纳米材料，并将其作为载体实现了对漆酶的固定，制备出二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器。与现有技术相比，本发明的优点在于此二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的合成方法简单，对设备要求较低；在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。利用层状稀土硼酸盐纳米片固定漆酶，方法简单、高效；利用漆酶/稀土硼酸盐修饰电极测定对苯二酚，邻苯二酚的方法灵敏度高、简单易行，因此易于大规模的生产。本发明制备获得的二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器可以在酚类污染物的监测及处理中应用。

附图说明

图1为实施例1所得产物的SEM图。其中：（a）稀土硼酸盐SmBO₃纳米片产物相对低倍数的SEM图；(b)为稀土硼酸盐SmBO₃纳米片产物较大倍数的SEM图；（c）所得产物漆酶在SmBO₃纳米片中的固定化的SEM图。

图2为实施例2所得产物的SEM图。其中：（a）为所得产物稀土硼酸盐GdBO₃纳米片的SEM图；(b)为所得产物稀土硼酸盐GdBO₃纳米片较大倍数的的SEM图；（c）所得产物漆酶在GdBO3纳米片中的固定化的SEM图。

图3为本发明所得产物的XRD 图。其中：（a）为实施例1所得产物的XRD 图，（b）为实施例2所得产物的XRD图。

图4为实施例1中的FTIR图。其中：（a）为所得产物的FTIR图, （b）为漆酶的FTIR图，（c）为所得产物漆酶在SmBO₃纳米片中的固定化的FTIR图。

图5为实施例2中的FTIR图。其中：（a）为所得产物的FTIR图, （b）为漆酶的FTIR图，（c）为所得产物漆酶在GdBO3纳米片中的固定化的的FTIR图。

图6 为在对苯二酚浓度为5×10^-5 mol·L^-1， pH=4.50的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中的循环伏安曲线。其中：（a）为实施例1所得的漆酶/SmBO₃修饰电极循环伏安曲线;（b）为实施例2所得的漆酶/GdBO₃修饰电极循环伏安曲线；（c）为裸电极的循环伏安曲线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明技术方案。

实施例1

首先，稀土硼酸盐SmBO₃纳米片的制备：

本实验采用以聚四氟乙烯为内衬的20 mL密闭水热反应釜，在中温条件下，利用固态水热法制备硼酸钐微纳米材料。详细反应过程描述如下：在清洁干燥的聚四氟乙烯内衬中依次加入209.2 mg Sm₂O₃ (0.6 mmol), 44.5 mg H₃BO₃ (0.72 mmol, 过量10 %)和14 ml H₂O；然后把该内衬放入超声波清洗器中分散15 min；取出并拭掉内衬外部的水份，将其放入反应釜中密闭；密闭的反应釜放入温控恒温干燥箱中200 ℃并保持36小时；反应结束后自然冷却至室温后，利用离心分离器进行分离和洗涤。用去离子水洗涤4次后，再用无水乙醇洗涤4次；在60 ℃下真空干燥后即得产物。

接着，漆酶在SmBO₃纳米片中的固定化：

分别称取100 mg SmBO₃与20 mg漆酶，将其依次加入到10 ml pH=7.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，超声10 min，在室温下（20 ℃）搅拌吸附12 h，离心分离，并用pH=7.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液多次洗涤至液体中检测没有漆酶存在，将离心液收集在100 ml容量瓶中，利用紫外可见分光光度计检测其浓度。固定化样品在常温下干燥，将其与变色硅胶一起密封保存于4 ℃待用。

然后，纳米稀土硼酸盐（SmBO₃）漆酶传感器的制备：

称取1 mg漆酶/SmBO₃将其溶于1 mL 0.05 % Nafion溶液中，在室温下超声1 min将其分散均匀。将玻碳电极在抛光布上分别用0.3 μm，0.05 μm Al₂O₃粉末抛光，并依次用浓硝酸、蒸馏水和无水乙醇超声清洗5 min后于红外灯下干燥。然后用微量注射器吸取10 μL漆酶/SmBO₃/Nafion混合溶液，将其均匀滴在洁净的玻碳电极上，在常温下自然凉干，即得纳米稀土硼酸盐（SmBO₃）漆酶传感器。

最后，纳米稀土硼酸盐（SmBO₃）漆酶传感器电化学性质的测定：

在室温下，利用三电极体系（玻碳电极，Pt丝电极，Ag/AgCl电极）对漆酶/SmBO₃修饰电极进行电化学性质检测。首先，漆酶/SmBO₃修饰玻碳电极在0.1 mol/L磷酸氢二钠-柠檬酸（pH=4.5）的空白溶液中用循环伏安法快速扫描10 min至基线稳，然后往空白溶液中加入一定浓度的邻苯二酚或者对苯二酚，使被测物质终浓度为5×10^-5 mol/L，设置扫描速度为0.05 mV/s，扫描范围为-1.2 V～1.2 V，采用循环伏安法或线性扫描技术进行测定，记录实验曲线，扣除背景，根据氧化峰电流的大小可以定量测定被测物质的浓度。

实施例2

首先，稀土硼酸盐GdBO₃纳米片的制备：

本实验采用以聚四氟乙烯为内衬的20 mL密闭水热反应釜，在中温条件下，利用固态水热法制备硼酸钐微纳米材料。详细反应过程描述如下：在清洁干燥的聚四氟乙烯内衬中依次加入217.5 mg Gd₂O₃ (0.6 mmol), 44.5 mg H₃BO₃ (0.72 mmol, 过量10 %)和14 ml H₂O；然后把该内衬放入超声波清洗器中分散15 min；取出并拭掉内衬外部的水份，将其放入反应釜中密闭；密闭的反应釜放入温控恒温干燥箱中200 ℃并保持36小时；反应结束后自然冷却至室温后，利用离心分离器进行分离和洗涤。用去离子水洗涤4次后，再用无水乙醇洗涤4次；在60 ℃下真空干燥后即得产物。

接着，漆酶在GdBO₃纳米片中的固定化：

分别称取100 mg GdBO₃与20 mg漆酶，将其依次加入到10 ml pH=7.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，超声10 min，在室温下（20 ℃）搅拌吸附12 h，离心分离，并用pH=7.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液多次洗涤至液体中检测没有漆酶存在，将离心液收集在100 ml容量瓶中，利用紫外可见分光光度计检测其浓度。固定化样品在常温下干燥，将其与变色硅胶一起密封保存于4 ℃待用。

然后，纳米稀土硼酸盐（GdBO₃）漆酶传感器的制备：

称取1 mg漆酶/ GdBO₃将其溶于1 mL 0.05 % Nafion溶液中，在室温下超声1 min将其分散均匀。将玻碳电极在抛光布上分别用0.3 μm，0.05 μm Al₂O₃粉末抛光，并依次用浓硝酸、蒸馏水和无水乙醇超声清洗5 min后于红外灯下干燥。然后用微量注射器吸取10 μL漆酶/GdBO₃/Nafion混合溶液，将其均匀滴在洁净的玻碳电极上，在常温下自然凉干，即得纳米稀土硼酸盐（GdBO₃）漆酶传感器。

最后，纳米稀土硼酸盐（GdBO₃）漆酶传感器电化学性质的测定：

在室温下，利用三电极体系（玻碳电极，Pt丝电极，Ag/AgCl电极）对漆酶/SmBO₃修饰电极进行电化学性质检测。首先，漆酶/ GdBO₃修饰玻碳电极在0.1 mol/L磷酸氢二钠-柠檬酸（pH=4.5）的空白溶液中用循环伏安法快速扫描10 min至基线稳，然后往空白溶液中加入一定浓度的邻苯二酚或者对苯二酚，使被测物质终浓度为5×10^-5 mol/L，设置扫描速度为0.05 mV/s，扫描范围为-1.2 V～1.2 V，采用循环伏安法或线性扫描技术进行测定，记录实验曲线，扣除背景，根据氧化峰电流的大小可以定量测定被测物质的浓度。

Claims (2)

1.一种二维纳米稀土硼酸盐漆酶传感器的制备方法，其特征在于，包括

大步骤1，稀土硼酸盐纳米片的合成：

采用以聚四氟乙烯为内衬的密闭水热反应釜，在中温条件下，利用固态水热法制备产物二维层状稀土硼酸盐纳米材料，具体为：

1）首先，在清洁干燥的聚四氟乙烯内衬中依次加入0.5-1.0 mmol Ln₂O₃, 1.2摩尔当量的H₃BO₃和10-15 ml H₂O原料，保证H₃BO₃过量，使混合原料分散均匀；

2）将内衬放入反应釜中密闭，控制在180℃-220 ℃并保持24-48小时进行反应；

3）反应结束后自然冷却至室温后，进行分离和洗涤；

4）在55℃-65 ℃内真空干燥后即得纳米片状结构的产物；

大步骤2，漆酶在稀土硼酸盐纳米片中的固定化：

将质量比为3倍-6倍的LnBO₃与漆酶，依次加入到PH值接近中性的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，超声，在室温下搅拌使之吸附，离心分离，得到固定化样品漆酶/LnBO_3；

大步骤3，稀土硼酸盐漆酶传感器的制备，具体为：

1）取漆酶/LnBO₃, 将其溶于Nafion溶液中，在室温下将其分散均匀，获得混合溶；

2）将玻碳电极在抛光布上分别用两次不同量的 Al₂O₃粉末抛光，并依次清洗、干燥；

3）然后用漆酶/LnBO₃/Nafion混合溶液滴在洁净的玻碳电极上，在常温下自然凉干，即得稀土硼酸盐漆酶传感器。

2.由权利要求1方法制备的纳米生物传感器在监测和处理水中酚类污染物中的应用。

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