CN109187693A - 基于纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法 - Google Patents

基于纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF‑8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法。在裸玻碳电极表面滴涂二茂铁和科琴黑掺杂的ZIF‑8纳米复合物，将此修饰电极浸没在氯金酸溶液中，采用循环伏安扫描以电沉积金纳米粒，制备金纳米粒沉积的ZIF‑8纳米复合物。香草醛适体通过Au‑S键连接在金纳米粒上，构建出适体偶联的纳米复合物传感平台。测定不同香草醛浓度下的电化学曲线，拟合香草醛和二茂铁的电流峰强度比率与香草醛浓度间的线性关系，构建香草醛比率电化学适体传感器。与现有技术相比，本发明方法操作简单，成本低，比率信号稳定性好，灵敏度高，可作为一种新颖的比率电化学适体传感器用于香草醛的高效检测。

Description

基于纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的 制备方法
技术领域：
本发明属于纳米复合材料和电化学传感器交叉技术领域，具体涉及一种基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其制备的传感器可用于香草醛的高效检测。
背景技术：
金属有机骨架化合物(MOFs)具有比表面积大，孔隙率高，晶体结构有序，机械稳定性好等优点。由于MOFs的导电性能普遍较差，MOFs在电化学传感中的研究和应用鲜有报道。作为一种类沸石结构的MOFs，ZIF-8具有优异的热和化学稳定性，将其与电活性物质混合制备的复合物，可显著提升ZIF-8的电导率和电化学传感性能。科琴黑是一种由特殊生产工艺制得的炭黑，与普通的导电炭黑相比，科琴黑只需极低的添加量就可获得高导电性。将科琴黑与ZIF-8混合制备的复合物不仅具有大比表面积和高孔隙率，也具有良好的导电性能。
香草醛又名香兰素(英文名Vanillin；化学式C8H8O3)，是香草豆的香味成分，广泛存在于甜菜、香草豆、安息香胶、秘鲁香脂、妥卢香脂等中。香草醛属于白色针状结晶或浅黄色晶体粉末，有浓烈的香气，是一种广泛使用的可食用香料。香草醛广泛用于食品、调味品、化妆品、药品等领域，人体过多摄入香草醛会引起头痛、恶心、呕吐和肾脏损害等问题。因此，对香草醛进行简单、快速、高灵敏和定量检测对人体健康监测具有重要的意义。当前检测香草醛的方法主要包括高效液相色谱法、毛细管电泳法、紫外吸收光谱法、荧光光谱法、表面等离子共振、比色、化学发光、伏安法等。电化学传感分析法具备操作简单，信号响应快，样品用量少，成本低，灵敏度高等优点，可用于香草醛的高效检测。
香草醛的电化学检测已有文献报道，邓培红等设计了四氧化三铁纳米粒子功能化的石墨烯修饰电极，用于香草醛的电化学检测(邓培红,刘晓鹏,贺全国,李俊华.香草醛在四氧化三铁纳米粒子功能化石墨烯修饰电极上的电化学行为及测定.衡阳师范学院学报.2017,3,71–77)；陈立新等报道了离子液体修饰碳糊电极，用于测定食品中的香草醛(陈立新,李心恬,方红,周原.离子液体修饰碳糊电极测定食品中香草醛.现代食品科技.2013,3,629–632)；邓培红等申请了利用电化学方法，基于石墨烯-氧化亚铜复合膜修饰乙炔黑电极，对食品中的香草醛进行检测的发明专利(邓培红,贺全国,曾荣英,张军.检测食品中香草醛的石墨烯-氧化亚铜复合膜修饰乙炔黑电极及检测方法.中国发明专利.公开号CN105973956A)。
在当前检测香草醛的电化学方法中，主要利用电活性物质与香草醛的相互作用，引起电信号强度变化来检测香草醛，这种方法依赖于单一电化学信号输出。单信号检测方法易受背景、试剂、系统和环境条件等因素的影响，从而导致测定结果波动。相比而言，采用双信号比值处理获得信号的强度比率，具备自校准功能，有效消除了自体和背景信号的干扰，提高了检测结果的准确性和可靠性。基于此，本发明设计了一种基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器，这种新型的电化学传感器可用于香草醛的高效检测。截止目前，尚未有采用比率电化学适体传感方法检测香草醛，以及基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的比率电化学适体传感器的国内外文献和专利的报道。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，设计一种方法简单、成本低廉、灵敏度高的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法。
为了实现上述目的，本发明涉及的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备工艺包括以下步骤：
1.基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)将2-甲基咪唑Hmim溶于乙醇，加入二茂铁和科琴黑，充分搅拌形成均质混合液，再加入硝酸锌，搅拌均匀后转入高压反应釜中，在设定的温度下连续反应一段时间，反应产物经离心分离，乙醇洗涤，真空干燥处理，最后制得负载了二茂铁和科琴黑的ZIF-8纳米复合物；
(2)在抛光打磨处理后的裸玻碳电极表面滴加交联剂Nafion，然后滴涂ZIF-8纳米复合物，形成该复合物修饰的玻碳电极，将此电极浸没在缓冲液电解质溶液中，向其中加入氯金酸，在设定的电位区间进行循环伏安扫描，实现一步电沉积原位生成金纳米粒，制备金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物；
(3)在金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物表面，滴加终端为巯基的香草醛适体DNA，在4℃下孵化一段时间，制得适体改性的金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极；
(4)采用步骤(3)制备的修饰电极作为工作电极，测定不同香草醛浓度下的电化学方波伏安曲线，分别以二茂铁和香草醛的电流峰强度为参比信号和响应信号，拟合两个电流峰强度比率(I响应信号强度/I参比信号强度)与香草醛摩尔浓度之间的线性关系，构建出用于香草醛检测的比率电化学适体传感器。
步骤(1)中所述的反应温度为50～150℃，反应时间3～12h，Hmim/二茂铁/科琴黑/硝酸锌的质量浓度比为(100～200):(100～500):(1～10):(50～100)；
步骤(2)中所述的Nafion用量为1～10微升，ZIF-8纳米复合物质量浓度为1～10毫克/毫升，氯金酸浓度为0.1～1微摩尔/升，循环伏安扫描电位区间为–0.1～1.5V，扫描速率为10～100mVs–1，扫描数为5～30圈；
步骤(3)中所述的香草醛适体浓度为1～10微摩尔/升，孵化时间12～48h；
步骤(4)中所述的香草醛浓度的线性检测范围为0.01～500微摩尔/升，检测极限为1～10纳摩尔/升。
本发明的效果是：在裸玻碳电极表面滴涂二茂铁和科琴黑掺杂的ZIF-8纳米复合物，将此修饰电极作为工作电极浸没在氯金酸溶液中，采用循环伏安扫描以电沉积金纳米粒，制备金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极。香草醛适体通过Au-S键连接在金纳米粒上，构建出适体偶联的ZIF-8纳米复合物传感平台。测定不同香草醛浓度下，香草醛和二茂铁的电流峰强度比率，拟合不同比率值与对应香草醛浓度之间的线性关系，构建出用于检测香草醛的比率电化学适体传感器。与现有技术相比，本发明方法操作简单，成本低，原料易得，产品的电化学活性高，比率信号抗干扰能力强，灵敏度高和准确性好，可发展成为一种新颖的比率电化学适体传感器用于香草醛的高效检测。
附图说明：
图1为本发明涉及的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备与香草醛检测的原理示意图；
图2(a)为使用本发明比率电化学适体传感器测定的不同香草醛浓度存在下对应的电化学方波伏安曲线；
图2(b)为不同香草醛浓度存在下，对应香草醛和二茂铁的氧化电流峰强度比率，拟合不同比率值与香草醛浓度之间的线性关系。
具体实施方式：
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
为本发明涉及的一种基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备与香草醛比率电化学检测，其制备工艺与原理示意图如图1所示，具体工艺步骤为：
将2-甲基咪唑Hmim溶于乙醇，加入二茂铁和科琴黑，充分搅拌至均质混合液，加入硝酸锌，搅拌均匀后转入高压反应釜中，其中Hmim/二茂铁/科琴黑/硝酸锌的质量浓度比为130:200:1:60。在90℃下连续反应6h，反应产物经离心，乙醇洗涤，真空干燥，制得负载了二茂铁和科琴黑的ZIF-8纳米复合物。
在抛光打磨处理后的裸玻碳电极表面滴加交联剂Nafion 2微升，然后滴涂浓度为2毫克/毫升的ZIF-8纳米复合物，形成该复合物修饰的玻碳电极，将此电极浸没在缓冲液电解质溶液中，向其中加入氯金酸，调节浓度为0.2微摩尔/升。在–0.1～0.7V的电位区间，内采用循环伏安扫描10圈，扫描速率为20mVs–1，一步电沉积原位生成金纳米粒，制备金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物。
在金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物表面，滴加终端为巯基的香草醛适体DNA，其浓度为2微摩尔/升，在4℃下孵化12h，制得适体改性的金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极。将此修饰电极作为工作电极，测定不同香草醛浓度下的电化学方波伏安曲线，分别以二茂铁和香草醛的电流峰强度为参比信号和响应信号，拟合两个电流峰强度比率(I响应信号强度/I参比信号强度)与香草醛摩尔浓度之间的线性关系，构建出用于检测香草醛的比率电化学适体传感器。如图2所示，香草醛浓度的线性检测范围为0.01～200微摩尔/升，检测限为3纳摩尔/升。
实施例2：
本实施例中基于纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备与香草醛比率电化学检测，其制备工艺与原理示意图同实施例1，具体工艺步骤为：
将2-甲基咪唑Hmim溶于乙醇，加入二茂铁和科琴黑，充分搅拌至均质混合液，加入硝酸锌，搅拌均匀后转入高压反应釜中，其中Hmim/二茂铁/科琴黑/硝酸锌的质量浓度比为150:300:2:80。在120℃下连续反应12h，反应产物经离心，乙醇洗涤，真空干燥，制得负载了二茂铁和科琴黑的ZIF-8纳米复合物。
在抛光打磨处理后的裸玻碳电极表面滴加交联剂Nafion 5微升，然后滴涂浓度为5毫克/毫升的ZIF-8纳米复合物，形成该复合物修饰的玻碳电极，将此电极浸没在缓冲液电解质溶液中，向其中加入氯金酸，调节浓度为0.5微摩尔/升。在–0.2～1.0V的电位区间，内采用循环伏安扫描20圈，扫描速率为40mVs–1，一步电沉积原位生成金纳米粒，制备金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物。
在金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物表面，滴加终端为巯基的香草醛适体DNA，其浓度为4微摩尔/升，在4℃下孵化24h，制得适体改性的金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极。将此修饰电极作为工作电极，测定不同香草醛浓度下的电化学方波伏安曲线，分别以二茂铁和香草醛的电流峰强度为参比信号和响应信号，拟合两个电流峰强度比率(I响应信号强度/I参比信号强度)与香草醛摩尔浓度之间的线性关系，构建出用于检测香草醛的比率电化学适体传感器。香草醛浓度的线性检测范围为0.05～300微摩尔/升，检测限为5纳摩尔/升。
实施例3：
本实施例中基于纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备与香草醛比率电化学检测，其制备工艺与原理示意图同实施例1，具体工艺步骤为：
将2-甲基咪唑Hmim溶于乙醇，加入二茂铁和科琴黑，充分搅拌至均质混合液，加入硝酸锌，搅拌均匀后转入高压反应釜中，其中Hmim/二茂铁/科琴黑/硝酸锌的质量浓度比为200:400:3:100。在150℃下连续反应8h，反应产物经离心，乙醇洗涤，真空干燥，制得负载了二茂铁和科琴黑的ZIF-8纳米复合物。
在抛光打磨处理后的裸玻碳电极表面滴加交联剂Nafion 8微升，然后滴涂浓度为6毫克/毫升的ZIF-8纳米复合物，形成该复合物修饰的玻碳电极，将此电极浸没在缓冲液电解质溶液中，向其中加入氯金酸，调节浓度为0.8微摩尔/升。在–0.5～1.5V的电位区间，内采用循环伏安扫描30圈，扫描速率为50mVs–1，一步电沉积原位生成金纳米粒，制备金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物。
在金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物表面，滴加终端为巯基的香草醛适体DNA，其浓度为5微摩尔/升，在4℃下孵化36h，制得适体改性的金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极。将此修饰电极作为工作电极，测定不同香草醛浓度下的电化学方波伏安曲线，分别以二茂铁和香草醛的电流峰强度为参比信号和响应信号，拟合两个电流峰强度比率(I响应信号强度/I参比信号强度)与香草醛摩尔浓度之间的线性关系，构建出用于检测香草醛的比率电化学适体传感器。香草醛浓度的线性检测范围为0.1～500微摩尔/升，检测限为10纳摩尔/升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)将2-甲基咪唑Hmim溶于乙醇，加入二茂铁和科琴黑，充分搅拌形成均质混合液，再加入硝酸锌，搅拌均匀后转入高压反应釜中，在设定的温度下连续反应一段时间，反应产物经离心分离，乙醇洗涤，真空干燥处理，最后制得负载了二茂铁和科琴黑的ZIF-8纳米复合物；
(2)在抛光打磨处理后的裸玻碳电极表面滴加交联剂Nafion，然后滴涂ZIF-8纳米复合物，形成该复合物修饰的玻碳电极，将此电极浸没在缓冲液电解质溶液中，向其中加入氯金酸，在设定的电位区间进行循环伏安扫描，实现一步电沉积原位生成金纳米粒，制备金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物；
(3)在金纳米粒沉积的ZIF-8纳米复合物表面，滴加终端为巯基的香草醛适体DNA，在4℃下孵化一段时间，制得适体改性的金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极；
(4)采用步骤(3)制备的修饰电极作为工作电极，测定不同香草醛浓度下的电化学方波伏安曲线，分别以二茂铁和香草醛的电流峰强度为参比信号和响应信号，拟合两个电流峰强度比率(I响应信号强度/I参比信号强度)与香草醛摩尔浓度之间的线性关系，构建出用于香草醛检测的比率电化学适体传感器。
2.根据权利要求1所述的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的反应温度为50～150℃，反应时间3～12h，Hmim/二茂铁/科琴黑/硝酸锌的质量浓度比为(100～200):(100～500):(1～10):(50～100)。
3.根据权利要求1所述的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的Nafion用量为1～10微升，ZIF-8纳米复合物质量浓度为1～10毫克/毫升，氯金酸浓度为0.1～1微摩尔/升，循环伏安扫描电位区间为–0.1～1.5V，扫描速率为10～100mVs–1，扫描数为5～30圈。
4.根据权利要求1所述的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的香草醛适体浓度为1～10微摩尔/升，孵化时间12～48h。
5.根据权利要求1所述的基于适体/金纳米粒/二茂铁/科琴黑/ZIF-8纳米复合物修饰电极的香草醛比率电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的香草醛浓度的线性检测范围为0.01～500微摩尔/升，检测极限为1～10纳摩尔/升。
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