CN105158314B - 一种血红蛋白电化学传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血红蛋白电化学传感器的制备方法，其步骤是先制备二氧化硅纳米材料，再制备具有良好生物相容性的二氧化硅‑金纳米复合材料并将其修饰在电极表面，从而制成能够直接检测预冷水中血红蛋白浓度的电化学传感器，实现了纳米复合材料生化分析方面的应用以及生物传感器预冷水检测技术。该方法避免了预冷水中常见干扰物质的影响，具有检测范围宽，重现性好，结果准确等优点，同时预冷水检测避免了检测样品的处理以及较长的分析时间，具有很好的实际应用价值。

Description

一种血红蛋白电化学传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种电化学传感器，具体地说是一种检测家禽屠宰预冷水中血红蛋白浓度的电化学传感器的制备方法。

技术背景

血红蛋白（Hb）是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质，在生命体内至关重要，常被作为生物分子的示踪。Hb在生命体内除了能够传输氧，还起到分解H₂O₂、传递电子、能量代谢等重要作用。传统的血红蛋白检测方法主要是光谱法、荧光法和比色法。光谱法和荧光法有着繁琐的样品处理过程，从取样到检测耗时较长，专业的检测设备需要专门的操作人员，这都就大大限制了广泛使用的可能；而比色法是通过测定血红蛋白溶液中卟啉环的吸光值并应用朗伯-比尔定律（A = εbc）来计算血红蛋白的含量。由于血红蛋白与肌红蛋白结构非常相似，因而该方法在抗干扰、定量的准确程度等方面存在一定的缺陷。家禽屠宰预冷水中含有的血红蛋白含量过高，会对禽肉产品品质产生不良影响，如表皮色泽容易变暗、容易发生脂质氧化等。因此开发一种高特异性、高灵敏的定量检测预冷水中血红蛋白含量方法有重要意义。

电化学传感器是由相互密切联系的物理换能器与敏感材料（生物活性分子）组成的传感装置，它可将被测物质的浓度信息转换成可测量的光电信号，以提供定性和定量分析信息。与传统分析检测技术相比，电化学传感器具有高特异性和灵敏度、响应时间快等明显优势。但当传统的传感器直接与复杂样本接触以检测其中成分时，会因蛋白质、微生物吸附等引起表面污染，从而降低灵敏度和使用寿命，因此减小或阻止传感器的表面污染极为重要。在以往的研究中，由于受学科知识所限，制备并使用传感器的大多数分析化学领域研究者没有将传感器表面的生物相容性技术应用作为研究重点，而是选择了将样本分离处理，以减小传感器电极表面的生物污染，但是这样的生化分析过程存在检测误差比较大，灵敏度不高，同时需要专门的设备，这些对于在线快速监测都存在很大的不便。

随着现代学科交叉机制的发展，利用一些具有生物相容性的材料对传感器的表面进行修饰来解决这个应用于复杂样品中的生物传感器表面生物污染的关键科学问题已成为当今生物传感器研究领域的热点。目前已有大量关于利用金属纳米粒子以及碳纳米管改善生物酶蛋白与传感器的结合状况的研究报道。金属纳米粒子具有高比表面积、高活性、强吸附力及高催化效率等优异特性，可在增加酶蛋白的吸附量和稳定性的同时提高酶蛋白的催化活性，使酶蛋白电极的电流响应灵敏度得到大幅度的提高。但是无论是金属纳米粒子，还是碳纳米管，都会表现出非特异性吸附行为，从而造成电极表面的生物污垢。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，针对电化学传感器家禽屠宰预冷水检测的必要和重要性，提供一种用于快速检测家禽屠宰预冷水中血红蛋白的电化学传感器制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）制备二氧化硅纳米材料：将环己烷、正己醇和Triton X-100按比例为1mL：0.1～0.5 mL：0.1～1.0g混合形成混合溶液后，再加入超纯水，搅拌形成透明且稳定的油包水微乳液，超纯水与上述混合溶液的体积比为1：10 ～ 50；然后向所述油包水微乳液中加入NH₃·H₂O和TEOS，搅拌至反应结束，油包水微乳液和NH₃·H₂O、TEOS的混合体积比为1：0.005～ 0.05 ：0.01 ～ 0.05；之后向搅拌反应后的体系中加入无水乙醇进行破乳，该体系和无水乙醇的体积比为1:1，最后经离心分离得到白色固相，即二氧化硅纳米材料；

2）制备二氧化硅-金纳米复合材料：将异丙醇、3-氨丙基乙氧基硅烷和上述步骤1）制得的二氧化硅纳米材料混合，异丙醇、3-氨丙基乙氧基硅烷和二氧化硅纳米材料的混合体积比为1 mL：0.01 ～ 0.05 mL： 1 ～ 5 mg，在60～120℃条件下搅拌至反应结束，然后再以异丙醇洗涤、以超纯水洗涤，取得固相后与柠檬酸三钠、HAuCl₄混合，柠檬酸三钠和HAuCl₄的总体积与洗涤后固相的混合比为2mL：3mg，常温下搅拌反应至结束，再向反应后的体系中加入NaBH₄水溶液，反应后的体系与NaBH₄水溶液的混合体积比为1：0.01～0.05，搅拌反应至结束，然后依次以无水乙醇和超纯水洗涤，取固体物质，即二氧化硅-金纳米复合材料；

3）制备电化学传感器：先将3-氨丙基乙氧基硅烷偶联到电极表面，再将上述二氧化硅-金纳米复合材料修饰在偶联有3-氨丙基乙氧基硅烷的电极表面。

所述步骤1）中环己烷、正己醇和Triton X-100的混合比优选为1mL：0.2mL：0.25g。环己烷作为有机溶剂，正己醇作为助表活剂，Triton X-100作为表面活性剂，在最优化的比例下促进反应的发生。

所述步骤1）中超纯水与环己烷、正己醇和Triton X-100混合形成的溶液的混合体积比为1：20。

所述步骤1）中油包水微乳液和NH₃·H₂O、TEOS的混合体积比为1：0.01 ：0.02。正硅酸四乙酯（TEOS）作为反应前驱体，氨水（NH₃·H₂O）作为催化剂，形成透明且稳定的油包水微乳液，在最优化的比例下促进反应的发生。

所述步骤1）中反应后的体系和无水乙醇的体积比为1:1。采用无水乙醇破乳，有利于形成稳定的二氧化硅纳米材料。

为了有利于形成稳定的纳米粒子均相，所述步骤2）中异丙醇、3-氨丙基乙氧基硅烷和二氧化硅纳米材料的混合体积比为1mL：0.02mL：1.5 mg。

所述步骤2）中柠檬酸三钠和HAuCl₄的总体积与固相的混合比为2mL：3mg，有利于二氧化硅纳米材料的表面通过静电吸附作用结合Au纳米粒子。

所述步骤2）中反应后的体系与NaBH₄水溶液的混合体积比为1：0.03，所述NaBH₄水溶液中NaBH₄浓度优选为0.1mol/L，可进一步保障混合相中的金被完全还原成金纳米粒子。

本发明的有益效果有：

本发明利用修饰在传感器的表面的具有生物相容性的二氧化硅-金纳米复合材料能防止复杂样本在对电极表面的非特异性吸附同时又能防止生物污垢的性能，解决了传统传感器直接应用于复杂样本检测所遇到的表面生物污染问题的同时，此类新型生物传感器的电极响应灵敏度也将大大提高。

通过本发明制备出具有良好生物相容性的二氧化硅-金纳米复合材料后，并将其修饰在电极表面，由于二氧化硅-金纳米复合材料能够固定高比例的血红蛋白，增强了检测信号，所以制成的电化学传感器能够直接应用于家禽屠宰预冷水中血红蛋白的检测，能够直接检测预冷水中血红蛋白的浓度，该电化学传感器检测范围宽，重现性好，结果准确等优点，同时预冷水检测避免了检测样品的处理以及较长的分析时间，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1为二氧化硅纳米材料透射电镜数据。

图2为二氧化硅-金纳米复合材料透射电镜数据。

图3为实施例2的二氧化硅-金纳米复合材料透射电镜数据。

图4为二氧化硅纳合材料的Zeta 电位图。

图5为二氧化硅-金纳米复合材料的Zeta 电位图。

图6为二氧化硅-金纳米复合材料的生物相容性评价

图7为修饰了二氧化硅-金纳米复合材料的电化学传感器的电流响应曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

1、制备二氧化硅纳米材料：将22.5mL环己烷、4.8mL正己醇和5.778g Triton X-100（聚乙二醇辛基苯基醚，为去污剂或非离子型表面活性剂）混合，搅拌约5 min得到澄清的溶液，加入1.44mL超纯水作为分散相，继续搅拌30 min直至形成透明且稳定的油包水微乳液。再将300μL NH₃·H₂O和600μL TEOS（正硅酸乙酯）加入到上述油包水微乳液中，连续搅拌使之反应24 h。再用体积比为1:1的无水乙醇破乳，离心分离得到白色二氧化硅纳米材料。

将白色二氧化硅纳米材料的透射电镜数据见图1，从图1中可见：二氧化硅纳米材料为表面光滑、粒径均匀的球体。

2、制备二氧化硅-金纳米复合材料：将20mL异丙醇和400μL APTES（3-氨丙基乙氧基硅烷）混合，加入30mg制备得到的二氧化硅纳米材料，在80℃条件下连续搅拌2 h，然后加入异丙醇离心两次，取固相，再加入超纯水离心一次，取得固相。将所得固相产物加入到由20mL柠檬酸三钠（2.5×10^-4mol/L）和HAuCl₄（1.0×10^-3mol/L）组成的混合溶液中，室温下搅拌1 h，再向其中加入600μL浓度为0.1mol/L 的NaBH₄水溶液，继续搅拌1 h后，加入无水乙醇离心3次，取固相，再加入超纯水离心3次，即可得到二氧化硅-金纳米复合材料。二氧化硅-金纳米复合材料的透射电镜数据见图2，从图2中可见：Au通过静电吸附作用连接在球形二氧化硅粒子表面。

实施例2：

制备二氧化硅-金纳米复合材料：将20mL异丙醇和400μL APTES（3-氨丙基乙氧基硅烷）混合，加入30mg制备得到的二氧化硅纳米材料，在80℃条件下连续搅拌2 h，然后加入异丙醇离心两次，取固相，再加入超纯水离心一次，取得固相。将所得固相产物加入到由20mL柠檬酸三钠（2.5×10^-4mol/L）和HAuCl₄（0.1×10^-3mol/L）组成的混合溶液中，室温下搅拌1 h，再向其中加入600μL浓度为0.1mol/L 的NaBH₄水溶液，继续搅拌1 h后，加入无水乙醇离心3次，取固相，再加入超纯水离心3次，即可得到二氧化硅-金纳米复合材料。二氧化硅-金纳米复合材料的透射电镜数据见图3，从图3中可见：Au通过静电吸附作用连接在球形二氧化硅粒子表面，由于HAuCl₄浓度减少，球形二氧化硅粒子表面Au的量也相应减少。

通过Zeta 电位分析和圆二色谱对制成的二氧化硅-金纳米复合材料的生物相容性进行评价，如图4、5、6所示。

图4说明：二氧化硅纳米材料表面带负电荷（-38.5mV），这是因为二氧化硅纳米材料是采用带负电由反相微乳液法合成，其表面含有很多-OH等含氧基团。从图5中可以看出二氧化硅-金纳米复合材料表面仍带负电荷（-13.5mV），但是其负电性比二氧化硅纳米材料弱，这是因为二氧化硅-金纳米复合材料表面的Au³⁺带正电荷。图5说明：二氧化硅-金纳米复合材料的表面带负电荷，将其修饰到电极表面，其负电性可以改善电化学传感器在复杂样品中检测的非特异性吸附行为。

图6说明：将血红蛋白以及二氧化硅-金纳米复合材料与血红蛋白孵化后的混合液分别上机检测。圆二色谱测试参数：参比溶液为PBS，石英比色皿厚度为1 cm，扫描范围190-260 nm，步阶为1.0 nm。

实验结果见图6。图6中曲线a为血红蛋白适配体的圆二色谱图。二氧化硅-金纳米复合材料与血红蛋白孵化后的峰形峰位置非常相似（如曲线b所示），说明二氧化硅-金纳米复合材料能够很好地保持血红蛋白的结构，具有良好的生物相容性。

3、制备电化学传感器：

先将玻碳电极依次用0.3和0.05 μm的α-Al₂O₃抛光至镜面，再用乙醇和超纯水超声处理，取得洁净的电极。

将3-氨丙基乙氧基硅烷（APTES）7 μL滴涂于电极表面，室温下干燥，使APTES通过硅氧键偶联到电极表面，再将5 μL 二氧化硅-金纳米复合材料滴涂到预处理后的电极上，自然晾干，使二氧化硅-金纳米复合材料与APTES末端的氨基相结合固定于电极表面，至此二氧化硅-金纳米复合材料已修饰于工作电极表面，制成了电化学传感器。

本发明制得的电化学传感器的性能测试：

用安培电流-时间法对制成的电化学传感器进行电化学检测，如图7所示。

安培电流-时间法由CHI 660D型电化学工作站完成，采用常规的三电极体系进行检测，工作电极为修饰后的玻碳电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂丝。将二氧化硅-金纳米复合材料修饰到电极表面，由于修饰电极稳定性好，比表面积大，促进了血红蛋白与电极之间的电子传递，电极表面发生氧化还原反应，产生电化学信号，并通过安培电流-时间法进行定量检测。安培电流-时间法是连续向电解池中加入不同浓度（本试验用的血红蛋白浓度为：0.0001M，0.0005M，0.001M，0.002M）血红蛋白得到的，其中电解液是0.1MPBS（pH=7.0）溶液。

从图7可见：随着血红蛋白浓度的增加，峰电流呈现线性增长。

以上结果表明该电化学传感器具有较好的性能，能够应用于定量检测预冷水中血红蛋白的浓度。

本发明中涉及的其它未说明部份与现有技术相同。

Claims (6)

1.一种血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）制备二氧化硅纳米材料：将环己烷、正己醇和Triton X-100按比例为1mL：0.1～0.5mL：0.1～1.0g混合形成混合溶液后，再加入超纯水，搅拌形成透明且稳定的油包水微乳液，超纯水与上述混合溶液的体积比为1：10 ～ 50；然后向所述油包水微乳液中加入NH₃·H₂O和TEOS，搅拌至反应结束，油包水微乳液和NH₃·H₂O、TEOS的混合体积比为1：0.005 ～ 0.05：0.01 ～ 0.05；之后向搅拌反应后的体系中加入无水乙醇进行破乳，该体系和无水乙醇的体积比为1:1，最后经离心分离得到白色固相，即二氧化硅纳米材料；

2）制备二氧化硅-金纳米复合材料：将异丙醇、3-氨丙基乙氧基硅烷和上述步骤1）制得的二氧化硅纳米材料混合，异丙醇、3-氨丙基乙氧基硅烷和二氧化硅纳米材料的混合体积比为1 mL：0.01 ～ 0.05 mL： 1 ～ 5 mg，在60～120℃条件下搅拌至反应结束，然后再以异丙醇洗涤、以超纯水洗涤，取得固相后与柠檬酸三钠、HAuCl₄混合，柠檬酸三钠和HAuCl₄的总体积与洗涤后固相的混合比为2mL：3mg，常温下搅拌反应至结束，再向反应后的体系中加入NaBH₄水溶液，反应后的体系与NaBH₄水溶液的混合体积比为1：0.01～0.05，搅拌反应至结束，然后依次以无水乙醇和超纯水洗涤，取固体物质，即二氧化硅-金纳米复合材料；

3）制备电化学传感器：先将3-氨丙基乙氧基硅烷偶联到电极表面，再将上述二氧化硅-金纳米复合材料修饰在偶联有3-氨丙基乙氧基硅烷的电极表面。

2.根据权利要求1所述的血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征是所述步骤1）中环己烷、正己醇和Triton X-100的混合比为1mL：0.2mL：0.25g。

3.根据权利要求1或2所述的血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征在于所述步骤1）中超纯水与环己烷、正己醇和Triton X-100混合形成的溶液的混合体积比为1：20。

4.根据权利要求1所述的血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征在于所述步骤1）中油包水微乳液和NH₃·H₂O、TEOS的混合体积比为1：0.01 ：0.02。

5.根据权利要求1所述的血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征在于所述步骤2）中异丙醇、3-氨丙基乙氧基硅烷和二氧化硅纳米材料的混合体积比为1mL：0.02mL：1.5 mg。

6.根据权利要求1所述的血红蛋白电化学传感器的制备方法，其特征在于所述步骤2）中反应后的体系与NaBH₄水溶液的混合体积比为1：0.03，所述NaBH₄水溶液中NaBH₄浓度为0.1mol/L。