CN106124589B - 一种基于铁掺杂二维纳米材料构建的电化学生物传感器的制备方法 - Google Patents

一种基于铁掺杂二维纳米材料构建的电化学生物传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学生物传感器的制备方法。本发明首先制备了一种新型二维纳米电极材料Fe‑TiO2/MoS2，即铁掺杂二氧化钛纳米方块原位复合二硫化钼的二维纳米复合材料，利用该材料的良好的生物相容性和大的比表面积，负载上橘青霉素抗体，在进行检测时，由于铁掺杂二氧化钛可以催化过氧化氢原位生成O2，产生电化学信号，再利用抗体与抗原的特异性定量结合对电子传输能力的影响，使得电流强度相应降低，最终实现了采用无标记的电化学方法检测橘青霉素的生物传感器的构建。

Description

一种基于铁掺杂二维纳米材料构建的电化学生物传感器的制 备方法
技术领域
本发明涉及一种电化学生物传感器的制备方法。属于新型纳米功能材料与生物传感器技术领域。
背景技术
霉菌毒素主要是指霉菌在其所污染的食品中产生的有毒代谢产物，它们可通过饲料或食品进入人和动物体内，引起人和动物的急性或慢性毒性，损害机体的肝脏、肾脏、神经组织、造血组织及皮肤组织等。霉菌毒素可在农作物在大田收获时形成；在不适宜的贮存条件下，霉菌毒素也可继续在收获后的农作物上形成。较高的湿度通常有利于饲料中霉菌的生长和霉菌毒素的产生。温度是另一个重要的因素。高温和干旱环境下的农作物很容易遭受霉菌孢子的侵害，一旦条件允许，霉菌孢子可产生霉菌毒素。
霉菌毒素分很多种，有曲霉毒素如黄曲霉毒素等，有镰刀菌毒素如玉米赤霉烯酮，有青霉毒素如橘青霉素等。其中橘青霉素是橘青霉等的毒性代谢产物，主要污染大米，人类或动物食入后，容易造成腹部水肿，严重者导致消化道出血。
目前，检测橘青霉素的方法主要有色谱法、质谱法等。此类方法仪器贵重、操作复杂，化验人员需要专业培训后才能进行检测。因此，研发成本低、检测快、灵敏度高、特异性强的橘青霉素传感器具有重要意义。
电化学生物传感器由于其灵敏度高、特异性好、操作简便等优点被广泛应用于临床诊断、药物分析、环境监测等领域。其中尤以无标记电化学免疫传感器研究较多，其关键的技术是提高修饰电极对抗体的固定量和对测试底液的信号响应速度和大小。二氧化钛是应用最为广泛的一种光催化剂材料，同时由于生物相容性好，也常被用作电极基质材料。由于片状二氧化钛纳米材料能够暴露更多的高指数晶面，具有更高的催化活性，二氧化钛纳米片具有比纳米粒子更好地应用前景，对于二氧化钛纳米片的研究也备受关注。但是，二氧化钛导电性差也限制了由单一二氧化钛纳米材料构建的电化学传感器的灵敏度普遍不高，不利于实际应用。在半导体纳米材料上修饰或复合特殊的纳米材料，一方面增加了电极比表面积，增强电极导电能力，另一方面二者可以产生协同催化作用，更大的增强对过氧化氢溶液H2O2的催化响应速度和电流响应信号大小，大大提高检测灵敏度。因此，设计、制备高效、稳定的二氧化钛纳米片及其修饰物是制备电化学传感器的关键技术。
二硫化钼（化学式为MoS2）纳米材料，具有二维层状结构，是应用最广泛的固体润滑剂之一。其剥离后的片状二维纳米材料，是性能优异的半导体纳米材料，除了具有大的比表面积，可以作为催化剂和生物抗体的载体，提高负载量，同时作为助催化剂也具有优良的电子传递性能。
目前，大多数的合成手段都是分开合成后，再将催化剂与载体进行复合，过程繁琐，产率不高。因此，对于原位复合制备具有优良电化学性能的二维纳米电极材料具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备简单、灵敏度高、检测快速、特异性强的电化学生物传感器的制备方法，所制备的传感器，可用于橘青霉素的快速、灵敏检测。基于此目的，本发明首先制备了一种新型二维纳米电极材料Fe-TiO2/MoS2，即铁掺杂二氧化钛纳米方块原位复合二硫化钼的二维纳米复合材料，利用该材料的良好的生物相容性和大的比表面积，负载上橘青霉素抗体，在进行检测时，由于铁掺杂二氧化钛可以催化过氧化氢原位生成O2，产生电化学信号，再利用抗体与抗原的特异性定量结合对电子传输能力的影响，使得电流强度相应降低，最终实现了采用无标记的电化学方法检测橘青霉素的生物传感器的构建。
本发明采用的技术方案如下：
1. 一种电化学生物传感器的制备方法，其特征在于所述的电化学生物传感器由工作电极、Fe-TiO2/MoS2、橘青霉素抗体、牛血清白蛋白组成，所述的Fe-TiO2/MoS2为铁掺杂二氧化钛纳米方块原位复合二硫化钼的二维纳米复合材料；
其特征在于，所述的制备方法包括以下制备步骤：
a. 制备Fe-TiO2/MoS2；
b. 制备电化学生物传感器；
其中，步骤a制备Fe-TiO2/MoS2的具体步骤为：
（1）取0.6 g二硫化钼粉末和0.2 ~ 2.0 mmol铁盐共同加入到3~10 mL正丁基锂溶液中，在氮气保护和30 ~ 60 ℃下，搅拌12 ~ 48小时，得到反应后的溶液；
（2）利用非极性溶剂洗涤步骤（1）中反应后的溶液，然后在30 ~ 60 ℃下进行水浴超声处理，处理完后，再利用非极性溶剂洗涤处理后的溶液，真空干燥，得到铁插层的二硫化钼纳米材料；
（3）取10 ~ 500 mg步骤（2）制得的铁插层的二硫化钼纳米材料加入到5 mL钛酸四丁酯中，搅拌1小时后，边搅拌边缓慢加入0.5 ~ 0.8 mL氢氟酸，然后160~180 ℃下在反应釜中反应18 ~ 20小时；
（4）将步骤（3）所得的反应产物，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50 ℃下真空干燥，即制得Fe-TiO2/MoS2；
所述的正丁基锂溶液为正丁基锂的己烷溶液，浓度为1.6 mol/L；
所述的铁盐选自下列之一：硫酸铁、氯化铁、硝酸铁、有机铁化合物；
所述的非极性溶剂选自下列之一：己烷、环己烷、四氯化碳、苯、甲苯；
所述的水浴超声处理，处理时间为1小时；
步骤b制备电化学生物传感器的具体步骤为：
（1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8~12 µL的Fe-TiO2/MoS2溶胶，室温下晾干；
（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂8~12 µL10 µg/mL的橘青霉素抗体溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂8~12 µL 浓度为100µg/mL的牛血清白蛋白溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，在4 ℃ 冰箱中保存晾干后，即制得电化学生物传感器；
所述的Fe-TiO2/MoS2溶胶为将50 mg 的Fe-TiO2/MoS2粉末溶于10 mL超纯水中，并超声30 min后制得的水溶胶；
所述的PBS为10 mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4。
2. 本发明所述的制备方法所制备的电化学生物传感器的应用，其特征在于，包括如下应用步骤：
a. 标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的橘青霉素标准溶液；
b. 工作电极修饰：将如权利要求1所述的制备方法所制备的电化学生物传感器为工作电极，将步骤a中配制的不同浓度的橘青霉素标准溶液分别滴涂到工作电极表面，4 ℃冰箱中保存；
c. 工作曲线绘制：将饱和甘汞电极电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，与步骤b所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接电化学工作站，在电解槽中先后加入15mL PBS和20 µL 5 mol/L的H2O2；通过计时电流法检测组装的工作电极对H2O2的响应；空白标样的响应电流记为I 0，含有不同浓度的橘青霉素标准溶液的响应电流记作I i，响应电流降低的差值为ΔI = I 0-I i，ΔI与橘青霉素标准溶液的质量浓度C之间成线性关系，绘制ΔI－C工作曲线；
d. 橘青霉素的检测：用待测样品代替步骤a中的橘青霉素标准溶液，按照步骤b和c中的方法进行检测，根据响应电信号强度降低的差值ΔI和工作曲线，得到待测样品中橘青霉素的含量。
本发明的有益成果
（1）本发明所述的电化学生物传感器制备简单，操作方便，实现了对样品的快速、灵敏、高选择性检测，并且成本低，可应用于便携式检测，具有市场发展前景；
（2）本发明首次采用原位复合的方法制备了新型二维纳米电极材料Fe-TiO2/MoS2，该方法主要有三个优势：一是，由于铁在二氧化钛纳米方块上的原位生长而充分与二氧化钛纳米方块接触，利用铁的金属表面等离子体作用，有效提高了半导体基质电子传递能力和催化活性，解决了二氧化钛纳米片虽然比表面积比较大及介孔特性适用于电化学基质材料，但是电化学活性不高及电流信号不稳定的技术问题；二是，由于二硫化钼片状二维纳米材料的负载特性和二氧化钛纳米方块在其上的充分分散，极大地增大了电子传递能力，解决了二氧化钛纳米片导电性差和电流响应信号弱而不利于制备电化学传感器的技术问题；三是，由于铁离子在该过程中既作为插层材料又作为反应掺杂材料，最后采用原位复合的方法实现了该复合材料的一锅制备，不但节省了时间、材料损耗，而且使得制备的铁掺杂的二氧化钛纳米方块能够更好地均匀分散到二硫化钼片状二维纳米材料上面。因此，该材料的有效制备，具有重要的科学意义和应用价值；
（3）本发明首次将Fe-TiO2/MoS2应用于电化学生物传感器的制备中，显著提高了电流信号的强度和稳定性，大大提高了电化学传感器的检测灵敏度，使得电化学生物传感器实现了在实际工作中的应用；该材料的应用，也为相关生物传感器，如光电化学传感器、电致化学发光传感器等提供了技术参考，具有广泛的潜在使用价值。
具体实施方式
实施例1 Fe-TiO2/MoS2的制备
（1）取0.6 g二硫化钼粉末和0.2 mmol铁盐共同加入到3mL正丁基锂溶液中，在氮气保护和60 ℃下，搅拌12小时，得到反应后的溶液；
（2）利用非极性溶剂洗涤步骤（1）中反应后的溶液，然后在60 ℃下进行水浴超声处理，处理完后，再利用非极性溶剂洗涤处理后的溶液，真空干燥，得到铁插层的二硫化钼纳米材料；
（3）取500 mg步骤（2）制得的铁插层的二硫化钼纳米材料加入到5 mL钛酸四丁酯中，搅拌1小时后，边搅拌边缓慢加入0.5 mL氢氟酸，然后160 ℃下在反应釜中反应18小时；
（4）将步骤（3）所得的反应产物，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50 ℃下真空干燥，即制得Fe-TiO2/MoS2；
所述的正丁基锂溶液为正丁基锂的己烷溶液，浓度为1.6 mol/L；
所述的铁盐为硫酸铁；
所述的非极性溶剂为己烷；
所述的水浴超声处理，处理时间为1小时。
实施例2 Fe-TiO2/MoS2的制备
（1）取0.6 g二硫化钼粉末和1.0 mmol铁盐共同加入到5 mL正丁基锂溶液中，在氮气保护和30 ℃下，搅拌24小时，得到反应后的溶液；
（2）利用非极性溶剂洗涤步骤（1）中反应后的溶液，然后在30 ℃下进行水浴超声处理，处理完后，再利用非极性溶剂洗涤处理后的溶液，真空干燥，得到铁插层的二硫化钼纳米材料；
（3）取200 mg步骤（2）制得的铁插层的二硫化钼纳米材料加入到5 mL钛酸四丁酯中，搅拌1小时后，边搅拌边缓慢加入0.6 mL氢氟酸，然后180 ℃下在反应釜中反应20小时；
（4）将步骤（3）所得的反应产物，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50 ℃下真空干燥，即制得Fe-TiO2/MoS2；
所述的正丁基锂溶液为正丁基锂的己烷溶液，浓度为1.6 mol/L；
所述的铁盐为氯化铁；
所述的非极性溶剂为四氯化碳；
所述的水浴超声处理，处理时间为1小时。
实施例3 电化学生物传感器的制备方法
（1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8 µL的Fe-TiO2/MoS2溶胶，室温下晾干；
（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂8 µL 10 µg/mL的橘青霉素抗体溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂8 µL 浓度为100 µg/mL的牛血清白蛋白溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，在4 ℃ 冰箱中保存晾干后，即制得电化学生物传感器；
所述的Fe-TiO2/MoS2溶胶为将50 mg 的Fe-TiO2/MoS2粉末溶于10 mL超纯水中，并超声30 min后制得的水溶胶；
所述的PBS为10mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4。
实施例4 电化学生物传感器的制备方法
（1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂10 µL的Fe-TiO2/MoS2溶胶，室温下晾干；
（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂10 µL 10µg/mL的橘青霉素抗体溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂10 µL 浓度为100 µg/mL的牛血清白蛋白溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，在4 ℃ 冰箱中保存晾干后，即制得电化学生物传感器；
所述的Fe-TiO2/MoS2溶胶为将50 mg 的Fe-TiO2/MoS2粉末溶于10 mL超纯水中，并超声30 min后制得的水溶胶；
所述的PBS为10 mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4。
实施例5 电化学生物传感器的制备方法
（1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂12 µL的Fe-TiO2/MoS2溶胶，室温下晾干；
（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂12 µL 10µg/mL的橘青霉素抗体溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂12 µL 浓度为100 µg/mL的牛血清白蛋白溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，在4 ℃ 冰箱中保存晾干后，即制得电化学生物传感器；
所述的Fe-TiO2/g-C3N4溶胶为将50 mg 的Fe-TiO2/g-C3N4粉末溶于10 mL超纯水中，并超声30 min后制得的水溶胶；
所述的PBS为10 mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4。
实施例6 实施例1~5制备的电化学生物传感器，应用于橘青霉素的检测，步骤如下：
（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的橘青霉素标准溶液；
（2）工作电极修饰：将如权利要求1所述的制备方法所制备的电化学生物传感器为工作电极，将步骤（1）中配制的不同浓度的橘青霉素标准溶液分别滴涂到工作电极表面，4℃ 冰箱中保存；
（3）工作曲线绘制：将饱和甘汞电极电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，与步骤b所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接电化学工作站，在电解槽中先后加入15mL PBS和20 µL 5 mol/L的H2O2；通过计时电流法检测组装的工作电极对H2O2的响应；空白标样的响应电流记为I 0，含有不同浓度的橘青霉素标准溶液的响应电流记作I i，响应电流降低的差值为ΔI = I 0-I i，ΔI与橘青霉素标准溶液的质量浓度C之间成线性关系，绘制ΔI－C工作曲线；橘青霉素的线性检测范围为：0.009~200 ng/mL，检出限为：3.0 pg/mL；
（4）橘青霉素的检测：用待测样品代替步骤（1）中的橘青霉素标准溶液，按照步骤（2）和（3）中的方法进行检测，根据响应电信号强度降低的差值ΔI和工作曲线，得到待测样品中橘青霉素的含量。

Claims (1)

1.一种基于铁掺杂二维纳米材料构建的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于所述的电化学生物传感器由工作电极、铁掺杂二维纳米材料、橘青霉素抗体、牛血清白蛋白组成；所述的铁掺杂二维纳米材料为铁掺杂二氧化钛纳米方块原位复合二硫化钼的二维纳米复合材料Fe-TiO2/MoS2；
所述的Fe-TiO2/MoS2的具体制备步骤为：取0.6 g二硫化钼粉末和0.2 ~ 2.0 mmol铁盐共同加入到3~10 mL正丁基锂溶液中，在氮气保护和30 ~ 60 ℃下，搅拌12 ~ 48小时，得到反应后的溶液；利用非极性溶剂洗涤反应后的溶液，然后在30 ~ 60 ℃下进行水浴超声处理，处理完后，再利用非极性溶剂洗涤处理后的溶液，真空干燥，得到铁插层的二硫化钼纳米材料；取10 ~ 500 mg制得的铁插层的二硫化钼纳米材料加入到5 mL钛酸四丁酯中，搅拌1小时后，边搅拌边缓慢加入0.5 ~ 0.8 mL氢氟酸，然后160~180 ℃下在反应釜中反应18 ~20小时；所得的反应产物，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50 ℃下真空干燥，即制得Fe-TiO2/MoS2；
所述的正丁基锂溶液为正丁基锂的己烷溶液，浓度为1.6 mol/L；
所述的铁盐选自下列之一：硫酸铁、氯化铁、硝酸铁、有机铁化合物；
所述的非极性溶剂选自下列之一：己烷、环己烷、四氯化碳、苯、甲苯；
所述的水浴超声处理，处理时间为1小时；
所述的电化学生物传感器的具体制备步骤为：
（1）以玻碳电极为工作电极，在电极表面滴涂8~12 µL的Fe-TiO2/MoS2溶胶，室温下晾干；
（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂8~12 µL 10 µg/mL的橘青霉素抗体溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂8~12 µL 浓度为100 µg/mL的牛血清白蛋白溶液，4 ℃ 冰箱中保存晾干；
（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，在4 ℃ 冰箱中保存晾干后，即制得电化学生物传感器；
所述的Fe-TiO2/MoS2溶胶为将50 mg 的Fe-TiO2/MoS2粉末溶于10 mL超纯水中，并超声30 min后制得的水溶胶；
所述的PBS为10 mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4。
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