CN107462619A

CN107462619A - 一种基于黑磷修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用

Info

Publication number: CN107462619A
Application number: CN201710609630.2A
Authority: CN
Inventors: 孙伟; 李晓燕; 赵文舒; 牛学良; 陈玮; 翁文举; 殷春晓
Original assignee: Hainan Normal University
Current assignee: Hainan Normal University
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2017-12-12

Abstract

本发明公开了一种基于BP‑PEDOT:PSS修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用，具体为：通过滴涂法在碳离子液体电极(CILE)表面修饰BP‑PEDOT:PSS‑Hb复合材料，得到相应的修饰电极(BP‑PEDOT:PSS‑Hb/CILE)，构建出蛋白质电化学传感器。通过循环伏安法对上述所制备的传感器进行电化学行为研究，结果出现一对可逆性良好的氧化还原峰，说明BP‑PEDOT:PSS复合材料的存在使得Hb与电极的直接电子转移得以实现。该传感器表现出较好的稳定性，对TCA和NaNO₂表现出良好的电催化还原性能。

Description

一种基于黑磷修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用

技术领域

本发明涉及一种基于黑磷（Black Phosphorus，BP）修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用，属于修饰电极及电化学生物传感器领域。

背景技术

黑磷

黑磷（BP）是一种新型的类石墨烯二维层状材料，是磷元素的多种同素异构体中的一种；作为一种半导体材料，它克服了普通的二维材料如石墨烯或MoS₂等过渡金属硫属化合物在带隙宽度、电子迁移率方面的缺陷，表现出合适的带隙宽度和高载流子迁移率，因而成为研究的焦点，有望在光电子领域发挥巨大的作用；然而BP在自然环境中容易降解，很容易与氧气、水及可见光的共同作用下反应生成磷氧化合物而发生化学变化；所以在实验过程中为了提高BP的化学稳定性，保持BP器件在空气条件下的电学性能，通常的做法是将惰性物质覆盖在BP表面以增加其应用稳定性。

聚3,4-乙撑二氧噻吩；聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）

聚3,4-乙撑二氧噻吩；聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）是一种具有高分子结构的导电聚合物。本征态电子型导电聚合物聚3,4-乙撑二氧噻吩[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT]表现出良好的环境稳定性和高导电性，但其不溶不熔加工性能差，从而限制了其应用。而聚电解质聚对苯乙烯磺酸根阴离子[Poly(styrenesulfonate acid), PSS]掺杂的PEDOT可通过静电作用形成稳定的溶液体系（PEDOT:PSS），并且表现出较强的成膜能力、较高的光透射性、易于加工处理、稳定性好和电导率高；正是由于这些优点的存在，使PEDOT:PSS成为导电高分子领域的研究热点，在防静电涂层、有机电致发光器件、场效应晶体管、电极材料和光伏电池等领域得到广泛应用。

本发明利用PEDOT:PSS来保护BP，用滴涂法在氮气（N₂）保护下将血红蛋白（Hb）与BP-PEDOT:PSS的混合液滴涂在碳离子液体电极（CILE）表面，成功得到相应的蛋白质修饰电极（BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE），实现了Hb的直接电化学，并对其电化学行为进行了研究；利用该传感器分别对三氯乙酸（TCA）和亚硝酸钠（NaNO₂）进行了电催化还原行为研究及分析实验。

发明内容

本发明公开了一种基于BP-PEDOT:PSS修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用，具体为：通过滴涂法在碳离子液体电极（CILE）表面修饰BP-PEDOT:PSS-Hb复合材料，得到相应的修饰电极(BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE)，构建出蛋白质电化学传感器；通过循环伏安法对上述所制备的传感器进行电化学行为研究，结果出现一对可逆性良好的氧化还原峰，说明BP-PEDOT:PSS复合材料的存在使得Hb与电极的直接电子转移得以实现；该传感器表现出较好的稳定性，对TCA和NaNO₂表现出良好的电催化还原性能。

本发明提供一种基于氧化还原蛋白质的电化学传感器件，其特征在于以BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE作为工作电极。

本发明提供一种制备上述电极的方法，包括如下步骤：

（1）取适量的石墨粉和正己基吡啶六氟磷酸盐（质量比为2:1），混合研磨均匀得到碳糊，在玻璃电极管中塞入碳糊后压实，内插铜线作为导线，即得碳离子液体电极（CILE），使用前在打磨纸上打磨至镜面；

（2）在氮气条件下，取一定质量比的BP和PEDOT:PSS混合后，超声分散得到均匀的悬浮液；

（3）在室温条件下，用二次蒸馏水配制浓度为10 ~ 30 mg/mL的Hb溶液，并通氮除氧30~ 90 min；

（4）在氮气保护的手套箱中，取等体积的Hb与悬浮液混匀后，用移液枪取5 ~ 10μL的上述混合液滴涂在CILE表面，待电极表面的液体完全晾干后，即得工作电极（BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE）。

本发明提供一种研究Hb修饰电极的电化学行为的方法，其特征在于：

（1）以CILE为基底电极，在通氮手套箱中用移液枪分别取等体积的BP-PEDOT:PSS、PEDOT:PSS、BP-PEDOT:PSS-Hb滴涂在CILE表面，晾干后制备出不同修饰电极BP-PEDOT:PSS/CILE、PEDOT:PSS/CILE、BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE；

（2）在N₂除氧的pH 2.0磷酸盐缓冲溶液（PBS）为支持电解质，采用循环伏安法研究Hb修饰电极的电化学行为；

（3） BP-PEDOT:PSS/CILE和PEDOT:PSS/CILE上均没有出现氧化还原峰，表明电极表面不存在电活性物质；在BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE上出现一对明显的氧化还原峰，且氧化还原峰电流基本相等，表明Hb在该修饰电极上的直接电子转移得以实现。

本发明提供一种BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE传感器分别对三氯乙酸（TCA）和亚硝酸钠（NaNO₂）进行电催化还原分析的方法，其特征在于：

（1）电解质溶液为通N₂除氧的pH 2.0 PBS；

（2）以CHI 604E电化学工作站为电化学测试仪器，分别以BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，构建三电极系统；

（3）将三电极系统置于上述pH 2.0 PBS中，设置循环伏安法的实验参数：扫描速度为100 mV/s，窗口为0.2 ~ -0.8 V，分别研究BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE对TCA和NaNO₂的电催化还原行为；

（4）当TCA的浓度在3.0 ~ 460.0 mmol/L的范围内时，还原峰电流和TCA的浓度成良好的线性关系，线性回归方程为Iss (mA) = 0.0035C (mmol/L) +0.21 (γ = 0.993)，检测限为1.0 mmol/L (3σ)；

（5）当NaNO₂的浓度在0.1 ~ 30.0 mmol/L的范围内时，还原峰电流和NaNO₂的浓度成良好的线性关系，线性回归方程为Iss (mA) = 0.0496C (mmol/L) + 0.161 (γ =0.990)，检测限为0.033 mmol/L (3σ)。

附图说明

图1：表示不同工作电极（a→c：BP-PEDOT:PSS/CILE, PEDOT:PSS/CILE, BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE）的循环伏安曲线，电解液为pH 2.0 PBS，扫描速度100 mV/s，电位窗口为0.4 ~ -0.8V。

图2：修饰电极在不同浓度TCA存在下的循环伏安图 (a→i为10.0, 60.0, 120.0,180.0, 240.0, 300.0, 360.0, 420.0, 460.0mmol/L)；电位窗口为 0.2 ~ -0.8 V，电解液为pH 2.0 PBS，扫描速度为100 mV/s，插图为峰电流与TCA浓度之间的关系曲线。

图3：修饰电极在不同浓度NaNO₂存在下的循环伏安图 (a→p为0.1, 2.0, 4.0,6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0, 16.0, 18.0, 20.0, 22.0, 24.0, 26.0, 28.0, 30.0mmol/L)；电位窗口为 0.2 ~ -0.8 V，电解液为pH 2.0 PBS，扫描速度为100 mV/s，插图为峰电流与NaNO₂浓度之间的关系曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1

（1）准确称取1.6 g石墨粉和0.8 g正己基吡啶六氟磷酸盐，放入研钵中研磨均匀得到碳糊，然后将上述碳糊填入内径为4 mm的玻璃电极管中用力压实，内插一根铜线作为导线，得到碳离子液体电极（CILE），使用前在洁净的打磨纸上将碳糊电极表面打磨成镜面；

（2）用二次蒸馏水配制浓度为30 mg/mL Hb溶液；

（3）在充氮手套箱中配制质量比为1:5的BP-PEDOT:PSS混合溶液；

（4）以步骤（1）制备得到的CILE为基底电极，在充氮手套箱中取8 μL步骤（2）中所配制的Hb溶液与步骤（3）得到的BP-PEDOT:PSS混合溶液涂布在CILE表面，晾干后得到工作电极（BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE）。

实施例2

在pH 2.0 PBS中研究了Hb修饰电极上的电化学行为，结果如图1所示；从图中可观察到BP-PEDOT:PSS/CILE（曲线a）和PEDOT:PSS/CILE （曲线b）上没有出现氧化还原峰，表明电极表面不存在电活性物质；但是BP的存在使充电电流增加，表明二维结构的BP使电极表面的双电层增厚；在BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE（曲线c）上出现一对明显的氧化还原峰，氧化还原峰电流分别为161.7 μA (Ipc)和169.6 μA (Ipa)，氧化还原峰电位分别为-0.191 V (Epc)和-0.075 V (Epa)。峰电位差(ΔEp)为116 mV，峰电流之比(Ipa/Ipc)为0.953，接近于1，表明Hb在该修饰电极上的直接电子转移得以实现。

实施例3

对BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE进行TCA的电催化还原测试，结果如图2所示；在pH 2.0 PBS中加入TCA后在-0.418 V出现新的还原峰，且随着TCA加入量的增大还原峰电流明显增大而氧化峰逐渐减少甚至消失，为典型的电催化还原TCA的过程。还原峰电流和TCA的浓度在3.0~ 460.0 mmol/L的范围内呈良好的线性关系，线性回归方程为Iss (mA) = 0.0035C(mmol/L) +0.21 (γ = 0.993)，检测限为1.0 mmol/L (3σ)。

实施例4

研究BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE电化学还原NaNO₂，结果如图3所示；在pH 2.0 PBS中加入NaNO₂后记录循环伏安曲线，发现在-0.542 V出现新的还原峰，且还原峰电流随着NaNO₂浓度的增大而增大，而氧化峰逐渐消失；当NaNO₂的浓度在0.1 ~ 30.0 mmol/L的范围内时还原峰电流和NaNO₂的浓度大小成良好的线性关系，线性回归方程为Iss (mA) = 0.0496C (mmol/L) + 0.161 (γ = 0.990)，检测限为0.033 mmol/L (3σ)。

Claims

1.一种基于黑磷修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用，包括：修饰电极的制备方法，蛋白质的直接电化学行为，修饰电极对三氯乙酸(TCA)和亚硝酸钠(NaNO₂)的电催化应用；其特征在于，包括以下步骤：

(1) 取适量的石墨粉和正己基吡啶六氟磷酸盐，混合研磨均匀得到碳糊，在玻璃电极管中塞入碳糊后压实，内插铜线作为导线，即得碳离子液体电极(CILE)，使用前在打磨纸上打磨至镜面；

(2) 配制一定浓度的血红蛋白溶液(Hb)，并在氮气条件下，取一定质量比的BP和PEDOT:PSS混合后，超声分散得到均匀的悬浮液；在氮气保护的手套箱中，取等体积的Hb与悬浮液混匀后，用移液枪取5 ~ 10 μL的上述混合液滴涂在CILE表面，待电极表面的液体完全晾干后，即得工作电极(BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE)；按照同样方法制备BP-PEDOT:PSS/CILE、PEDOT:PSS/CILE等不同修饰电极。

2.根据权利要求1所述一种基于黑磷修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用，其特征在于：步骤(1)中所述的石墨粉和正己基吡啶六氟磷酸盐的用量分别为1.6g和0.8 g，所用的玻璃电极管的直径为3 ~ 4 mm。

3.根据权利要求1所述一种基于黑磷修饰电极的蛋白质电化学传感器件的制备与电催化应用，其特征在于：步骤(1)中所述的Hb溶液的浓度为10.0 ~ 30.0 mg/mL，用量为6.0 ~10.0 μL之间。

4.根据权利要求1所述蛋白质的直接电化学行为，其特征在于：以pH 2.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)为支持电解液，以不同的修饰电极为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，以铂丝电极为辅助电极，采用三电极体系，研究Hb在不同修饰电极上的直接电化学行为。

5.根据权利要求1所述修饰电极对三氯乙酸(TCA)的电催化应用，其特征在于：在pH2.0 PBS中加入不同量的TCA后，考察BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE对TCA的电催化还原行为。

6.根据权利要求1所述修饰电极对亚硝酸钠(NaNO₂)的电催化应用，其特征在于：在pH2.0 PBS中加入不同量的NaNO₂后，考察BP-PEDOT:PSS-Hb/CILE对NaNO₂的电催化还原行为。