CN109387555B - 一种膜电极及其制备方法和用途 - Google Patents

一种膜电极及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种膜电极及其制备方法和用途。该电极以铜电极为基底，依次覆盖有L‑半胱氨酸层(L‑Cys)、天冬酰胺层(Asn)、辣根过氧化物酶层(HRP)。本发明的自组装膜致密性好，并且制得的Cu/L‑Cys/Asn/HRP自组装膜电极对邻苯二酚、对苯二酚有显著的电催化作用。

Description

一种膜电极及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种膜电极及其制备方法和用途，更具体地，涉及一种自组装Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极及其制备方法和用途。
背景技术
自组装单分子膜(SAMs)已逐渐发展成为一种新型的有机超薄膜技术。单层膜的生成是将金属浸入活性分子溶液中，通过化学键相互作用形成有序分子组装体系，SAMs的制备方法简单且稳定性高。
辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase，HRP)是一种含有铁卟啉且具有键和作用的物质，其分子量约为44000。辣根过氧化物酶在室温下非常稳定，容易制备，价格低廉，是一种应用广泛的酶。HRP可以从常年生香草辣根中提取，HRP上有2个底物结合位点，因此具有广泛的用途，其不仅在食品、环境和医学检测等领域发挥着重要作用，还可用于工业废水中酚的去除。HRP自组装电极制备的关键是如何把酶固定化形成感应膜。目前研究较广泛的是金电极，银电极，铂电极，但对铜电极的研究还少有人报道。金属铜在地壳中储量大，价格相对便宜，用其作为自组装电极进行膜的自组装过程简单、无毒、安全，这对研究第三代生物传感器具有重要价值和实际意义。
L-半胱氨酸(L-Cys)是唯一含有巯基(-SH)的天然氨基酸，生物兼容性和化学活性较好，能够自组装到铜电极表面。因而对它在铜电极表面的自组装和电化学特性研究具有重要意义。
邻苯二酚、对苯二酚可作为有机化工原料用于农药及染料工业生产中。但是工业废水中的这些物质均有毒、易致癌，已经对我国的生态环境及人民身体健康造成了威胁。因此，为了保护水资源和生态环境，对工业废水进行净化处理已经迫在眉睫。
目前采用酶催化法进行工业废水中酚的紫外可见分光光度法等研究已有文献报道，但是水溶性方法存在分离困难等缺点。通过自组装膜电极在铜电极表面自组装辣根过氧化物酶能够克服上述缺点。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种自组装Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极及其制备方法和用途。
其中，天冬酰胺(Asn)的分子式为C4H8N2O3，分子量为132.12，是白色结晶或白色结晶性粉末。
L-半胱氨酸可与Cu形成Cu-S化学键，使得Cu/L-半胱氨酸自组装膜很稳定。L-半胱氨酸端基的羧基可与天冬酰胺的氨基形成肽键，进一步增加了薄膜的厚度，形成Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺双层膜，而辣根过氧化物酶也有氨基酸残基与天冬酰胺通过分子间相互作用形成肽键，可制得Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺/辣根过氧化物酶三层自组装膜电极。
因此，本发明的一个目的是提供一种自组装三层膜电极。本发明的另一个目的是提供上述自组装三层膜电极的制备方法。本发明的又一个目的是提供上述自组装三层膜电极的用途。
本发明的上述目的是采用如下技术方案来实现的。
一方面，本发明提供一种膜电极(Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺/辣根过氧化物酶，Cu/L-Cys/Asn/HRP)，该电极以铜电极为基底，依次覆盖有L-半胱氨酸层(L-Cys)、天冬酰胺层(Ash)、辣根过氧化物酶层(HRP)。
另一方面，本发明提供一种上述膜电极的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)铜电极的预处理
将铜电极打磨至光亮后，以蒸馏水清洗，在酸中浸泡，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，得到预处理后的铜电极；
(2)Cu/L-半胱氨酸自组装膜电极(Cu/L-Cys)的制备
将步骤(1)制备得到的预处理后的铜电极放入1x10-6mol/L-1x10-2mol/L，pH为3-11的L-半胱氨酸溶液(溶剂为水)中浸泡30秒-27小时，即得Cu/L-半胱氨酸自组装膜电极；
(3)Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺自组装膜电极(Cu/L-Cys/Asn)的制备
将步骤(2)制备得到的Cu/L-半胱氨酸自组装膜电极，清洗，晾干，放入1x10-6mol/L-1x10-3mol/L，pH为3-11的天冬酰胺溶液(溶剂为水)中浸泡1-24小时，即得Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺自组装膜电极；
(4)Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺/辣根过氧化物酶自组装膜电极(Cu/L-Cys/Asn/HRP)的制备
将步骤(3)制备得到的Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺自组装膜电极，放入浓度为10-30mg/L，pH为3-10的辣根过氧化物酶的溶液(溶剂为水)中浸泡1-10小时，即得Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺/辣根过氧化物酶自组装膜电极。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(1)中，所述酸为无机酸，选自盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸，更优选为硝酸。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(1)中，在所述酸中浸泡的时间为5-15秒，优选为10秒。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(2)中，所述L-半胱氨酸溶液的浓度为1×10- 3mol/L。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(2)中，在所述L-半胱氨酸溶液中浸泡的时间为0.5-24小时，更优选为3小时。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(2)中，所述L-半胱氨酸溶液的pH值为7。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(3)中，所述天冬酰胺溶液的浓度为1x10-6mol/L-1x10-4mol/L，更优选为1.0x10-4mol/L。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(3)中，在所述天冬酰胺溶液中浸泡的时间为12-24小时，更优选为17小时。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(3)中，所述天冬酰胺溶液的pH值为7。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(4)中，所述辣根过氧化物酶的溶液浓度为15mg/L。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(4)中，所述辣根过氧化物酶溶液的pH值为7。
优选地，在上述制备方法中，在步骤(4)中，在所述辣根过氧化物酶溶液中浸泡的时间为1-5小时，更优选为1小时。
又一方面，本发明提供一种上述自组装三层膜电极在邻苯二酚和对苯二酚电催化降解中的用途。
优选地，应用时，使用pH为7的PBS缓冲溶液作为底液。
优选地，应用上述自组装三层膜电极电催化降解邻苯二酚时，所述邻苯二酚为溶液形式，其浓度为1x10-7mol/L-1x10-3mol/L，优选为1x10-3mol/L；pH为5-10，优选为5。
优选地，应用上述自组装三层膜电极电催化降解对苯二酚时，所述对苯二酚为溶液形式，其浓度为1x10-7mol/L-1x10-3mol/L，优选为1x10-4mol/L；pH为5-10，优选为5。
与现有技术相比较，本发明具有以下优异的技术效果。
本发明的自组装膜致密性好，并且制得的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对邻苯二酚和对苯二酚具有显著的电催化作用。
附图说明
图1为不同浓度的Asn组装Cu/L-Cys/Asn膜电极的循环伏安图(CV)，其中，a的浓度为1×10-3mol/L，b的浓度为1×10-4mol/L，c的浓度为1×10-5mol/L，d的浓度为1×10-6mol/L；
图2为在Asn中自组装不同时间制备Cu/L-Cys/Asn膜电极的循环伏安图(CV)，其中，a为1小时，b为3小时，c为6小时，d为12小时，e为17小时，f为24小时；
图3为在HRP中自组装不同时间制备Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极的循环伏安图(CV)，其中，a为1小时，b为2小时，c为3小时，d为5小时，e为10小时；
图4为不同HRP浓度制备Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极的循环伏安图(CV)，其中，a为60mg/L，b为30mg/L，c为15mg/L，d为10mg/L，e为0.6mg/L；
图5为不同层自组装膜在pH＝7的缓冲溶液中的循环伏安图(CV)，其中，a为裸铜，b为Cu/L-Cys，c为Cu/L-Cys/Asn，d为Cu/L-Cys/Asn/HRP；
图6为Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装三层膜电极电催化邻苯二酚、对苯二酚的循环伏安图(CV)，其中，a为Cu/L-Cys/Asn/HRP，b为Cu/L-Cys/Asn/HRP电催化降解对苯二酚，c为Cu/L-Cys/Asn电催化降解邻苯二酚；
图7为Cu/L-Cys膜电极电催化对苯二酚的循环伏安图(CV)，其中，a为Cu/L-Cys，b为Cu/L-Cys电催化对苯二酚；
图8为Cu/L-Cys/Asn膜电极电催化对苯二酚的循环伏安图(CV)，其中，a为Cu/L-Cys/Asn，b为Cu/L-Cys/Asn电催化对苯二酚；
图9为Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化降解不同pH对苯二酚的循环伏安图(CV)，其中，a为pH为5的对苯二酚，b为pH为7的对苯二酚，c为pH为8.3的对苯二酚，d为pH为9.49的对苯二酚，e为Cu/L-Cys/Asn/HRP；
图10为Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极电催化降解不同浓度的对苯二酚的循环伏安图(CV)，其中，a的浓度为1×10-3mol/L，b的浓度为1×10-4mol/L，c的浓度为1×10-5mol/L，d的浓度为1×10-6mol/L，e的浓度为1×10-7mol/L；
图11为裸铜电极(Cu)和Cu/L-Cys/Ala/HRP、Cu/L-Cys//Val/HRP、Cu/L-Cys/Leu/HRP、Cu/L-Cys/Gly/HRP的循环伏安图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
以下实施例使用的试剂及电化学仪器如下：
1、试剂
K2HPO4(分析纯，西陇化工股份有限公司)，NaH2PO4(分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司)，配成0.025mol/L(pH＝7)的缓冲溶液；L-半胱氨酸(纯度≥99.0％，天津市光复精细化工研究所)，用水配制成1×10-3mol/L溶液；天冬酰胺(纯度≥99.0％，南京奥多福尼生物科技有限公司)用水配置成1×10-4mol/L溶液；邻苯二酚(纯度≥99.0％，军事医学科学院)，对苯二酚(纯度≥99.0％，天津市化学试剂一厂)，辣根过氧化酶(HRP)等电点为7.2(RZ＞3)；无水乙醇；实验用水均为三次去离子水；其他试剂均为分析纯。
2、仪器
电化学工作站(CHI660B，上海辰华仪器有限公司)；三电极体系：Cu电极(铜电极用纯度为99％紫铜棒制成，环氧树脂密封，砂纸打磨至光亮)为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为对电极；电子天平；pH酸度计；水砂纸(500#、2000#号)。
以下实施例中使用CHI660B电化学工作站，在-0.8～0.6V间，扫描速率为0.01V/s。所有电化学测试均在三室电解池中，室温条件下进行。文中的电位均指相对于饱和甘汞电极(SCE)的电位。
实施例1Cu/L-Cys自组装膜修饰铜电极的制备
将铜电极依次在500#、2000#水砂纸上打磨至光亮，用蒸馏水冲洗，在6mol/L HNO3溶液中浸泡10秒，再依次尽可能快地在无水乙醇和去离子水中浸洗2次，立即将电极放入1×10-3mol/L L-Cys溶液(溶剂为水，滴入2滴pH＝7的缓冲溶液)中自组装一定时间(3h)，即制得Cu/L-Cys自组装膜修饰铜电极。
实施例2Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极的制备
将铜电极依次在500#、2000#水砂纸上打磨至光亮，用蒸馏水冲洗，在6mol/L HNO3溶液中浸泡10秒，再依次尽可能快地在无水乙醇和去离子水中浸洗2次，立即将电极放入1×10-3mol/L L-Cys溶液(溶剂为水，滴入2滴pH＝7的缓冲溶液)中自组装3h，即制得Cu/L-Cys自组装膜修饰铜电极。
将制得Cu/L-Cys自组装膜修饰铜电极取出用蒸馏水冲洗，再将电极放入浓度为1.0×10-4mol/L的Asn溶液(溶剂为水，滴入2滴pH＝7的缓冲溶液)中自组装17h，即制得Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极。
实施例3Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜修饰铜电极的制备
用水砂纸将铜电极打磨好，在6mol/L HNO3溶液中浸泡10秒，再依次尽可能快地在无水乙醇和去离子水中浸洗2次，立即将电极放入1×10-3mol/L L-Cys溶液(溶剂为水，滴入2滴pH＝7的缓冲溶液)中自组装3h，再将自组装膜修饰铜电极取出用蒸馏水冲洗，放入浓度为1.0×10-4mol/L的Asn溶液(溶剂为水，滴入2滴pH＝7的缓冲溶液)中自组装17h，然后放入浓度为0.0108g/L的HRP溶液(溶剂为水，滴入2滴pH＝7的缓冲溶液)中进行自组装1h，即制得Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜修饰铜电极。
实施例4不同Asn浓度对制备Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极的电化学行为的影响
根据实施例2的方法制备本发明的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极，其中采用了不同浓度的Asn溶液，其余条件与实施例2相同，Asn溶液的浓度分别为1.0×10-3mol/L，1.0×10-4mol/L，1.0×10-5mol/L和1.0×10-6mol/L。将在不同浓度下制备的Cu/L-Cys/Asn膜电极分别放入pH＝7的PBS缓冲溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。记录在不同Asn浓度下组装的Cu/L-Cys/Asn膜电极在PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)。
图1是将Cu/L-Cys自组装膜电极(L-Cys浓度为1.0×10-3mol/L，自组装时间为3h)置于不同浓度Asn溶液中(a-1.0×10-3mol/L，b-1.0×10-4mol/L，c-1.0×10-5mol/L，d-1.0×10-6mol/L)自组装17h制备的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极，分别在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安图(CV)。比较在不同Asn浓度下组装的Cu/L-Cys/Asn膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)，研究Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极制备时Asn的最佳组装浓度。
由图1可知，当Asn溶液的浓度为1.0×10-4mol/L时，Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极氧化峰电流降到最低，说明自组装制得的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极最致密。其他浓度的峰电流相对较高，因而形成的膜致密度偏低。
实施例5不同Asn自组装时间对制备Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极的电化学行为的影响
根据实施例2的方法制备本发明的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极，其中在Asn溶液中采用了不同的自组装时间，其余条件与实施例2相同，在Asn溶液中的自组装时间分别为1h，3h，6h，12h，17h，24h。将在不同自组装时间下制备的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极放入pH＝7的PBS缓冲溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。分别记录在不同组装时间下组装的Cu/L-Cys/Asn膜电极在PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)。
图2是将Cu/L-Cys自组装膜电极(L-Cys浓度为1.0×10-3mol/L，自组装时间为3h)置于浓度为1.0×10-4mol/L的Asn溶液中自组装1h，3h，6h，12h，17h，24h进行自组装制得的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安图(CV)。比较在最佳Asn组装浓度时不同Asn组装时间下的Cu/L-Cys/Asn膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)，研究Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极制备时Asn的最佳组装时间。
从图2可知，当自组装时间为17h时，Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极氧化峰电流降到最低，说明自组装制得的Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极最致密。其他时间的峰电流相对较高，因而形成的膜致密度偏低。
实施例6不同HRP自组装时间对制备Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极的电化学行为的影响
根据实施例3的方法制备本发明的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极，其中在HRP溶液中采用了不同的自组装时间，其余条件与实施例3相同，自组装时间分别为1h、2h、3h、5h、10h。将在不同自组装时间下制备的Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极放入pH＝7的PBS缓冲溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。记录在不同组装时间下组装的Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极在PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)
图3是将Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极(L-Cys浓度为1.0×10-3mol/L，自组装时间为3h，Asn浓度为1.0×10-4mol/L，自组装时间为17h)置于浓度为15mg/L的HRP溶液中自组装1h，2h，3h，5h，10h进行自组装制得的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安图(CV)。比较在不同HRP浓度下组装的Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)，研究Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极制备时HRP的最佳组装时间。
从图3可知，当自组装时间为1h和3h时，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极氧化峰电流降到最低，说明自组装制得的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极都致密。
实施例7不同HRP浓度对制备Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极的电化学行为的影响
根据实施例3的方法制备本发明的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极，其中在HRP溶液中采用了不同的浓度，HRP自组装时间采用10小时，其余条件与实施例3相同，HRP浓度分别为60mg/L，30mg/L，15mg/L，10mg/L，0.6mg/L。将在不同HRP浓度制备的Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极放入pH＝7的PBS缓冲溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。记录在不同HRP浓度制备的Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极在PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)
图4是将Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极(L-Cys浓度为1.0×10-3mol/L，自组装时间为3h，Asn浓度为1.0×10-4mol/L，自组装时间为17h)分别置于浓度为60mg/L，30mg/L，15mg/L，10mg/L，0.6mg/L的HRP溶液中制得的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安图(CV)。比较在不同HRP浓度下组装的Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)，研究Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极制备时HRP的最佳浓度。
从图4可知，当HRP浓度为10-30mg/L时，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极氧化峰电流低，其中15mg/L降到最低，说明此HRP浓度范围自组装制得的Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极致密。
实施例8Cu、Cu/L-Cys、Cu/L-Cys/Asn、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极的电化学行为
分别测定Cu(裸铜)、Cu/L-Cys(由实施例1制备)、Cu/L-Cys/Asn(由实施例2制备)、Cu/L-Cys/Asn/HRP(由实施例3制备)自组装膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)(图5)。通过研究裸铜、Cu/L-Cys、Cu/L-Cys/Asn、Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)，比较不同层自组装膜电极的效果。
从图5可知，Cu电极表现出明显的氧化电流峰和明显的还原电流峰，随着薄膜厚度的增加，溶液中电子扩散到电极表面的速率减缓，从而使Cu/L-Cys、Cu/L-Cys/Asn、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对应的氧化还原峰进一步降低，HRP组装到电极上，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极氧化还原峰降至最低，即Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极的致密性最强。
实施例9Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化邻苯二酚、对苯二酚
将Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极(由实施例3制备)插入用PH＝7的PBS缓冲溶液配成的浓度为1.0×10-3mol/L的邻苯二酚、对苯二酚溶液和缓冲溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。记录在缓冲溶液、邻苯二酚、对苯二酚溶液中的循环伏安曲线(CV)。研究Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极对邻苯二酚、对苯二酚的催化效果。
图6是Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极在用pH＝7的PBS缓冲溶液中配成的浓度均为1.0×10-3mol/L的邻苯二酚、对苯二酚溶液以及缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)。
从图6中可知，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对邻苯二酚的电催化氧化峰电流(曲线b)比Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极在pH＝7的PBS缓冲溶液中的氧化峰电流(曲线a)大，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对对苯二酚的电催化氧化峰电流(曲线c)比Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极对邻苯二酚的电催化氧化峰电流(曲线b)大，结果表明，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对邻苯二酚，对苯二酚均有催化作用，而Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对对苯二酚的电催化效果更好。
实施例10Cu/L-Cys、Cu/L-Cys/Asn、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化对苯二酚
将Cu/L-Cys自组装膜电极(由实施例1制备)、Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极(由实施例2制备)、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极(由实施例3制备)插入用pH＝7的PBS缓冲溶液配成的浓度为1.0×10-3mol/L的对苯二酚溶液及缓冲溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。分别记录Cu/L-Cys自组装膜电极、Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极在对苯二酚溶液及缓冲溶液中的循环伏安曲线(CV)。研究Cu/L-Cys自组装膜电极、Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对对苯二酚的催化效果。
图7、图8和图6示出了Cu/L-Cys自组装膜电极、Cu/L-Cys/Asn自组装膜电极、Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化对苯二酚溶液(pH＝7)的循环伏安图(CV)。
下表列出了Cu/L-Cys、Cu/L-Cys/Asn、Cu/L-Cys/Asn/HRP电催化对苯二酚的电流与各自自组装膜电极的电流之间的差值
表1
Figure BDA0001372796930000111
从图7中可以看出，Cu/L-Cys自组装膜电极对对苯二酚有电催化作用，但不显著。
从图8可知，Cu/L-Cys/Asn对对苯二酚有显著的电催化作用。
从图6可知，Cu/L-Cys/Asn/HRP对对苯二酚有显著的电催化作用。
从图6-8以及表1的内容可以得出，Cu/L-Cys膜电极、Cu/L-Cys/Asn膜电极、Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极对对苯二酚溶液均有电催化作用，且ΔI(Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极)＞ΔI(Cu/L-Cys/Asn膜电极)＞ΔI(Cu/L-Cys膜电极)，可以得出Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极电催化对苯二酚效果最好。
实施例11不同pH的对苯二酚溶液对Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化对苯二酚的影响
采用氢氧化钠溶液和磷酸溶液调节，将pH＝7的PBS缓冲溶液配制成pH＝5，pH＝8.3，pH＝9.49的缓冲溶液(用pH酸度计进行测定)，加入对苯二酚配成pH＝7，pH＝5，pH＝8.3，pH＝9.49的浓度为1.0×10-3mol/L的对苯二酚溶液。将Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极(由实施例3制备)分别插入pH＝7，pH＝5，pH＝8.3，pH＝9.49的对苯二酚溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。分别记录在不同pH对苯二酚溶液中的循环伏安曲线(CV)。研究Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极对不同pH对苯二酚溶液的催化效果。
图9为Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化pH＝5，pH＝7，pH＝8.3，pH＝9.49的对苯二酚溶液(1.0×10-3mol/L)的循环伏安图(CV)
从图9中可知，在各个pH条件下，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜对对苯二酚溶液都有电催化作用，当pH＝5时，Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极对对苯二酚的氧化峰电流值最大，即在pH＝5时Cu/L-Cys/Asn/HRP膜对对苯二酚的电催化效果最好。
实施例12不同浓度对苯二酚溶液对Cu/L-Cys/Asn/HRP膜电极电催化对苯二酚的影响
取25mL 1.0×10-3mol/L对苯二酚溶液于250mL容量瓶中，用pH＝5的磷酸缓冲溶液稀释至刻度线，配制成浓度为1.0×10-4mol/L的溶液，重复上述操作，依次配制成浓度为1.0×10-5mol/L，1.0×10-6mol/L，1.0×10-7mol/L的对苯二酚溶液。将Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极(由实施例3制备)分别插入浓度为1.0×10-3mol/L，1.0×10-4mol/L，1.0×10- 5mol/L，1.O×10-6mol/L，1.0×10-7mol/L的对苯二酚溶液中作为工作电极，与Pt电极、SCE组成三电极测量体系。分别记录在不同浓度对苯二酚溶液中的循环伏安曲线(CV)，研究Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对不同浓度对苯二酚溶液的催化效果。
图10为Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极电催化浓度为1.0×10-3mol/L，1.0×10- 4mol/L，1.0×10-5mol/L，1.0×10-6mol/L，1.0×10-7mol/L的对苯二酚溶液(pH＝5)的循环伏安曲线(CV)。
从图10中可知，当对苯二酚浓度为1.0×10-4mol/L时，氧化峰电流达到最大，即对苯二酚浓度为1.0×10-4mol/L时，Cu/L-Cys/Asn/HRP自组装膜电极对对苯二酚的电催化解效果最好。
实施例13采用不同的氨基酸自组装形成的膜电极
为了构建生物分子三层膜，发明人还在Cu/L-Cys上试验了丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、甘氨酸(Gly)。其制备方法与实施例1-3相同，区别仅在于使用的氨基酸种类不同。形成的循环伏安图如图11所示。
从图11可以看出，使用丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)和甘氨酸(Gly)的氧化还原峰电流没有明显下降，说明没有构成致密的自组装三层膜。而使用天冬酰胺(Asn)的氧化还原峰电流明显下降(见图5)，说明可以构成致密的自组装三层膜。
上述实施例用于解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种膜电极，该电极以铜电极为基底，依次覆盖有L-半胱氨酸层(L-Cys)、天冬酰胺层(Asn)和辣根过氧化物酶层(HRP)；
其中，所述膜电极采用如下方法制备：
(1)铜电极的预处理
将铜电极打磨至光亮后，以蒸馏水清洗，在硝酸中浸泡10秒，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，得到预处理后的铜电极；
(2)Cu/L-半胱氨酸自组装膜电极(Cu/L-Cys)的制备
将步骤(1)制备得到的预处理后的铜电极放入1ⅹ10-3mol/L，pH为7的L-半胱氨酸溶液中浸泡3h，即得Cu/L-半胱氨酸自组装膜电极；
(3)Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺自组装膜电极(Cu/L-Cys/Asn)的制备
将步骤(2)制备得到的Cu/L-半胱氨酸自组装膜电极，清洗，晾干，放入1ⅹ10-4mol/L，pH为7的天冬酰胺溶液中浸泡17小时，即得Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺自组装膜电极；
(4)Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺/辣根过氧化物酶自组装膜电极(Cu/L-Cys/Asn/HRP)的制备
将步骤(3)制备得到的Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺自组装膜电极，放入浓度为15mg/L，pH为7的辣根过氧化物酶的溶液中浸泡1小时，即得Cu/L-半胱氨酸/天冬酰胺/辣根过氧化物酶自组装三层膜电极。
2.权利要求1的自组装三层膜电极在邻苯二酚和对苯二酚降解中的用途，其中应用时，使用pH为7的PBS缓冲溶液作为底液；
其中，当应用上述自组装三层膜电催化降解邻苯二酚时，所述邻苯二酚为溶液形式，其浓度为1ⅹ10-3mol/L，pH为5；
当应用上述自组装三层膜电催化降解对苯二酚时，所述对苯二酚为溶液形式，其浓度为1ⅹ10-4mol/L；pH为5。
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