CN109187680A - 基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及其制备方法 - Google Patents

基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电化学传感器和分子识别技术领域，提供一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及其制备方法，该传感器在电极修饰过程更加简便，且具有良好的稳定性和重现性，采用差分脉冲伏安法对色氨酸对映体可以进行高效选择性识别。用电聚合方法将精氨酸L‑Arg聚合在羧基化碳纳米管表面，再将其置于Cu‑β‑CD溶液中，制备的Cu‑β‑CD/PLA/MWCNTs传感器。采用差分脉冲伏安法对色氨酸对映体进行选择性识别。原料制备简单且易得，电极制备省时、无污染；PLA与Cu‑β‑CD利用Cu‑N配位键结合，发挥协同作用高效识别色氨酸对映体。L/D‑色氨酸的差分脉冲氧化峰电流比可达3.37。

Description

基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及 其制备方法
技术领域
本发明属于电化学传感器和分子识别技术领域，涉及电化学电极材料制备技术，具体涉及一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及其制备方法，采用差分脉冲伏安法(DPV)对色氨酸对映体进行选择性识别。
背景技术
生命系统中包含着大量的生物大分子，大多数都具有对映选择性。手性是自然界的一种普遍现象，如糖类、氨基酸、蛋白质和DNA都是手性分子。手性化合物由于有着相似的物化性质，很难将其区分开来。因此，手性识别在区分手性分子中起至关重要的作用。目前，手性识别的技术主要包括高效液相色谱法、毛细管电泳、荧光微量法和电化学方法，但是存在一定的缺点，例如仪器成本高，分析时间长，特别难以实现原位和在线检测等。电化学传感器因其制备简单、成本低、识别效率高等优点，用来识别手性物质具有很广泛地研究价值。
氨基酸作为组成生命物质的基本单元，不同构型的氨基酸在生物体内发挥着不同作用。例如，人体所需的蛋白质主要是由L-氨基酸参与合成，而D-氨基酸非但不参与人体内蛋白质合成，并可能引起严重的副作用。L-Trp是褪黑素和5-羟色胺的蛋白质和前体的必需成分，可改善睡眠，情绪和精神健康，当人体内的L-Trp含量失调，还会引起多种慢性疾病。目前，L-Trp已经被用于安神药物、食品以及饲料添加剂，而D-Trp属于非蛋白光学活性的氨基酸，是抗癌和免疫药物的重要前驱物质。因此，在生命科学和其他相关领域中，构建一种用于识别手性Trp对映异构体的检测方法变得至关重要。
碳纳米管( MWCNTs )具有较大的表面积，良好的导电性和生物相容性而被广泛地用于电化学研究。此外，碳纳米管复合材料具有优异的导电性和成膜性，已经被广泛应用于手性传感平台的构建。导电聚合物是一种多孔簇纳米结构，它可以扩大电活性面积并提供更多的识别位点以获得更好的识别效果。尤其是精氨酸，其分子带有两个氨基，在电聚合后形成多孔状的导电聚合物，其它氨基酸分子携带的只有一个氨基，所以效果甚微。MWCNTs和精氨酸导电聚合物形成的复合材料不仅对一些生物分子具有优异的电催化能力，而且可以表现出协同作用，提高对生物分子的电化学响应。
超分子化学的发展为手性化合物的鉴别提供了新的途径。环糊精是由七个葡萄糖分子组成的环状多糖，可作为形成超分子结构的理想宿主，已广泛用于从生物环境中选择性提取手性化合物。由于其亲水外表面和疏水内腔，它能够与尺寸合适的分子形成包合物，因此常被用作识别氨基酸对映异构体。因此，以β-环糊精良好的手性选择性与传感器能够简单、快速和精确测定被分析物的优点相结合为切入点，对手性传感器的发展将具有重要的理论和实际研究意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及其制备方法，该传感器在电极修饰过程更加简便，且具有良好的稳定性和重现性，采用差分脉冲伏安法(DPV)对色氨酸对映体可以进行高效选择性识别。
本发明所采用的技术方案是：一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器，所述传感器为用电聚合方法将精氨酸L-Arg聚合在碳纳米管MWCNTs表面，再将其置于铜离子改性环糊精Cu-β-CD溶液中，制备的Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器。
制备所述的基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的方法，步骤如下：
（1）铜离子改性环糊精Cu-β-CD溶液制备：向含有NaOH和β-环糊精β-CD的溶液中加入CuSO4·5H2O溶液，搅拌、过滤后在滤液中加入乙醇，静置24h，过滤，真空干燥2天，得到Cu-β-CD；
（2）MWCNTs/GCE修饰电极制备：将碳纳米管MWCNTs分散在N，N-二甲基甲酰胺DMF中，形成浓度为0.2 mg/mL～1.0 mg/mL均匀的分散液体系；然后将分散液滴在电极GCE表面，在红外灯下干燥，最后用二次水冲洗除去松散吸附的MWCNTs，得到MWCNTs/GCE修饰电极；
（3）PLA/MWCNTs修饰电极制备：将MWCNTs/GCE修饰电极浸泡在pH=6.0～7.0含有0.5 mM～3.0 mM L-Arg的PBS溶液中，循环伏安扫描在-1.6～1.8 V的电位范围内以0.1 V/s进行5～25个循环，聚L-Arg膜将会在电极上电聚合，获得P-L-Arg膜；将所制备的PLA/MWCNTs/GCE用二次水清洗，在空气中干燥，得到PLA/MWCNTs修饰电极；
（4） Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器制备：将处理后的PLA/MWCNTs/GCE修饰电极静置在10～20 ml Cu-β-CD溶液中，在20～30℃下自组装4～28h，得到Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器。
步骤（1）中NaOH的浓度为0.25～0.65 M；β-CD的浓度为0.02～0.04 M；CuSO4·5H2O的浓度为0.03～0.05 M；搅拌速率为150-250 rpm；搅拌时间为12 h；反应温度为20-25℃。
步骤（2）中所述电极为玻碳电极；MWCNTs的浓度为0.2 mg/mL～1.0 mg/mL；红外灯下的干燥时间为5-10 min；反应体系温度为20～30℃。
步骤（3）中反应体系温度为20～30℃；干燥时间为15-30 min。
步骤（4）中Cu-β-CD的浓度为3.0～7.0 mM，pH=3.0～10.0。
所述传感器采用差分脉冲伏安法即DPV法对色氨酸对映体L/D-Trp 进行选择性识别，具体步骤为：将Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器静置在25℃，pH=3.0～10.0浓度为0.01-8.0mM的10～20 ml L/D-Trp溶液中，以0.1V/s的扫速在0.3V～1.0V的电化学窗范围内进行DPV。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/羧基化碳纳米管的手性传感器，该传感器主要是通过将碳纳米管滴涂在玻碳电极表面，进一步采用电聚合方法将精氨酸（L-Arg）聚合在羧基化碳纳米管(MWCNTs)表面，再将其置于铜离子改性环糊精(Cu-β-CD)溶液中来制备传感器，制备方法简单，原料便宜易得、安全无毒，且检测灵敏度高。手性识别时，只需将该传感器浸入到支持电解质配置的氨基酸溶液中一段时间，接着通过电化学检测得到手性识别结果，操作简单，省时，而且具有较高的检测灵敏度。本发明的手性传感器能高效地识别色氨酸异构体，检测温度更加适宜。实验表明，该手性传感器对L/D-Trp的氧化峰电流比值平均可达3.37。
附图说明
图1为本发明制备基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的修饰过程；图2为实施例1中Cu-β-CD/PLA/MWCNTs修饰的玻碳电极的电镜图；图3为实施例1中不同修饰电极的循环伏安图；MWCNTs/GCE；PLA/MWCNTs/GCE；Cu-β-CD/PLA/MWCNTs/GCE；图4为实施例2中不同浓度MWCNTs对识别的影响；图5为实施例3中不同聚合圈数对识别的影响；图6为实施例四中pH对识别的影响；图7为实施例五中自组装时间对识别的影响。
具体实施方式
本发明是以电聚合方法将精氨酸（L-Arg）聚合在碳纳米管(MWCNTs)表面，进一步将其置于铜离子改性环糊精(Cu-β-CD)溶液中来制备传感器。下面通过实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器，所述传感器为用电聚合方法将精氨酸L-Arg聚合在碳纳米管MWCNTs表面，再将其置于铜离子改性环糊精Cu-β-CD溶液中，制备的Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器。制备Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器，具体步骤如下：
（1）配置5mM Cu-β-CD溶液(溶剂为0.1M PBS，pH＝6.5～7.5)。
（2）配制碳纳米管(MWCNTs)分散液（溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)），将分散液滴在电极表面，在红外灯下干燥，最后用二次水冲洗除去松散吸附的MWCNTs，得到MWCNTs修饰电极。
（3）将步骤2制备得到的电极静置在L-Arg溶液中(溶剂为0.1M PBS，pH＝6.0～7.0)，电聚合在电极表面，得到PLA/MWCNTs修饰电极。
（4）将步骤3制备得到的电极静置在步骤1配置的Cu-β-CD溶液中4～28 h，进行自组装，得到Cu-β-CD/PLA/MWCNTs修饰电极。
实施例2：为了考察Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器在不同浓度MWCNTs对Trp对映体识别能力的差异。
因此，分别采用0.2 mg/mL、0.4 mg/mL、0.6 mg/mL、0.8 mg/mL、1.0 mg/mL的MWCNTs修饰电极。其结果见图4，可见当MWCNTs的浓度为0.6 mg/mL时，L/D-色氨酸(L/D-Trp)的氧化峰电流差异达到最大。
实施例3：为了考察Cu-β-CD/PLA/MWCNTs修饰电极在不同聚合圈数对Trp对映体识别能力的差异。
因此，采用聚合5、10、15、20、25圈的L-Arg修饰电极。其结果见图5，可见当L-Arg聚合20圈时，L/D-色氨酸(L/D-Trp)的氧化峰电流差异达到最大。在20圈后，电流差异稍有下降，这可能是由于PLA/MWCNTs对映选择性反应位点基本达到饱和。
实施例4：为了考察Cu-β-CD/PLA/MWCNTs修饰电极在不同pH下对Trp对映体识别能力的差异。
因此，采用不同pH溶解Trp对映体。其结果见图6，从3.0～8.0电流差异显著上升。在8.0处，L/D-色氨酸(L/D-Trp)的氧化峰电流差异达到最大。而在8.0之后，电流差异开始下降，可能是在较低pH范围内，酸度引起Cu-β-CD溶解。另一方面，高碱性缓冲液也不适合对Trp对映体之间的识别。
实施例5：为了考察不同的静置时间下，Cu-β-CD/PLA/MWCNTs修饰电极对Trp对映体识别能力的差异。
因此，分别采用4、8、12、16、20、24、28h的自组装时间，进行Trp对映体的识别，其结果见图7，在静置时间为20h时，L/D-色氨酸(L/D-Trp)的氧化峰电流比值达到最大，可能是Cu-β-CD自组装在电极表面达到饱和，在20h后，基本没有变化，从而实现手性检测。

Claims (7)

1.一种基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器，其特征在于：所述传感器为用电聚合方法将精氨酸L-Arg聚合在碳纳米管MWCNTs表面，再将其置于铜离子改性环糊精Cu-β-CD溶液中，制备的Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器。
2.制备权利要求1所述的基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的方法，其特征在于：步骤如下：
（1）铜离子改性环糊精Cu-β-CD溶液制备：向含有NaOH和β-环糊精β-CD的溶液中加入CuSO4·5H2O溶液，搅拌、过滤后在滤液中加入乙醇，静置24h，过滤，真空干燥2天，得到Cu-β-CD；
（2）MWCNTs/GCE修饰电极制备：将碳纳米管MWCNTs分散在N，N-二甲基甲酰胺DMF中，形成浓度为0.2 mg/mL～1.0 mg/mL均匀的分散液体系；然后将分散液滴在电极GCE表面，在红外灯下干燥，最后用二次水冲洗除去松散吸附的MWCNTs，得到MWCNTs/GCE修饰电极；
（3）PLA/MWCNTs修饰电极制备：将MWCNTs/GCE修饰电极浸泡在pH=6.0～7.0含有0.5 mM～3.0 mM L-Arg的PBS溶液中，循环伏安扫描在-1.6～1.8 V的电位范围内以0.1 V/s进行5～25个循环，聚L-Arg膜将会在电极上电聚合，获得P-L-Arg膜；将所制备的PLA/MWCNTs/GCE用二次水清洗，在空气中干燥，得到PLA/MWCNTs修饰电极；
（4） Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器制备：将处理后的PLA/MWCNTs/GCE修饰电极静置在10～20 ml Cu-β-CD溶液中，在20～30℃下自组装4～28h，得到Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器。
3.根据权利要求2所述的制备基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的方法，其特征在于：步骤（1）中NaOH的浓度为0.25～0.65 M；β-CD的浓度为0.02～0.04M；CuSO4·5H2O的浓度为0.03～0.05 M；搅拌速率为150-250 rpm；搅拌时间为12 h；反应温度为20-25℃。
4.根据权利要求2所述的制备基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的方法，其特征在于：步骤（2）中所述电极为玻碳电极；MWCNTs的浓度为0.2 mg/mL～1.0mg/mL；红外灯下的干燥时间为5-10 min；反应体系温度为20～30℃。
5.根据权利要求2所述的制备基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的方法，其特征在于：步骤（3）中反应体系温度为20～30℃；干燥时间为15-30 min。
6.根据权利要求2所述的制备基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的方法，其特征在于：步骤（4）中Cu-β-CD的浓度为3.0～7.0 mM，pH=3.0～10.0。
7.权利要求1所述的基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器的应用，其特征在于：所述传感器采用差分脉冲伏安法即DPV法对色氨酸对映体L/D-Trp 进行选择性识别，具体步骤为：将Cu-β-CD/PLA/MWCNTs传感器静置在25℃，pH=3.0～10.0浓度为0.01-8.0mM的10～20 ml L/D-Trp溶液中，以0.1V/s的扫速在0.3V～1.0V的电化学窗范围内进行DPV。
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