CN109507267A - 用于生物硫化氢快捷检测的传感材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生物硫化氢快捷检测的传感材料及其制备方法，属于生物H2S检测技术领域。是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的异质结构阵列材料。其制备方法为配置电沉积溶液；以超纯铜箔片和铜导线做电沉积的电极，然后精电极平行的放在电化学生长室内的绝缘基底上，并在两电极间滴加电解液，盖上盖玻片；控制温度使电解液结冰，并保持恒温状态放置20‑50分钟；在电极上施加半正弦沉积电势，使电解质沉积；沉积结束后取出基底并用超纯水清洗，即得到用于生物硫化氢快捷检测的传感材料。本发明可用于快捷检测生物硫化氢。

Description

用于生物硫化氢快捷检测的传感材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于生物硫化氢快捷检测的传感材料及其制备方法，属于生物H2S检测技术领域。
背景技术
目前，利用检测生物H2S标志物的疾病诊断技术还没有实现实际应用，尤其快速、便捷的检测技术方案更是需要进一步的研究。基于生物H2S检测的快速、便捷的疾病诊断技术之所以没有实现，主要是由现有测试方法的不足造成的，现有的用于检测生物H2S的方法主要包括：比色法、高效液相色谱法、气相色谱法、金属诱导硫沉积法及荧光探针法等。荧光探针法主要是通过荧光探针与所需识别集团相结合进而标记发出荧光。比色法是以有色化合物的显色反应为基础，通过比较(目视比色法)或测量(光电比色法)有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量。气相色谱法是利用在某个时间有一种物质从色谱柱中被洗脱出来，而且检测器对它有响应来检测生物H2S。这些检测方法不仅存在仪器操作复杂、需要专业人员操作、检测费用昂贵、仪器笨重、灵敏度差等不足，而且现有方法不能排除生物巯基化合物对信号的干扰，因此现有方法在生物H2S检测的选择性和便捷性方面还不能满足实际应用的需要，更无法实现对病情的及时监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，具有灵敏、快速、精确度高的特点。
本发明还同时提供了一种用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法。
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的异质结构阵列材料。
进一步地讲，所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构阵列材料。
进一步地讲，所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构的长程有序阵列材料。
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以硝酸铜、硝酸铁、硝酸、超纯水为原料配置电沉积溶液；
(2)以超纯铜箔片和铜导线做电沉积的电极，然后将电极平行的放在电化学生长室内的绝缘基底上，并在两电极间滴加电解液，盖上盖玻片；
(3)控制电化学生长室内的温度使电解液结冰，并保持恒温状态放置20-50分钟；
(4)在电极上施加半正弦沉积电势，使电解质沉积；
(5)沉积结束后取出基底并用超纯水清洗，即得到用于生物硫化氢快捷检测的传感材料。
进一步地讲，步骤(1)电沉积溶液中铜离子浓度为40-80mM/L。
进一步地讲，步骤(1)电沉积溶液中铁离子的浓度为25-55mM/L。
进一步地讲，步骤(2)中超纯铜箔片的厚度为30μm。
进一步地讲，步骤(3)控制电化学生长室内的温度-1.2℃至-2.0℃。
进一步地讲，步骤(4)中半正弦沉积电势为0.3～0.9V。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明用于生物硫化氢快捷检测的传感材料具有的非对称性异质界面结构、长程有序阵列、以及较大的比表面积等特点是实现生物应用的针对性结构设计，并以此实现了异质界面电导、化学反应的机制应用与联合响应。
本发明通过针对性结构设计，构建二维Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料，由Cu2O和Fe2O3交替性、周期性分布构成，可被视为周期性异质界面电导体系。充分发挥材料组分Cu2O和Fe2O3对H2S气体的敏感特性，以生物体内硫氢根离子为唯一检测物质、以异质界面电导调制和可逆化学反应相结合的新的检测机制为基础，实现了高性能的水溶性生物H2S的检测。
附图说明
图1是实施例1制备的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料扫描电子显微镜图片；
图2是Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料非对称异质结构示意图；
图3基于实施例1制备的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料构建的电学元件在20μmM水溶性硫化氢处理前后的I-V测试曲线；
图4基于实施例1制备的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料构建的电学元件在10μmM水溶性硫化氢处理前后的I-V测试曲线；
图5基于实施例1制备的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料构建的电学元件在5μmM水溶性硫化氢处理前后的I-V测试曲线；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构的长程有序阵列材料。
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以硝酸铜、硝酸铁、硝酸、超纯水为原料配置电沉积溶液，其中铜离子浓度为60mM/L，铁离子的浓度为40mM/L；
(2)以厚度为30μm的超纯铜箔片(长2.2cm，宽1.5mm)和铜导线做电沉积的电极，然后将电极平行的放在电化学生长室内的绝缘基底(宽为15mm，长度为20mm)上，并在两电极间(8mm间距)滴加电解液，盖上盖玻片；
(3)控制电化学生长室内的温度为-1.3℃使电解液结冰，并保持恒温状态放置30分钟；
(4)在电极上施加0.3～0.9V(偏置为0.15V，振幅为0.6V)的半正弦沉积电势，使电解质沉积；
(5)沉积结束后取出基底并用超纯水清洗，即得到用于生物硫化氢快捷检测的传感材料也就是Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料。
实施例2
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构的长程有序阵列材料。
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以硝酸铜、硝酸铁、硝酸、超纯水为原料配置电沉积溶液，其中铜离子浓度为40mM/L，铁离子的浓度为25mM/L；
(2)以厚度为30μm的超纯铜箔片(长2cm，宽1mm)和铜导线做电沉积的电极，然后将电极平行的放在电化学生长室内的绝缘基底(宽为10mm，长度为15mm)上，并在两电极间(6mm间距)滴加电解液，盖上盖玻片；
(3)控制电化学生长室内的温度为-1.2℃使电解液结冰，并保持恒温状态放置20分钟；
(4)在电极上施加0.3～0.9V(偏置为0.15V，振幅为0.6V)的半正弦沉积电势，使电解质沉积；
(5)沉积结束后取出基底并用超纯水清洗，即得到用于生物硫化氢快捷检测的传感材料也就是Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料。
实施例3
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构的长程有序阵列材料。
所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以硝酸铜、硝酸铁、硝酸、超纯水为原料配置电沉积溶液，其中铜离子浓度为80mM/L，铁离子的浓度为55mM/L；
(2)以厚度为30μm的超纯铜箔片(长2.5cm，宽2mm)和铜导线做电沉积的电极，然后将电极平行的放在电化学生长室内的绝缘基底(宽为20mm，长度为25mm)上，并在两电极间(10mm间距)滴加电解液，盖上盖玻片；
(3)控制电化学生长室内的温度为-2.0℃使电解液结冰，并保持恒温状态放置50分钟；
(4)在电极上施加0.3～0.9V(偏置为0.15V，振幅为0.6V)的半正弦沉积电势，使电解质沉积；
(5)沉积结束后取出基底并用超纯水清洗，即得到用于生物硫化氢快捷检测的传感材料也就是Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料。
实验：
1、以实施例1方法获得的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料为例，拍摄扫描电子显微镜图片如图1，可见其为竹节状，周期性结构明显且长程有序，竹节处主要是Cu2O纳米结构，竹节间主要分布Fe2O3纳米结构，两者交替出现，且两种材料的交界面相对清晰度周期性变化。
2、以实施例1制备的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料为基础构建电学元件：
具体步骤为：将实施例1获得的Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料于室温自然晾干后用0.5-1mm宽的掩膜板盖住一部分，然后通过溅射电阻小于20Ω/cm的金导电膜的方式将其连入电路，将掩膜板取下，将Cu2O/Fe2O3异质结构阵列材料连接到配套设计的四电极电导测试探头上，即获得电学元件，可进行电信号的检测采集。
分别用此电学元件采集20μmM H2S、10μmM H2S以及5μmM H2S处理前后的I-V测试曲线，如图3-5，结果表明处理前后电学元件的导电性明显变化，即本电学元件能够实现快速、便捷、准确的生物H2S检测。
异质界面电导对载流子浓度非常敏感，可以将微弱的生物H2S分子吸附信号转化成较明显的电信号；H2S与Cu2O/Fe2O3之间的化学反应对温度等检测条件不敏感，并且将检测物质锁定为硫氢根离子极大提高了选择性、专一性，完全克服了现有方法中生物巯基化合物对信号的干扰，增强了检测的选择性，检测方案更可靠。异质界面电导同时会随着化学反应程度不同进一步作出响应，两种机制的联合响应是生物H2S分子精准测量的关键。本发明周期性有序阵列结构、非对称性异质界面是性能突破的重要因素。
基于此功能材料，可以构建类似于血糖测试试纸的传感器件，获得灵敏、快速、准确的临床及家庭式疾病检测方法。检测设备简单、易存放，检测成本低，结果可直接读取，是一种灵敏、快速、准确的临床及家庭式疾病检测方法。

Claims (9)

1.一种用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，其特征在于：是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的异质结构阵列材料。
2.根据权利要求1所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，其特征在于：是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构阵列材料。
3.根据权利要求1所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料，其特征在于：是由Cu2O和Fe2O3周期性交替分布的非对称性异质界面结构的长程有序阵列材料。
4.一种权利要求1所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)以硝酸铜、硝酸铁、硝酸、超纯水为原料配置电沉积溶液；
(2)以超纯铜箔片和铜导线做电沉积的电极，然后将电极平行的放在电化学生长室内的绝缘基底上，并在两电极间滴加电解液，盖上盖玻片；
(3)控制电化学生长室内的温度使电解液结冰，并保持恒温状态放置20-50分钟；
(4)在电极上施加半正弦沉积电势，使电解质沉积；
(5)沉积结束后取出基底并用超纯水清洗，即得到用于生物硫化氢快捷检测的传感材料。
5.根据权利要求4所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)电沉积溶液中铜离子浓度为40-80mM/L。
6.根据权利要求5所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)电沉积溶液中铁离子的浓度为25-55mM/L。
7.根据权利要求6所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中超纯铜箔片的厚度为30μm。
8.根据权利要求7所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)控制电化学生长室内的温度-1.2℃至-2.0℃。
9.根据权利要求8所述的用于生物硫化氢快捷检测的传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中半正弦沉积电势为0.3～0.9V。
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