CN104007157A - 基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的制备及应用 - Google Patents

基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的制备及应用 Download PDF

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本发明公开了一种基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的制备及应用，具体涉及一种基于纳米结构硼掺杂金刚石电极制备方法及其用于有机磷农药残留快速检测的方法。要解决的技术问题是硼掺杂金刚石（BDD）电极电催化活性低、表面再造困难，选择性及灵敏性较差。本发明包括以下步骤：①在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层金纳米点作为掩膜；②在Ar/H2氛围中在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米结构的形貌；③刻蚀硼掺杂金刚石表面，冷却，得到纳米结构硼掺杂金刚石电极。采用这样的技术方案后的本发明，改善电极性能，提高电极的灵敏度，并直接应用于对硫磷、甲基对硫磷等具有电化学特性的有机磷农药残留的检测。

Description

基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的制备及应用
技术领域
本发明涉及一种电化学传感器，具体涉及一种基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的制备方法及其用于有机磷农药残留快速检测的方法。
背景技术
民以食为天，食以安为先。食品安全关系到人民健康、生命安全及社会经济，是当今政府和社会各界广为关注的焦点问题之一。食品安全问题中，初级农产品源头污染比较严重。其中，由于农药的滥用或使用不当，对环境污染日益加剧，水果、蔬菜被农药污染的情况有增无减，农药残留尤其是有机磷农药超标问题一直比较突出，直接危害了人民健康安全，严重打击了广大民众的消费心理。因此，加强有机磷农药残留监测/检测技术，对保护生态环境、保证食品安全、保障人类健康有着重要而深远的意义。现行常用的通用分析技术如色谱法、色谱-质谱联用和波谱法等，虽然具有既定性又定量、准确、灵敏度高、并且一次可以测定多种成分等优点，但需要对样品进行萃取分离等复杂预处理过程、需要专业技术人员、检测成本高、检测时间长，而且所需仪器大都昂贵且庞大笨重，不适用于现场检测，难以对水果、蔬菜的生产、流通环节进行全面监控。因此，发展便携、快速、经济、可靠的现场检测方法将是控制当前市场农药残留的关键。
电化学传感器获得了长足的进步，测定的灵敏度越来越高，响应的时间大大缩短，但它的选择性差及纳米材料的稳定性差和寿命短是制约其市场化的主要问题。另外，基于电化学方法的检测中，由于常规的工作电极表面易吸附、稳定性和重复性差等缺点，使其在实际应用时遇到困难。
作为新型电极材料，硼掺杂金刚石电极（BDD）具有许多常规电极所不可比拟的优异性，如宽电化学势窗、低背景电流、极好的电化学稳定性及表面不易被污染等，在电化学领域发展迅速。但同时也存在着缺点，表现为电催化活性低、表面再造困难，选择性及灵敏性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是硼掺杂金刚石（BDD）电极电催化活性低、表面再造困难，选择性及灵敏性较差，提供一种电催化活性高，灵敏度好，避免表面材料修饰带来的稳定性低、重复性差的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的制备及应用。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，它包括以下步骤：①首先在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层3-7nm 的金纳米点作为掩膜；②在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米结构的形貌；③在200-600℃的温度下刻蚀硼掺杂金刚石表面10-60分钟，然后冷却到室温，取出，得到纳米结构硼掺杂金刚石电极。
还包括乙酰胆碱酯酶的固定步骤：将步骤③制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极分别用乙醇和去离子水超声洗涤干净，采用戊二醛法或溶胶-凝胶法来固定乙酰胆碱酯酶后即制得电化学生物传感器。
所述的戊二醛法固定乙酰胆碱酯酶的步骤是：取5μL、质量浓度为1％的牛血清白蛋白和5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合均匀后，再加入5μL、质量浓度为0.5％的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到步骤③制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极表面进行修饰，之后将修饰好的纳米结构硼掺杂金刚石电极在4℃进行干燥2-4h，即制得电化学生物传感器。
所述的溶胶-凝胶法固定乙酰胆碱酯酶的步骤是：首先制备二氧化硅溶胶，根据需要，用移液枪取2-10μL二氧化硅溶胶与5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合滴于用乙醇和去离子水洗涤干净的纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，在4℃干燥0.5-2 h，即可形成凝胶化固体膜。
所述的制备二氧化硅溶胶是将1.0-4.0mL正硅酸四乙酯、0.1-2.0mL去离子水和10-60μL的质量浓度为0.1 mol/L的盐酸溶液混合，然后超声分散呈透明状，即得到二氧化硅溶胶。
基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的应用，所述的纳米结构硼掺杂金刚石电极用于具有电化学特性的有机磷农药的检测，检出限为2.0×10-10 mol/L。所述的具有电化学特性的有机磷农药包括对硫磷、甲基对硫磷。
所述的乙酰胆碱酯酶固定于纳米结构硼掺杂金刚石电极用于有机磷农药的检测，检出限为3×10-12 mol/L。所述的有机磷农药包括对氧磷、毒死蜱、敌敌畏、马拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷。
本发明的将纳米结构引入电极材料，实现从微观结构人为设计、制作电极功能，既可以克服电极本身缺点，提高电极的电催化活性和灵敏度，又可以避免表面材料修饰带来的稳定性低、重复性差等缺点。本发明制备出纳米结构硼掺杂金刚石电极，旨在改善电极性能，提高电极的灵敏度，并直接应用于对硫磷、甲基对硫磷等具有电化学特性的有机磷农药残留的检测。对于其它有机磷农药的检测可采用戊二醛法或溶胶-凝胶法固定乙酰胆碱酯酶构建的酶生物传感器。
附图说明
图1是硼掺杂金刚石电极的结构示意图。
图2是沉积有金纳米点的硼掺杂金刚石电极的结构示意图。
图3是采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术在沉积有金纳米点的硼掺杂金刚石表面刻蚀纳米结构形貌的结构示意图。
图4是图3刻蚀后在200-600℃的温度下刻蚀硼掺杂金刚石表面的结构示意图。
图5是图4刻蚀后的纳米结构硼掺杂金刚石电极。
具体实施方式
如图1至图5所示，一种基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，它包括以下步骤：①首先在硼掺杂金刚石电极（BDD）上预沉积一层3-7nm 的金（Au）纳米点作为掩膜；②在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米结构的形貌；③在200-600℃的温度下刻蚀硼掺杂金刚石表面10-60分钟，然后冷却到室温，取出，得到纳米结构硼掺杂金刚石电极。
通过控制Au层聚集成不同直径及密度的纳米点，然后通过等离子刻蚀法可得到纳米须、纳米杆和纳米柱等结构的硼掺杂金刚石电极。利用刻蚀法得到不同纳米结构硼掺杂金刚石电极，大大克服了硼掺杂金刚石电极催化活性低的不足，降低氧化反应过电位，提高检测灵敏度，降低检出限，提高了电极的选择性和稳定性。同时也克服了采用纳米材料修饰硼掺杂金刚石电极使用过程中纳米材料易脱落，不易清洗等缺点。
还包括乙酰胆碱酯酶的固定步骤：将步骤③制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极分别用乙醇和去离子水超声洗涤干净，采用戊二醛法或溶胶-凝胶法来固定乙酰胆碱酯酶后即制得电化学生物传感器。利用不同方法将乙酰胆碱酯酶固定到纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，建立基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学生物传感器，实现有机磷农药的检测。该传感器对底物硫代乙酰胆碱具有一定灵敏度的电流响应，当传感器电极上的乙酰胆碱酯酶受有机磷农药抑制时，电流响应会减小。因此，可以通过响应电流的大小来衡量有机磷农药的抑制率，并确定其含量。其中乙酰胆碱酯酶的固定方法为戊二醛法或溶胶-凝胶法。
所述的戊二醛法固定乙酰胆碱酯酶的步骤是：取5μL、质量浓度为1％的牛血清白蛋白和5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合均匀后，再加入5μL、质量浓度为0.5％的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到步骤③制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极表面进行修饰，之后将修饰好的纳米结构硼掺杂金刚石电极在4℃进行干燥2-4h，即制得电化学生物传感器。
所述的溶胶-凝胶法固定乙酰胆碱酯酶的步骤是：首先制备二氧化硅溶胶，根据需要，用移液枪取2-10μL二氧化硅溶胶与5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合滴于用乙醇和去离子水洗涤干净的纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，在4℃干燥0.5-2 h，即制得电化学生物传感器。
所述的制备二氧化硅溶胶是将1.0-4.0mL正硅酸四乙酯、0.1-2.0mL去离子水和10-60μL的质量浓度为0.1 mol/L的盐酸溶液混合，然后超声分散呈透明状，即得到二氧化硅溶胶。
基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的应用：所述的纳米结构硼掺杂金刚石电极用于具有电化学特性的有机磷农药的检测，检出限为2.0×10-10 mol/L。所述的具有电化学特性的有机磷农药包括对硫磷、甲基对硫磷。
所述的乙酰胆碱酯酶固定于纳米结构硼掺杂金刚石电极用于有机磷农药的检测，检出限为3×10-12 mol/L。所述的有机磷农药包括对氧磷、毒死蜱、敌敌畏、马拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷。
利用制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极，对本身具有电化学特性的对硫磷、甲基对硫磷等有机磷农药，直接进行电化学检测。也可将乙酰胆碱酯酶固定到纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，建立基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学生物传感器，实现其它有机磷农药的检测，其它有机磷农药包含对氧磷、毒死蜱、敌敌畏、马拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷等。将乙酰胆碱酯酶固定到纳米结构硼掺杂金刚石电极上来实现有机磷农药检测，该电极小巧简便、易批量生产，检测灵敏度高，检出限低等优点。
本发明利用刻蚀法制备纳米结构硼掺杂金刚石电极以及基于纳米结构硼掺杂金刚石电极固定乙酰胆碱酯酶，用于有机磷农药的检测。下面结合具体实施例对本发明做具体说明：
实施例1
在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层5 nm的Au纳米点作为掩膜，在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术于200℃，刻蚀30分钟，在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米须结构硼掺杂金刚石电极。选用10-9-10-4mol/L浓度范围的对硫磷溶液进行定量测定，确定纳米须结构硼掺杂金刚石电极的检出限为2.0×10-10 mol/L。
实施例2
在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层3 nm的Au纳米点作为掩膜，在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术于300℃，刻蚀50分钟，在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米杆结构硼掺杂金刚石电极。选用10-9-10-4 mol/L浓度范围的甲基对硫磷溶液进行定量测定，确定纳米杆结构硼掺杂金刚石电极的检出限为4.0×10-10 mol/L。。
实施例3
在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层7 nm的 Au纳米点作为掩膜，在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术于500℃，刻蚀60分钟，硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米柱结构硼掺杂金刚石电极。采用戊二醛法进行乙酰胆碱酯酶的固定，取5μL、质量浓度为1％的牛血清白蛋白和5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合均匀后，再加入5μL、质量浓度为0.5％的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，之后将修饰好的纳米结构硼掺杂金刚石电极在4℃进行干燥2-4h，即制得电化学生物传感器。将制备好的传感器在0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰胆碱酯酶，然后含有浓度范围为10-11-10-6mol/L的对氧磷溶液中，检出限为6.0×10-12 mol/L。
实施例4
在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层5 nm的 Au纳米点作为掩膜，在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术，于300℃，刻蚀50分钟，在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米杆结构硼掺杂金刚石电极。首先制备二氧化硅溶胶。将1.5ml正硅酸四乙酯、0.7ml去离子水和50μL 0.1mol/L的盐酸溶液混合，然后超声分散呈均匀透明状，即得到二氧化硅溶胶。用移液枪取10μL二氧化硅溶胶与5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合滴于纳米杆结构硼掺杂金刚石电极表面。该电极在4℃干燥1 h，形成凝胶化固体膜。将制备好的传感器在0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰胆碱酯酶，然后含有浓度范围为10-11-10-6 mol/L的对氧磷溶液中，检出限为9×10-12mol/L。
实施案例5
在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层5nm的 Au纳米点作为掩膜，在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术于600℃，刻蚀20分钟，硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米柱结构硼掺杂金刚石电极。采用戊二醛法进行乙酰胆碱酯酶的固定，取5μL、1％的牛血清白蛋白和5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合均匀后，再加入5μL、0.5％的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，之后将修饰好的纳米结构硼掺杂金刚石电极在4℃进行干燥2-4h，即制得电化学生物传感器。将制备好的传感器在缓冲溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰胆碱酯酶，然后含有浓度范围为10-11-10-6mol/L的毒死蜱溶液中，检出限为3.0×10-12 mol/L。
实施案例6
在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层7 nm的 Au纳米点作为掩膜，在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术，于500℃，刻蚀10分钟，在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米杆结构硼掺杂金刚石电极。首先制备二氧化硅溶胶。将1.5ml正硅酸四乙酯、0.7ml去离子水和50μL 0.1mol/L的盐酸溶液混合，然后超声分散呈均匀透明状，即得到二氧化硅溶胶。用移液枪取10μL二氧化硅溶胶与5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合滴于纳米杆结构硼掺杂金刚石电极表面。该电极在4℃干燥1 h，形成凝胶化固体膜。将制备好的传感器在缓冲溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰胆碱酯酶，然后含有浓度范围为10-11-10-6 mol/L的敌敌畏溶液中，检出限为5×10-12mol/L。

Claims (9)

1.一种基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，其特征在于：它包括以下步骤：①首先在硼掺杂金刚石电极上预沉积一层3-7nm 的金纳米点作为掩膜；②在Ar/H2氛围中，采用偏压辅助的微波等离子体刻蚀技术在硼掺杂金刚石表面刻蚀成纳米结构的形貌；③在200-600℃的温度下刻蚀硼掺杂金刚石表面10-60分钟，然后冷却到室温，取出，得到纳米结构硼掺杂金刚石电极。
2.根据权利要求1所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，其特征在于：还包括乙酰胆碱酯酶的固定步骤：将步骤③制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极分别用乙醇和去离子水超声洗涤干净，采用戊二醛法或溶胶-凝胶法来固定乙酰胆碱酯酶后即制得电化学生物传感器。
3.根据权利要求2所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，其特征在于：所述的戊二醛法固定乙酰胆碱酯酶的步骤是：取5μL、质量浓度为1％的牛血清白蛋白和5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合均匀后，再加入5μL、质量浓度为0.5％的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到步骤③制备的纳米结构硼掺杂金刚石电极表面进行修饰，之后将修饰好的纳米结构硼掺杂金刚石电极在4℃进行干燥2-4h，即制得电化学生物传感器。
4.根据权利要求2所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，其特征在于：所述的溶胶-凝胶法固定乙酰胆碱酯酶的步骤是：首先制备二氧化硅溶胶，根据需要，用移液枪取2-10μL二氧化硅溶胶与5μL、60U/mL的乙酰胆碱酯酶溶液混合滴于用乙醇和去离子水洗涤干净的纳米结构硼掺杂金刚石电极表面，在4℃干燥0.5-2 h，即制得电化学生物传感器。
5.根据权利要求4所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的制备，其特征在于：所述的制备二氧化硅溶胶是将1.0-4.0mL正硅酸四乙酯、0.1-2.0mL去离子水和10-60μL的0.1 mol/L的盐酸溶液混合，然后超声分散呈透明状，即得到二氧化硅溶胶。
6.根据权利要求1所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的应用，其特征在于：所述的纳米结构硼掺杂金刚石电极用于具有电化学特性的有机磷农药的检测，检出限为2.0×10-10 mol/L。
7.根据权利要求6所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的应用，其特征在于：所述的具有电化学特性的有机磷农药包括对硫磷、甲基对硫磷。
8.根据权利要求2-5所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的应用，其特征在于：所述的乙酰胆碱酯酶固定于纳米结构硼掺杂金刚石电极用于有机磷农药的检测，检出限为3×10-12 mol/L。
9.根据权利要求8所述的基于纳米结构硼掺杂金刚石电极的电化学传感器的应用，其特征在于：所述的有机磷农药包括对氧磷、毒死蜱、敌敌畏、马拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷。
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