CN106226373B - 一种金/二氧化钛/碳纳米管传感器的制备方法及其同步检测生物小分子的方法 - Google Patents

一种金/二氧化钛/碳纳米管传感器的制备方法及其同步检测生物小分子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金/二氧化钛/碳纳米管传感器的制备方法及其同步检测生物小分子的方法。是在碳纳米管表面通过光催化氧化还原法沉积金纳米颗粒，并与二氧化钛纳米粉同时加入到壳聚糖溶液中超声分散，加入戊二醛交联后取氯化钾溶液放入金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料中，超声分散得复合溶液；采用脉冲波法电镀在表面光滑的玻碳电极表面，得金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极传感器，将其作为工作电极，采用三电极体系，在不同的混合待测物浓度中通过差分脉冲伏安法，获得用于同步检测五种物质的工作曲线。本发明的电化学传感器制作方法简单易行，成本低廉，用其测定待测物灵敏度高，检测限低。

Description

一种金/二氧化钛/碳纳米管传感器的制备方法及其同步检测 生物小分子的方法
技术领域
本发明涉及一种在玻碳电极表面修饰金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料，并其为工作电极，采用三电极体系，同步检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的方法。
背景技术
抗坏血酸(又称维生素-C，Ascorbic acid，AA)是人体内的必需营养素，摄入过量可引起腹泻、皮疹及胃酸增多等不良反应；摄入缺乏引起坏血病(临床表现为牙龈肿胀、出血、淤斑等)。多巴胺(Dopamine，DA)是一种神经传导物质，如果人体缺少多巴胺的受体，就会抑制兴奋，比如帕金森病。尿酸(Uricacid，UA)是主要的嘌呤代谢的最终产品，各种嘌呤氧化后生成的尿酸随尿排出，正常人体尿液中产物主要为尿素，含少量尿酸。如果体内产生过多来不及排泄或者尿酸排泄机制退化，则体内尿酸滞留过多，将会引发痛风；血尿酸过低，会引起恶性贫血、范科尼综合征等。色氨酸(Tryptophan，Trp)是人体中必需的氨基酸，参与动植物体内血浆蛋白的形成。如果动物体内缺乏了色氨酸，会造成生长停滞和体重降低等，并且它还可以用来预防和治疗癞皮病。亚硝酸盐(Nitrite，NaNO2)广泛存在于人类体中，是自然界中最普遍的含氮化合物，亚硝酸盐引起食物中毒的几率较高，食入0.3-0.5克的亚硝酸盐即可引起中毒，3克导致死亡。这5种物质均存在于人体的血液及尿液中，对人体的新陈代谢起到重要作用。由于这五种物质具有很强的电化学活性，电化学法又具有简单快速、容易操作、成本低、灵敏度高等优点。因此，为了同步检测以上5种物质，电化学生物传感器是理想的选择，而研究开发可同步定量测定这5种物质的高效传感器件，在神经生理学、疾病诊断及相关药物、食物的质量控制方面都有重要的实际意义。
发明内容
碳纳米管具有中空管状结构，表面功能基团多，其被用作电极材料时，可以实现直接电子转移，产生特有的催化效应。若其与具有高催化活性及优异化学稳定性的纳米二氧化钛复合修饰电极，可有效提高传感器的灵敏度及检测限。但是碳纳米管修饰到电极表面，几乎以交织形式存在，所以阻碍电子的传递，这就降低了电子转移速度。碳纳米管负载铂、金、银等贵金属后，可大幅增加电极的电子传输特性。因此，若构建金/二氧化钛/碳纳米管三元纳米复合材料传感界面，则碳纳米管成为电子传输通道，金颗粒起到纳米尺寸电极的作用，二氧化钛则吸附待测物及催化氧化有机物，会提高其电化学性能，同步检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐时，可获得高灵敏度、低检测限的一种非酶的多种物质同步测定的电化学传感器。
本发明正是基于上述描述，目的在于制备金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料，并修饰到玻碳电极上，制作电化学传感器。该传感器结构简单，成本低，检测灵敏度高，检测限低等特点。
本发明的另一目的在于金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极传感界面作为工作电极，采用三电极体系，同步检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的方法。
本发明的上述目的是通过以下的技术方案来实现的。
一种金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)玻碳电极用氧化铝粉抛光成镜面后，在硝酸(1:1)、无水乙醇和去离子水中超声清洗；
2)采用光催化氧化还原或磁控溅射或离子溅射或化学镀的方法，在碳纳米管表面光催化氧化还原金离子，在碳纳米管表面负载金纳米粒子；
3)把表面负载金纳米粒子的碳纳米管和二氧化钛纳米粉，同时加入到壳聚糖溶液中超声分散后，加入戊二醛交联，获得碳纳米管/金/二氧化钛纳米复合材料；
4)将金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料均匀滴加在镜面抛光的玻碳电极表面并在红外灯下烘干，即得金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极传感器。或：
取一定量的0.1mol/L氯化钾溶液(pH7的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L磷酸缓冲溶液为底液)放入金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料中，超声分散，获得复合溶液，然后采用脉冲波法把上述复合溶液电镀在玻碳电极上，并用红外灯烘干，即得金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极传感器。
进一步的，所述的碳纳米管采用已羟基化或羧基化的碳纳米管。
一种金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，所述的生物小分子为抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐，包括以下步骤：
1)在玻碳电极表面修饰金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料，制备电化学传感器，并其作为工作电极；
2)采用三电极体系，由工作电极、对电极和参比电极构成；
3)以磷酸缓冲溶液作为底液，配置不同pH值的抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐等五种待测物混合溶液，三电极插入该溶液中，采用差分脉冲伏安法测试，获得5个电化学响应特征峰的电压－电流曲线，在不同pH值下对比峰电流的大小，找出最大峰电流的pH值；
4)采用上步骤中确定的pH值的磷酸缓冲溶液作为底液，配置不同浓度的五种待测物混合溶液，采用差分脉冲伏安法测试，其中峰电位为定性指标，峰电流为定量指标，绘制5个以浓度为横坐标，峰电流为纵坐标的工作曲线。
进一步的，三电极体系中，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极，金/二氧化钛/碳纳米管玻碳电极为工作电极。
进一步的，磷酸缓冲溶液pH值设置为6.0～9.0，浓度范围为0.1mol/L～0.2mol/L。
进一步的，抗坏血酸的浓度范围为3～281μmol/L，多巴胺的浓度范围为0.3～15μmol/L，尿酸的浓度范围为1～162μmol/L，色氨酸的浓度范围为1～162μmol/L，亚硝酸盐的浓度范围为4～225μmol/L。
进一步的，差分脉冲伏安法的电位范围为-0.5V～1.2V，电位增量0.001V～0.05V，振幅0.01V～0.05V，脉冲宽度0.01s～0.25s，脉冲周期0.01s～0.5s。
本发明的有益效果是：本发明的电化学传感器制作方法简单易行，成本低廉，用其测定待测物灵敏度高，检测限低。
附图说明
图1为实施例1的工艺条件下制备的金/二氧化钛/碳纳米管SEM照片。
图2为实施例1的工艺条件下制备的金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极传感界面SEM照片。
图3为金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在不同浓度下获得的差分脉冲伏安曲线及工作曲线。图中，a为差分脉冲伏安曲线，b为抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的工作曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一：
(1)工作电极的制备
①将玻碳电极依次用300nm和50nm的氧化铝粉抛光成镜面，然后依次用1:1硝酸、无水乙醇和去离子水超声清洗5min待用。
②称取羧基化碳纳米管16mg，放入20mL的0.03mg/mL水合四氯金酸溶液中，在365nm的紫外灯下进行氧化还原反应，在碳纳米管表面负载金颗粒。
③把表面负载金颗粒的碳纳米管和粒径为5～20nm的二氧化钛纳米粉，以4:1～1:4比例，称取1～5mg，同时加入到1mL浓度为0.5％的壳聚糖溶液中，超声分散10min～30min后，加入0.2mL的0.5％的戊二醛交联10min～30min，即得金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料。
所得金/二氧化钛/碳纳米管SEM照片如附图1所示。
④取金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料5～10μL，均匀滴加在镜面抛光的玻碳电极表面，红外灯下烘干，即得金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极，作为三电极体系中的工作电极。
⑤取5～20mL的0.1mol/L氯化钾溶液(pH7的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L磷酸缓冲溶液为底液)放入金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料中，超声分散，获得复合溶液。然后采用脉冲波法把纳米复合物电镀在玻碳电极上，并用红外灯烘干，即得金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极，作为三电极体系中的工作电极。
所得金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极传感界面SEM照片如附图2所示。
(2)确定pH值
①配置pH值为6.0～9.0的浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲溶液作为底液，配置pH值为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0的抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的混合溶液，其中这五种物质的浓度依次为200μmol/L、6μmol/L、50μmol/L、50μmol/L、160μmol/L。
②金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，连接电化学工作站，并将这三个电极插入不同pH值的抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的混合溶液中，采用电化学工作站中的差分脉冲伏安法测试电流－电压曲线。差分脉冲伏安法的参数中，电位范围设置为-0.5V～1.2V；电位增量范围设置为0.001-0.05V，本实施例设置为0.004V；振幅设置为0.01-0.05V，本实施例设置为0.05V；脉冲宽度设置为0.01-0.25s，本实施例设置为0.2s，脉冲周期设置0.01-0.5s，本实施例设置为0.5s。
③通过比较不同pH值下获得的峰电流的大小，确定pH值，对本实例的电极，最优的pH值为7.0。
(3)建立工作曲线
①以pH值为7.0的磷酸缓冲溶液为底液，配置不同浓度的抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的混合溶液。其中抗坏血酸的浓度范围为1～300μmol/L，多巴胺的浓度范围为0.1～20μmol/L，尿酸的浓度范围为1～200μmol/L，色氨酸的浓度范围为1～200μmol/L，亚硝酸盐的浓度范围为1～250μmol/L。
②采用金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用与上步骤相同参数的差分脉冲伏安法测试电流－电压曲线。从曲线中获得抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的峰电位依次为-0.05V、0.13V、0.26V、0.62V、0.74V左右，这些峰电位作为定性指标。
③以每个待测物的浓度作为横坐标，峰电流作为纵指标，通过不同浓度下获得的每个待测物的峰电流大小，绘制工作曲线。
因为每种物质的电化学响应特性不同，在上述步骤中测试的差分脉冲伏安法电压－电流曲线中，会出现5个响应特征峰，其中峰电位用于定性指标，峰电流用于定量指标，绘制每个待测物的工作曲线，即浓度为横坐标，峰电流为纵坐标的曲线。
图3为金/二氧化钛/碳纳米管/玻碳电极作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在不同浓度下获得的差分脉冲伏安曲线及工作曲线。其中抗坏血酸的浓度范围为3～281μmol/L，多巴胺的浓度范围为0.3～15μmol/L，尿酸的浓度范围为1～162μmol/L，色氨酸的浓度范围为1～162μmol/L，亚硝酸盐的浓度范围为4～225μmol/L。图中，a为差分脉冲伏安曲线，b为抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐的工作曲线。
在本实例中，检测抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐五种物质的的最低浓度可以达到1μmol/L、0.2μmol/L、0.6μmol/L、0.8μmol/L、3μmol/L。
需要说明的是，本发明是提供一种金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料，并修饰到玻碳电极上，制作电化学传感器，同时利用该传感器作为电极，提出一种针对抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐提出的一种检测方法，其目的并非是用于相应疾病的诊断及治疗，只是用于该种理论的分析及研究。背景技术中所描述的相应疾病介绍等内容，只是为了起到对本发明的背景的了解作用。另外，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，所述的生物小分子为抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐，其特征在于包括以下步骤：
1)在玻碳电极表面修饰金/二氧化钛/碳纳米管纳米复合材料，制备电化学传感器，并其作为工作电极；
2)采用三电极体系，由工作电极、对电极和参比电极构成；
3)以磷酸缓冲溶液作为底液，配置不同pH值的抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐五种待测物混合溶液，三电极插入该溶液中，采用差分脉冲伏安法测试，获得5个电化学响应特征峰的电压－电流曲线，在不同pH值下对比峰电流的大小，找出最大峰电流的pH值；
4)采用上步骤中确定的pH值的磷酸缓冲溶液作为底液，配置不同浓度的五种待测物混合溶液，采用差分脉冲伏安法测试，其中峰电位为定性指标，峰电流为定量指标，绘制5个以浓度为横坐标，峰电流为纵坐标的工作曲线。
2.根据权利要求1所述的金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，其特征在于：三电极体系中，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极，金/二氧化钛/碳纳米管玻碳电极为工作电极。
3.根据权利要求1所述的金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，其特征在于：磷酸缓冲溶液pH值设置为6.0～9.0，浓度范围为0.1mol/L～0.2mol/L。
4.根据权利要求1所述的金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，其特征在于：抗坏血酸的浓度范围为3～281μmol/L，多巴胺的浓度范围为0.3～15μmol/L，尿酸的浓度范围为1～162μmol/L，色氨酸的浓度范围为1～162μmol/L，亚硝酸盐的浓度范围为4～225μmol/L。
5.根据权利要求1所述的金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，其特征在于：差分脉冲伏安法的电位范围为-0.5V～1.2V，电位增量0.001V～0.05V，振幅0.01V～0.05V，脉冲宽度0.01s～0.25s，脉冲周期0.01s～0.5s。
6.根据权利要求1所述的金/二氧化钛/碳纳米管电化学传感器同步检测生物小分子的方法，其特征在于：配制的抗坏血酸、多巴胺、尿酸、色氨酸和亚硝酸盐混合溶液的不同pH值分别为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0。
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