CN107643334B - 电化学生物传感用自清洁电极 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电化学生物传感用自清洁电极，包括导电基底，所述导电基底表面依次沉积有还原氧化石墨烯和光敏剂‑上转换纳米颗粒复合粒子；所述光敏剂‑上转换纳米颗粒复合粒子包括上转换纳米颗粒，所述上转换纳米颗粒的外表面依次包覆有致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层，所述介孔二氧化硅层的介孔中吸附有光敏剂分子。该电化学生物传感用自清洁电极经穿透力强的近红外线照射时，其表面沉积的光敏剂‑上转换纳米颗粒复合粒子中的上转换纳米颗粒发出可见光，激活其中的光敏剂分子产生高反应活性的氧自由基，实现电极的原位自清洁，而且，其清洁时利用穿透力强的近红外线照射电极，无需重复拆装电极且对生物体无损伤。
Description
技术领域
本发明属于电化学生物传感技术领域，尤其涉及一种电化学生物传感用自清洁电极。
背景技术
电化学传感器由于其具有响应速度快、灵敏度高、时空分辨率高等特点，被广泛应用于生物传感中。然而，采用电化学传感器在生物体中进行实时检测时，其电极容易被中间体或在检测期间通过电化学反应产生的聚合产物所污染和钝化。特别是，对于在培养细胞附近的检测电极，来自细胞的各种分泌物可严重污染和钝化电极，使电极的信号衰减，导致电极不可靠，并导致电极的利用率显著下降。
目前，为了避免电极的污染和钝化，一些抗聚合或抗吸附分子，如：聚(3,4-亚乙基)、聚吡咯、掺硼金刚石和碳纳米管等，已被应用于制备电化学生物传感器的电极，然而，这些材料仅能在一定程度上阻止结垢和钝化，而无法将污染物从其表面去除。为了将污染物从电极表面清除，又开发了几种清洗方法，例如：酸洗、利用化学氧化或还原清洗、利用电化学氧化或还原清洗等，但这些清洗方法将不可避免地损坏电极表面。因而，为了在不改变电极表面结构和电化学性能的情况下，完全有效地从电极表面除去污染物，又进一步开发了利用紫外光清洁的自清洁电极。然而，现有的这种自清洁电极在电化学生物传感中应用时仍存在一些不足：(1)在清洁过程中需使用紫外光进行照射，会对照射的生物体产生不可修复的损伤；(2)紫外光的穿透效果差，清洁电极时还需将检测中断并将电极拆下，而重复拆装电极不仅会拖延检测时间，降低检测效率，而且会极大的缩短电极的使用寿命。
因此，如何提供一种清洁时无需重复拆装电极且对生物体无损伤的电化学生物传感用自清洁电极，是当前急需解决的一项技术问题。
发明内容
本发明针对上述的现有自清洁电极在电化学生物传感中应用时存在的不足，提出一种电化学生物传感用自清洁电极，该电极经穿透力强的近红外线照射时，可产生单线态氧从而自发清洁电极表面附着的污染物，其清洁时无需拆装电极且对生物体无损伤。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
电化学生物传感用自清洁电极，包括导电基底，所述导电基底表面依次沉积有还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子；所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子包括上转换纳米颗粒，所述上转换纳米颗粒的外表面依次包覆有致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层，所述介孔二氧化硅层的介孔中吸附有光敏剂分子。
作为优选，所述致密二氧化硅层的厚度为6-8nm，所述介孔二氧化硅层的厚度为25-30nm。
作为优选，所述光敏剂分子为酞菁二氯化钛。
作为优选，所述电化学生物传感用自清洁电极的制备方法为：将所述导电基底置于还原氧化石墨烯溶液中，向所述导电基底施加电压使所述导电基底表面沉积一层还原氧化石墨烯，再将沉积后的导电基底置于所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液中，施加电压使其表面再沉积一层光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子，得到所述电化学生物传感用自清洁电极。
作为优选，在所述电化学生物传感用自清洁电极的制备方法中，所述还原氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1.0mg/mL，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液的浓度为8mg/mL；沉积所述还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子时，施加的电压为-1.0V，沉积时间为1000-2000s。
作为优选，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法为：
步骤1：以YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O、ErCl3·6H2O、NaOH和NH4F为反应原料，在氩气气氛下，采用溶剂热法制备得到以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒；
步骤2：将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到上转换纳米颗粒的环己烷溶液，加入CO-520、氨水和正硅酸四乙酯，将体系密闭，通过正硅酸四乙酯在所述上转换纳米颗粒表面发生水解缩聚反应，制备得到致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒；
步骤3：将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于乙醇与氨水的混合液中，加入正硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷，在密闭条件下反应，将反应后的溶液离心得到沉淀物，煅烧所述沉淀物以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒；
步骤4：将步骤3得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒分散于光敏剂分子的吡啶溶液中，使所述介孔二氧化硅包覆的上转换纳米颗粒的介孔中饱和吸附光敏剂分子，得到光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子。
作为优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤1的具体步骤为：称取所述YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O和ErCl3·6H2O，在氩气气氛下，加热至160℃去除体系中的水分，冷却至室温后，加入油酸和油胺作为溶剂，将体系加热至150-200℃得到透明均一的溶液1；称取所述NaOH和NH4F，溶解于甲醇中，得到溶液2；将所述溶液2快速加入所述溶液1中，搅拌均匀，将体系加热至100℃去除体系中的甲醇，再将体系快速加热至300℃，反应60-90min，冷却至室温；向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物1，用乙醇和甲醇的混合液清洗所述产物1，得到所述上转换纳米颗粒。
作为优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤2的具体步骤为：将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到上转换纳米颗粒的环己烷溶液，将CO-520与所述上转换纳米颗粒的环己烷溶液混合均匀，再次加入CO-520，并加入氨水，将体系密闭后超声溶解，直至溶液变澄清；其中，CO-520的再次加入量为初次加入量的4倍；向体系中加入正硅酸四乙酯，将体系密闭，在常温下搅拌反应2天；向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物2，用乙醇和水的混合液清洗所述产物2，得到所述致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。
作为优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤3的具体步骤为：将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于乙醇与氨水的混合液中，加入正硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷，将体系密闭超声溶解5-10min，在常温下搅拌反应6h；将反应后的溶液以3500g/min的离心力离心，得到沉淀物，用乙醇和水的混合液清洗所述沉淀物，将所述沉淀物烘干，在500℃下煅烧5-10h以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到所述介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。
作为优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，步骤1中，所述的各反应组分的摩尔份数为：YCl3·6H2O 0.5-1份，YbCl3·6H2O 0.1-2份，ErCl3·6H2O0.01-0.05份，NaOH 1-5份，NH4F 1-5份；步骤2中，所述上转换纳米颗粒的环己烷溶液的浓度为0.01-0.05mol/L，所述的各反应组分的体积份数为：上转换纳米颗粒的环己烷溶液2-6份，CO-520 0.25-0.5份，氨水0.05-0.1份，正硅酸四乙酯0.01-0.05份；步骤3中加入的正硅酸四乙酯与步骤2中加入的正硅酸四乙酯的体积比为(8-14):(1-5)，步骤3中，所述的各反应组分的体积份数为：正硅酸四乙酯0.08-0.14份，十八烷基三甲氧基硅烷0.01-0.05份，乙醇20份，氨水1份。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明提供的电化学生物传感用自清洁电极，经近红外线照射时，其表面沉积的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子中的上转换纳米颗粒发出可见光，激活其中的光敏剂分子产生高反应活性的氧自由基，实现电极的原位自清洁，在生物传感中具有巨大的应用前景；
2、本发明提供的电化学生物传感用自清洁电极，在清洁时，利用穿透力强的近红外线照射电极，可以在不将电极拆下的情况下，实现电极的清洁，而且近红外线照射对生物体也无损伤。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒的透射电镜图；
图2为本发明实施例1所提供的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒的透射电镜图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种电化学生物传感用自清洁电极，包括导电基底，所述导电基底表面依次沉积有还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子；所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子包括上转换纳米颗粒，所述上转换纳米颗粒的外表面依次包覆有致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层，所述介孔二氧化硅层的介孔中吸附有光敏剂分子。
在上述电化学生物传感用自清洁电极中，需要说明的是，沉积的还原氧化石墨烯具有增加电极导电性能和光敏剂吸附的作用。在沉积的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子中，内部的上转换纳米颗粒在近红外光激发下能发出可见光，该可见光可激发吸附于介孔中的光敏剂分子，需要说明的是，所述光敏剂分子为三线态光敏剂分子。三线态光敏剂分子受可见光激发后，可以与环境中处于基态的氧发生反应，根据氧原子的存在形式不同，存在有两种不同的光反应途径，其中，途径1包括一个电子转移的过程，三线态光敏剂分子获得电子产生超过氧化物，继而产生氢氧自由基(HO·)；途径2为三线态光敏剂分子通过能量传递将基态3O2激活至1O2激发态。由于三线态光敏剂分子受可见光激发后产生的HO·和1O2均为高反应活性的氧自由基，其能够有效清除电极表面的蛋白质、脂类和核酸等各种类型的生物分子污染物，起到清洁电极表面的作用。
进一步的，还需要说明的是，在光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子中，介孔二氧化硅层的主要作用是为光敏剂分子提供吸附场所。致密二氧化硅层的作用为：一方面能够减少上转换纳米颗粒的晶体缺陷，起到保护上转换纳米颗粒的作用；另一方面为介孔二氧化硅层提供生长点，便于介孔二氧化硅层的生长。
本发明提供的电化学生物传感用自清洁电极，经近红外线照射时，其表面沉积的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子中的上转换纳米颗粒发出可见光，激活其中的光敏剂分子产生高反应活性的氧自由基，实现电极的原位自清洁。同时，本发明提供的电化学生物传感用自清洁电极，在清洁时，利用穿透力强的近红外线照射电极，可以在不将电极拆下、不中断检测过程的情况下，实现电极的清洁，而且近红外线照射对生物体也无损伤。
在一优选实施例中，所述致密二氧化硅层的厚度为6-8nm，所述介孔二氧化硅层的厚度为25-30nm。在本优选实施例中，进一步限定了致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层的厚度，这主要是考虑到，致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层过薄或过厚，均会影响电化学生物传感用自清洁电极的自清洁能力。具体的，若致密二氧化硅层过薄，可能不利于介孔二氧化硅层的生长，且无法很好地起到保护上转换纳米颗粒的作用；若致密二氧化硅层过厚，则可能增大光敏剂分子与上转换纳米颗粒之间的距离、降低光敏剂捕捉可见光从而产生单线态氧以及自清洁的效率；若介孔二氧化硅层过薄，则无法为光敏剂分子提供足够的吸附空间；若介孔二氧化硅层过厚，同样会影响光敏剂分子与上转换纳米颗粒之间的距离从而影响自清洁效果。当致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层的厚度均在本优选实施例的限定范围内时，致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层的厚度相互匹配，得到的电化学生物传感用自清洁电极，具有较好的自清洁能力。
在一优选实施例中，所述光敏剂分子为酞菁二氯化钛。在本优选实施例中，进一步限定了光敏剂分子为酞菁二氯化钛，这主要考虑到，酞菁二氯化钛是一种具有较长寿命的三线态光敏剂分子，其较易于被可见光激发。
在一优选实施例中，为了能够获得预期作用效果的电化学生物传感用自清洁电极，本实施例中提供了一种优选的制备方法，具体为：将所述导电基底置于还原氧化石墨烯溶液中，向所述导电基底施加电压使所述导电基底表面沉积一层还原氧化石墨烯，再将沉积后的导电基底置于所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液中，施加电压使其表面再沉积一层光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子，得到所述电化学生物传感用自清洁电极。可以理解的是，上述制备方法仅是一较优选的示例性方式，由这种电沉积制备得到的电化学生物传感用自清洁电极，其沉积的还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子与导电基底的结合力较强，不易脱落，具有更长的使用寿命。但本领域技术人员可并不局限于上述制备方法，只要是能够获得预期效果的制备方法均在本实施例所保护的范围内。
作为进一步优选，在所述电化学生物传感用自清洁电极的制备方法中，所述还原氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1.0mg/mL，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液的浓度为8mg/mL；沉积所述还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子时，施加的电压为-1.0V，沉积时间为1000-2000s。需要说明的是，在本优选实施例中，各沉积条件的限定为最优范围，本领域技术人员可以根据实际情况，具体选择合适的沉积条件。
在一优选实施例中，为了能够获得预期作用效果的电化学生物传感用自清洁电极，本实施例中提供了一种优选的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法，具体为：
步骤1：以YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O、ErCl3·6H2O、NaOH和NH4F为反应原料，在氩气气氛下，采用溶剂热法制备得到以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒；
步骤2：将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到上转换纳米颗粒的环己烷溶液，加入CO-520、氨水和正硅酸四乙酯，将体系密闭，通过正硅酸四乙酯在所述上转换纳米颗粒表面发生水解缩聚反应，制备得到致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒；
步骤3：将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于乙醇与氨水的混合液中，加入正硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷，在密闭条件下反应，将反应后的溶液离心得到沉淀物，煅烧所述沉淀物以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒；
步骤4：将步骤3得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒分散于光敏剂分子的吡啶溶液中，使所述介孔二氧化硅包覆的上转换纳米颗粒的介孔中饱和吸附光敏剂分子，得到光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子。
可以理解的是，上述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法仅是一较优选的示例性方式，这种制备方法操作简单，得到的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的分散性更好、结构更稳定。但本领域技术人员可并不局限于上述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法，只要是能够获得预期效果的制备方法均在本实施例所保护的范围内。
作为进一步优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤1的具体步骤为：称取所述YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O和ErCl3·6H2O，在氩气气氛下，加热至160℃去除体系中的水分，冷却至室温后，加入油酸和油胺作为溶剂，将体系加热至150-200℃得到透明均一的溶液1；称取所述NaOH和NH4F，溶解于甲醇中，得到溶液2；将所述溶液2快速加入所述溶液1中，搅拌均匀，将体系加热至100℃去除体系中的甲醇，再将体系快速加热至300℃，反应60-90min，冷却至室温；向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物1，用乙醇和甲醇的混合液清洗所述产物1，得到所述上转换纳米颗粒。需要说明的是，采用本优选实施例限定的步骤1的具体步骤制备获得的上转换纳米颗粒，其尺寸更均一，且晶体缺陷较少。可以理解的是，本领域技术人员也可以采用其他的步骤制备获得以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒。
作为进一步优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤2的具体步骤为：将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到上转换纳米颗粒的环己烷溶液，将CO-520与所述上转换纳米颗粒的环己烷溶液混合均匀，再次加入CO-520，并加入氨水，将体系密闭后超声溶解，直至溶液变澄清；其中，CO-520的再次加入量为初次加入量的4倍；向体系中加入正硅酸四乙酯，将体系密闭，在常温下搅拌反应2天；向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物2，用乙醇和水的混合液清洗所述产物2，得到所述致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。需要说明的是，采用本优选实施例限定的步骤2的具体步骤制备获得的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒，其分散性较好，包覆的致密二氧化硅层的厚度均匀，颗粒尺寸也较为均匀。可以理解的是，本领域技术人员也可以采用其他的步骤在上转换纳米颗粒外包覆致密二氧化硅层。
作为进一步优选，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤3的具体步骤为：将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于乙醇与氨水的混合液中，加入正硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷，将体系密闭超声溶解5-10min，在常温下搅拌反应6h；将反应后的溶液以3500g/min的离心力离心，得到沉淀物，用乙醇和水的混合液清洗所述沉淀物，将所述沉淀物烘干，在500℃下煅烧5-10h以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到所述介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。需要说明的是，采用本优选实施例限定的步骤3的具体步骤制备获得的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒，其分散性较好，包覆的介孔二氧化硅层的厚度均匀，所含介孔丰富，颗粒尺寸也较为均匀。可以理解的是，本领域技术人员也可以采用其他的步骤在致密二氧化硅层外包覆介孔二氧化硅层。
在一优选实施例中，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，步骤1中，所述的各反应组分的摩尔份数为：YCl3·6H2O 0.5-1份，YbCl3·6H2O 0.1-2份，ErCl3·6H2O 0.01-0.05份，NaOH 1-5份，NH4F 1-5份；步骤2中，所述上转换纳米颗粒的环己烷溶液的浓度为0.01-0.05mol/L，所述的各反应组分的体积份数为：上转换纳米颗粒的环己烷溶液2-6份，CO-5200.25-0.5份，氨水0.05-0.1份，正硅酸四乙酯0.01-0.05份；步骤3中加入的正硅酸四乙酯与步骤2中加入的正硅酸四乙酯的体积比为(8-14):(1-5)，步骤3中，所述的各反应组分的体积份数为：正硅酸四乙酯0.08-0.14份，十八烷基三甲氧基硅烷0.01-0.05份，乙醇20份，氨水1份。需要说明的是，在本优选实施例中，各反应组分的用量配比为最优配比，本领域技术人员可以根据实际情况，具体选择合适的配比。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的电化学生物传感用自清洁电极，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
以ITO电极为导电基底，将ITO电极置于0.1mg/mL的还原氧化石墨烯溶液中，向ITO电极施加-1.0V电压，持续沉积1000s，使ITO电极表面沉积一层还原氧化石墨烯，再将沉积后的ITO电极置于8mg/mL的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液中，施加-1.0V电压，持续沉积1000s，使其表面再沉积一层光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子，得到电化学生物传感用自清洁电极。
其中，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法为：
步骤1：制备以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒
(1)称取0.5mmol YCl3·6H2O、0.1mmol YbCl3·6H2O和0.01mmol ErCl3·6H2O，在氩气气氛下，加热至160℃，保持30min，以去除体系中的水分，冷却至室温后，加入10mL油酸和10mL油胺作为溶剂，使YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O和ErCl3·6H2O全部溶解，将体系加热至150℃得到透明均一的溶液；
(2)称取1mmol NaOH和1mmol NH4F，溶解于5mL甲醇中，将其快速加入步骤(1)得到的均一溶液中，在2000r/min下搅拌40min，将体系加热至100℃，保持40min，以去除体系中的甲醇，再将体系快速加热至300℃，反应60min，冷却至室温；
(3)向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物，用乙醇和甲醇的混合液(乙醇和甲醇的的体积比为1:1)清洗，得到以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒。
步骤2：在上转换纳米颗粒外包覆致密二氧化硅层
(1)将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到2mL浓度为0.01mol/L的上转换纳米颗粒的环己烷溶液，加入0.05mL CO-520，搅拌10min以混合均匀，再次加入0.2mL CO-520，并加入0.05mL氨水，将体系密闭后超声溶解10min，溶液变澄清；
(2)向体系中加入0.01mL正硅酸四乙酯，将体系密闭，在常温下，以500r/min转速搅拌反应2天；
(3)向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物，用乙醇和水的混合液(乙醇和水的体积比1:1)清洗，得到致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒，保持在乙醇中待用。得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒的透射电镜图如图1所示，其致密二氧化硅层的厚度为6-8nm，且致密二氧化硅层在上转换纳米颗粒的表面包覆均匀。
步骤3：在致密二氧化硅层外包覆介孔二氧化硅层
(1)将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于20mL乙醇与1mL氨水的混合液中，加入0.08mL正硅酸四乙酯和0.01mL十八烷基三甲氧基硅烷，将体系密闭超声溶解5min，在常温下搅拌反应6h；
(2)将反应后的溶液以3500g/min的离心力离心，得到沉淀物，用乙醇和水的混合液(乙醇和水的体积比1:1)清洗沉淀物，置于真空干燥箱中过夜烘干，置于马弗炉中，在500℃下煅烧5h以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒的透射电镜图如图2所示，其介孔二氧化硅层的厚度为25-30nm，且介孔二氧化硅层在致密二氧化硅层的表面包覆均匀。
步骤4：将步骤3得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒分散于酞菁二氯化钛的吡啶溶液中，使其介孔中饱和吸附酞菁二氯化钛，得到光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子。
实施例2
以ITO电极为导电基底，将ITO电极置于0.55mg/mL的还原氧化石墨烯溶液中，向ITO电极施加-1.0V电压，持续沉积1500s，使ITO电极表面沉积一层还原氧化石墨烯，再将沉积后的ITO电极置于8mg/mL的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液中，施加-1.0V电压，持续沉积1500s，使其表面再沉积一层光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子，得到电化学生物传感用自清洁电极。
其中，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法为：
步骤1：制备以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒
(1)称取0.75mmol YCl3·6H2O、1.05mmol YbCl3·6H2O和0.03mmol ErCl3·6H2O，在氩气气氛下，加热至160℃，保持45min，以去除体系中的水分，冷却至室温后，加入13mL油酸和13mL油胺作为溶剂，使YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O和ErCl3·6H2O全部溶解，将体系加热至175℃得到透明均一的溶液；
(2)称取3mmol NaOH和3mmol NH4F，溶解于7.5mL甲醇中，将其快速加入步骤(1)得到的均一溶液中，在2000r/min下搅拌50min，将体系加热至100℃，保持50min，以去除体系中的甲醇，再将体系快速加热至300℃，反应75min，冷却至室温；
(3)向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物，用乙醇和甲醇的混合液(乙醇和甲醇的的体积比为1:1)清洗，得到以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒。
步骤2：在上转换纳米颗粒外包覆致密二氧化硅层
(1)将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到4mL浓度为0.03mol/L的上转换纳米颗粒的环己烷溶液，加入0.075mL CO-520，搅拌13min以混合均匀，再次加入0.3mL CO-520，并加入0.075mL氨水，将体系密闭后超声溶解20min，溶液变澄清；
(2)向体系中加入0.03mL正硅酸四乙酯，将体系密闭，在常温下，以750r/min转速搅拌反应2天；
(3)向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物，用乙醇和水的混合液(乙醇和水的体积比1:1)清洗，得到致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒，保持在乙醇中待用。
步骤3：在致密二氧化硅层外包覆介孔二氧化硅层
(1)将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于20mL乙醇与1mL氨水的混合液中，加入0.11mL正硅酸四乙酯和0.03mL十八烷基三甲氧基硅烷，将体系密闭超声溶解7.5min，在常温下搅拌反应6h；
(2)将反应后的溶液以3500g/min的离心力离心，得到沉淀物，用乙醇和水的混合液(乙醇和水的体积比1:1)清洗沉淀物，置于真空干燥箱中过夜烘干，置于马弗炉中，在500℃下煅烧7.5h以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。
步骤4：将步骤3得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒分散于酞菁二氯化钛的吡啶溶液中，使其介孔中饱和吸附酞菁二氯化钛，得到光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子。
实施例3
以ITO电极为导电基底，将ITO电极置于1mg/mL的还原氧化石墨烯溶液中，向ITO电极施加-1.0V电压，持续沉积2000s，使ITO电极表面沉积一层还原氧化石墨烯，再将沉积后的ITO电极置于8mg/mL的光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液中，施加-1.0V电压，持续沉积2000s，使其表面再沉积一层光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子，得到电化学生物传感用自清洁电极。
其中，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法为：
步骤1：制备以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒
(1)称取1mmol YCl3·6H2O、2mmol YbCl3·6H2O和0.05mmol ErCl3·6H2O，在氩气气氛下，加热至160℃，保持60min，以去除体系中的水分，冷却至室温后，加入15mL油酸和15mL油胺作为溶剂，使YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O和ErCl3·6H2O全部溶解，将体系加热至200℃得到透明均一的溶液；
(2)称取5mmol NaOH和5mmol NH4F，溶解于10mL甲醇中，将其快速加入步骤(1)得到的均一溶液中，在2000r/min下搅拌60min，将体系加热至100℃，保持60min，以去除体系中的甲醇，再将体系快速加热至300℃，反应90min，冷却至室温；
(3)向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物，用乙醇和甲醇的混合液(乙醇和甲醇的的体积比为1:1)清洗，得到以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒。
步骤2：在上转换纳米颗粒外包覆致密二氧化硅层
(1)将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到6mL浓度为0.05mol/L的上转换纳米颗粒的环己烷溶液，加入0.1mL CO-520，搅拌13min以混合均匀，再次加入0.4mLCO-520，并加入0.1mL氨水，将体系密闭后超声溶解30min，溶液变澄清；
(2)向体系中加入0.05mL正硅酸四乙酯，将体系密闭，在常温下，以1000r/min转速搅拌反应2天；
(3)向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物，用乙醇和水的混合液(乙醇和水的体积比1:1)清洗，得到致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒，保持在乙醇中待用。
步骤3：在致密二氧化硅层外包覆介孔二氧化硅层
(1)将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于20mL乙醇与1mL氨水的混合液中，加入0.14mL正硅酸四乙酯和0.05mL十八烷基三甲氧基硅烷，将体系密闭超声溶解10min，在常温下搅拌反应6h；
(2)将反应后的溶液以3500g/min的离心力离心，得到沉淀物，用乙醇和水的混合液(乙醇和水的体积比1:1)清洗沉淀物，置于真空干燥箱中过夜烘干，置于马弗炉中，在500℃下煅烧10h以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。
步骤4：将步骤3得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒分散于酞菁二氯化钛的吡啶溶液中，使其介孔中饱和吸附酞菁二氯化钛，得到光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子。
以普通ITO电极和仅沉积还原氧化石墨烯的ITO电极作为对比，测试实施例1-3制备的电化学生物传感用自清洁电极的自清洁能力，测试过程及结果如下：
单线态氧是一种强氧化剂，能够快速氧化分解蛋白质等生物分子从而清除生物检测过程中电极表面富集的的污染物。单线态氧在溶液和生物体环境内的产生和消失极为迅速，因此无法通过物理仪器直接测量其产生量，只能间接通过单线态氧捕捉剂，如利用过9,10-蒽基-双(亚甲基)二丙二酸(ABDA)来测量其产率。一般来说，单线态氧的产率越高，自清洁能力越强。采用ABDA检测单线态氧的原理为：ABDA可以被380nm波长光所激发，其荧光光谱在430nm波长处有一个明显的荧光特征峰，但当ABDA溶液中存在1O2时，ABDA则会被氧化为其内过氧化物而失去荧光性质，具体表现为：荧光光谱上430nm波长处的荧光峰的强度降低。因而，将普通ITO电极、仅沉积还原氧化石墨烯的ITO电极以及实施例1-3制备的电化学生物传感用自清洁电极分别置于ABDA水溶液中，用980nm的近红外线照射电极60min后，根据ABDA水溶液的荧光光谱在430nm处的荧光峰的强度变化，即可计算1O2的产率，结果如表1所示。其中，1O2产率的计算公式为：1O2产率＝(C-C0)/C0，其中，C为近红外线照射电极60min后ABDA的吸光度数值，C0为近红外线照射电极前ABDA的吸光度数值。
表1自清洁能力测试结果
由表1可知，本发明提供的电化学生物传感用自清洁电极在经980nm的近红外线照射后，产生了大量的1O2，且其产率较高，达59％以上，因而，本发明提供的电化学生物传感用自清洁电极利用其产生的1O2等高反应活性的氧自由基，能够有效清除电极表面的污染物。
Claims (10)
1.电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于：包括导电基底，所述导电基底表面依次沉积有还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子；所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子包括上转换纳米颗粒，所述上转换纳米颗粒的外表面依次包覆有致密二氧化硅层和介孔二氧化硅层，所述介孔二氧化硅层的介孔中吸附有光敏剂分子；
所述上转换纳米颗粒为以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒，所述光敏剂分子为三线态光敏剂分子。
2.根据权利要求1所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于：所述致密二氧化硅层的厚度为6-8nm，所述介孔二氧化硅层的厚度为25-30nm。
3.根据权利要求1所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于：所述光敏剂分子为酞菁二氯化钛。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于，所述电化学生物传感用自清洁电极的制备方法为：将所述导电基底置于还原氧化石墨烯溶液中，向所述导电基底施加电压使所述导电基底表面沉积一层还原氧化石墨烯，再将沉积后的导电基底置于所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液中，施加电压使其表面再沉积一层光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子，得到所述电化学生物传感用自清洁电极。
5.根据权利要求4所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于：在所述电化学生物传感用自清洁电极的制备方法中，所述还原氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1.0mg/mL，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的水溶液的浓度为8mg/mL；沉积所述还原氧化石墨烯和光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子时，施加的电压为-1.0V，沉积时间为1000-2000s。
6.根据权利要求1所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于，所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法为：
步骤1：以YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O、ErCl3·6H2O、NaOH和NH4F为反应原料，在氩气气氛下，采用溶剂热法制备得到以NaYF4为基质材料的上转换纳米颗粒；
步骤2：将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到上转换纳米颗粒的环己烷溶液，加入CO-520、氨水和正硅酸四乙酯，将体系密闭，通过正硅酸四乙酯在所述上转换纳米颗粒表面发生水解缩聚反应，制备得到致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒；
步骤3：将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于乙醇与氨水的混合液中，加入正硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷，在密闭条件下反应，将反应后的溶液离心得到沉淀物，煅烧所述沉淀物以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒；
步骤4：将步骤3得到的介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒分散于光敏剂分子的吡啶溶液中，使所述介孔二氧化硅包覆的上转换纳米颗粒的介孔中饱和吸附光敏剂分子，得到光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子。
7.根据权利要求6所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤1的具体步骤为：
称取所述YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O和ErCl3·6H2O，在氩气气氛下，加热至160℃去除体系中的水分，冷却至室温后，加入油酸和油胺作为溶剂，将体系加热至150-200℃得到透明均一的溶液1；
称取所述NaOH和NH4F，溶解于甲醇中，得到溶液2；
将所述溶液2快速加入所述溶液1中，搅拌均匀，将体系加热至100℃去除体系中的甲醇，再将体系快速加热至300℃，反应60-90min，冷却至室温；
向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物1，用乙醇和甲醇的混合液清洗所述产物1，得到所述上转换纳米颗粒。
8.根据权利要求6所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤2的具体步骤为：
将步骤1得到的上转换纳米颗粒溶解于环己烷中，得到上转换纳米颗粒的环己烷溶液，将CO-520与所述上转换纳米颗粒的环己烷溶液混合均匀，再次加入CO-520，并加入氨水，将体系密闭后超声溶解，直至溶液变澄清；其中，CO-520的再次加入量为初次加入量的4倍；
向体系中加入正硅酸四乙酯，将体系密闭，在常温下搅拌反应2天；
向反应后的溶液中加入丙酮以沉淀产物2，用乙醇和水的混合液清洗所述产物2，得到所述致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。
9.根据权利要求6所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于，在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，所述步骤3的具体步骤为：
将步骤2得到的致密二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒溶解于乙醇与氨水的混合液中，加入正硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷，将体系密闭超声溶解5-10min，在常温下搅拌反应6h；
将反应后的溶液以3500g/min的离心力离心，得到沉淀物，用乙醇和水的混合液清洗所述沉淀物，将所述沉淀物烘干，在500℃下煅烧5-10h以除去十八烷基三甲氧基硅烷，得到所述介孔二氧化硅层包覆的上转换纳米颗粒。
10.根据权利要求6-9任一项所述的电化学生物传感用自清洁电极，其特征在于：在所述光敏剂-上转换纳米颗粒复合粒子的制备方法中，步骤1中，所述的各反应组分的摩尔份数为：YCl3·6H2O 0.5-1份，YbCl3·6H2O 0.1-2份，ErCl3·6H2O 0.01-0.05份，NaOH 1-5份，NH4F 1-5份；步骤2中，所述上转换纳米颗粒的环己烷溶液的浓度为0.01-0.05mol/L，各反应组分的体积份数为：上转换纳米颗粒的环己烷溶液2-6份，CO-520 0.25-0.5份，氨水0.05-0.1份，正硅酸四乙酯0.01-0.05份；步骤3中加入的正硅酸四乙酯与步骤2中加入的正硅酸四乙酯的体积比为(8-14):(1-5)，步骤3中，各反应组分的体积份数为：正硅酸四乙酯0.08-0.14份，十八烷基三甲氧基硅烷0.01-0.05份，乙醇20份，氨水1份。
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