CN110057882B - 一种基于二维钛碳化合物的电化学生物传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MXene‑Ti₃C₂的电化学生物传感器及其制备方法和应用。首先将模式酶固载在表面带有‑OH官能团的MXene‑Ti₃C₂表面上，再与成膜材料混合形成复合材料，固定在玻碳电极表面制得电化学生物传感器。本发明充分利用了MXene‑Ti₃C₂这种二维纳米材料作为传感器的酶载体，具有特定片状结构、大的比表面积、优良的金属导电性和极好的水相分散性；制备过程简单，研制的传感器对酚类化合物的灵敏度高、检出限低、重现性好；检测过程无需复杂的样品前处理过程，对目标化合物响应迅速，易于微型化，适合现场检测和连续在线监测等。

Description

一种基于二维钛碳化合物的电化学生物传感器及其应用

技术领域

本发明属于生物传感器领域，特别是涉及一种新型二维晶体材料MXene-Ti₃C₂固载模式酶的电化学生物传感器，及其应用于检测水体环境样品或塑料制品、食品饮料中酚类化合物的方法。

背景技术

酚类化合物是一种重要的化工原料，在工业制造过程中，如不及时处理工厂排放废水中的酚类化合物，将会对自然环境造成十分严重的危害。如今，含酚废水是当今世界上危害最大、污染范围最广的工业废水之一，是环境中水污染的重要来源。其中，这类污水中的酚类物质以苯酚最为常见。苯酚作为化工、焦化、煤气、制药、石油、油漆等行业排放的污水中最主要的酚类物质，因其本身具有挥发性，所以更容易造成空气污染，通过人类的呼吸系统进入人体内部，从而危害人们的身体健康。因此在我国制定的居民生活饮用水的水质标准(GB5749-2006)中就有很明确的规定：具有挥发性的酚类物质浓度应当小于0.001mg/L。

由于酚类污染物对水环境具有极大的危害，对其进行准确检测的需求也日益迫切。目前，应用于检测酚类污染物的方法主要有色谱分析法、色谱-质谱联用法、分光光度法和荧光法等。然而这些传统的检测方法存在着前处理要求严格且耗时，仪器设备体积庞大且费用高，对操作人员的技术也要求非常高，而且不能实现现场快速检测等缺点。而作为新兴的电化学酶生物传感器正好可以弥补上述缺点，实现现场快速检测的需求。

电化学酶生物传感器利用酶分子作为模式分子，依靠电化学信号的变化来指示检测结果。总体来说，包括以下几个方面的优势：1.酶传感器具有良好的选择性，酶分子对催化反应底物具有专一性；2.电化学酶传感器响应速度快，灵敏度高；3.传感器成本低，便于长期存储，重复使用；4.设备易于微型化，适合现场检测和连续在线监测。

固载基质的选择对生物传感器的性能起着至关重要的作用。近年来，二维纳米材料作为酶的固载基质越来越受到广泛关注。其中由碳组成的纳米材料(如石墨烯、碳纳米管、介孔碳等)虽然具有较大的比表面积、良好的导电性和生物相容性，但却不易分散在水相中，导致电化学酶生物传感器的重现性较差，从而限制其应用发展。而MXene-Ti₃C₂作为一种新型的二维晶体纳米材料，具有类似于石墨烯的多层片状结构，较大的比表面积和良好的生物相容性，以及良好的金属导电性，此外，MXene-Ti₃C₂表面带有-OH官能团使其具有良好的亲水性，能够均匀的分散在水中。这些优势使其成为近年来材料领域的研究热点，并在储能储氢、催化、吸附和生物传感器等领域广泛应用。

迄今为止，国内外上还没有基于MXene-Ti₃C₂-壳聚糖复合材料制备的酪氨酸酶电化学生物传感器用于检测酚类化合物的报道。所以针对酚类化合物的检测，发明了一种灵敏度高、检测限低、响应速度快、稳定性好且价格低廉的电化学酶生物传感器，可直接应用于水体样品中酚类化合物的现场快速检测，也可用于塑料制品、食品饮料中酚类化合物的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MXene-Ti₃C₂修饰玻碳电极的电化学生物传感器，这种传感器具有灵敏度高、检测限低、选择性高、可靠便携、成本低、制备方法简单和长期存储稳定性好等优点，并且能够用于现场筛查检测环境污染物，尤其是水体中的酚类化合物。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

二维钛碳化合物在电化学生物传感器中的应用，所述二维钛碳化合物为MXene-Ti₃C₂。

本发明还提供上述电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将MXene-Ti₃C₂与水混合后，经超声预处理，得分散体系1；

(2)将分散体系1与模式酶缓冲盐溶液混合，在室温下震荡混匀，得混合溶液1；

(3)将成膜材料加入到所述的混合溶液1中充分混匀，得混合溶液2；

所述混合溶液2中：MXene-Ti₃C₂浓度为0.1～2mg mL^-1，模式酶浓度为1.0～5.0mgmL^-1；成膜材料浓度为0.1～3.0mg mL^-1；

(4)取4～10μL所述混合溶液2滴加到经抛光处理的玻碳电极表面，在室温下静置晾干，得到所述电化学生物传感器。

本发明所述的模式酶包括但不限于酪氨酸酶、双酚氧化酶、漆酶。

本发明所述的成膜材料包括但不限于壳聚糖、琼脂糖凝胶、海藻酸钠、硅溶胶。

优选地，所述MXene-Ti₃C₂表面带有-F，＝O或-OH。

作为优选的技术方案，所述缓冲盐溶液为Na₂HPO₄和NaH₂PO₄的20～50mmol/L等摩尔浓度混合水溶液，并将pH调至6.0～7.0。

优选地，所述成膜材料为壳聚糖，所述壳聚糖的脱乙酰度为75％～85％。

优选地，所述玻碳电极表面的抛光处理过程为：依次用粒径分别为1、0.3、0.05μm的三氧化二铝粉末中的一种或几种将玻碳电极表面抛光，然后依次在无水乙醇和去离子水中反复超声清洗，之后用高纯氮气将电极表面吹干待用。

本发明还提供上述任意制备方法得到的电化学生物传感器的应用，用于检测水体环境样品或塑料制品、食品饮料中的酚类化合物。

优选地，所述应用通过所述电化学生物传感器检测的电流强度与酚类目标物浓度关系而得到的标准曲线，来确定样品中是否含有酚类化合物并同时确定酚类化合物的浓度。

优选所述检测包括以下步骤：将所述电化学生物传感器放入空白检测溶液中，在工作电压下将已知浓度的酚类化合物中的一种或二种以上作为目标分析物连续加入到上述检测溶液中，同时进行电化学扫描并记录响应的电流-时间曲线；

由于电流-时间曲线中固定时间点上检测溶液中的酚类化合物浓度可知，通过电流-时间曲线中的电流强度I和酚类目标物浓度C组成校正曲线；

在工作电压下将分析水体样品加入到检测溶液中，同时进行电化学扫描并记录响应的电流强度；通过电流-时间曲线中的电流强度I和酚类目标物浓度C组成的校正曲线来计算分析样品中酚类化合物的浓度含量。

优选地，所述酚类化合物包括苯酚、儿茶酚、双酚A和双酚E等酚类化合物中的一种或二种以上。

本发明的有益效果如下：

1、MXene-Ti₃C₂具有类似于石墨烯的二维多层片状结构，较大的比表面积和良好的生物相容性能够为酶分子的附着提供更多的活性位点以及提供保护酶分子活性的微环境，有效的提高了酪氨酸酶的生物催化活性和长期稳定性。

2、壳聚糖是一种线性匀聚糖，具有良好成膜能力和生物相容性。

3、MXene-Ti₃C₂表面带有的-OH官能团，使其具有良好的水相分散性，能够提高生物传感器的重现性和检测限。

4、制备的电化学生物传感器制备价格低廉，对水样中酚类化合物的检测不需要复杂的样品前处理，操作方法简单，检测速度快，设备便携，适合现场检测。

5、制备的电化学生物传感器对环境样品中尤其是水体中的酚类化合物的检测具有超高的灵敏度，能够快速、灵敏、准确、高效地评价环境水样中酚类化合物的浓度水平，与常规的色谱-质谱联用法相比，具有检出限低、检测速度快和样品前处理简单等优势。

附图说明

图1-1为本发明实施例1制备的MXene-Ti₃C₂的扫描电子显微镜(SEM)图；

图1-2为本发明实施例1制备的MXene-Ti₃C₂的X射线衍射(XRD)图；

图2为本发明实施例3中的不同修饰电极的电化学阻抗图谱；

图3-1为本发明实施例4中的苯酚响应电流-时间关系曲线；

图3-2为本发明实施例4中的苯酚响应电流强度与苯酚浓度的线性相关曲线。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

酪氨酸酶电化学生物传感器的制备与样品的检测过程具体步骤如下：

(a)将MXene-Ti₃C₂与水混合后，经超声预处理，得MXene-Ti₃C₂的分散液。

(b)将壳聚糖溶于2％的乙酸溶液中，得壳聚糖溶液。

(c)将MXene-Ti₃C₂分散液与酪氨酸酶磷酸缓冲盐溶液混合，在室温下震荡0.5小时。

(d)将壳聚糖溶液加入到MXene-Ti₃C₂和酶分子形成的复合材料溶液中混匀，取5μL上述含有MXene-Ti₃C₂-酪氨酸酶-壳聚糖(MXene-Tyr-Chi)的复合物溶液滴加到已经进行过抛光处理的玻碳电极表面，在室温下静置晾干，得到电化学生物传感器。

本发明所述MXene-Ti₃C₂优选化学液相刻蚀法制备，其具体制备过程为：

(A)将1～10g Ti₃AlC₂粉末缓慢加入到60～120mL 35％～55％的氢氟酸溶液中，在室温下搅拌反应12～72小时；

(B)将步骤(A)得到的产物离心、收集固体物质，去离子水反复洗涤，置于真空干燥箱中烘干待用，烘干温度为60℃，烘干时间为12～48小时。

以下是部分本发明实施例中所用到的仪器和设备，其它未具体注明的实验条件，按照常规或仪器制造厂建议的条件。

电化学检测所用仪器为上海辰华电化学工作站CHI440，电化学阻抗测试所用仪器为瑞士万通Autolab电化学工作站PGSTAT302N，三电极体系，修饰玻碳电极作为工作电极，银/氯化银电极作为参比电极，铂电极作为辅助电极。酪氨酸酶(菌菇)购于Sigma-aldrich(China)。

实施例1二维晶体材料MXene-Ti₃C₂的制备和表征

采用化学液相刻蚀法制备MXene-Ti₃C₂：首先将1g Ti₃AlC₂粉末缓慢加入到120mL40％的氢氟酸溶液中，在室温下搅拌反应72小时；将得到的产物离心、收集固体物质，用去离子水反复洗涤，置于真空干燥箱中烘干待用，烘干温度为60℃，烘干时间为12小时。

通过TEM和XRD对上述制备的MXene-Ti₃C₂的形貌和结构进行了表征。图1-1、图1-2给出了MXene-Ti₃C₂的TEM和XRD图谱。从图1-1中的TEM图可以看出，MXene-Ti₃C₂具有类似于石墨烯的多层片状结构，其较大的比表面积能够为酶的附着提供大量的活性位点，并提供保护酶的微环境，使酶能够长期保持活性。从图1-2中的XRD图可以看出，主要的衍射峰出现在8.98°，18.3°，27.6°，34.3°，43.4°和60.7°处，与文献报道的Ti₃C₂(OH)₂的衍射峰相吻合，由此推断，由化学液相刻蚀法制备的MXene-Ti₃C₂表面带有-OH官能团，从而使其具有良好的亲水性。

实施例2酪氨酸酶电化学生物传感器制备

玻碳电极组装步骤：

(a)用粒径分别为1μm、0.3μm、0.05μm的三氧化二铝粉末将玻碳电极表面抛光，然后在无水乙醇和去离子水中反复超声清洗，之后用高纯氮气将电极表面吹干待用。放入1mmol L^-1的铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液(摩尔比1:1)中，在-0.1～+0.6V之间扫描循环伏安曲线。该曲线氧化还原峰电位差小于70mV,说明玻碳电极表面的氧化还原反应属于完全可逆反应，电极抛光情况良好，可以进行下一步实验。

(b)MXene-Ti₃C₂-酪氨酸酶复合材料的构建。将MXene-Ti₃C₂与水混合后，经超声预处理，制得0.8mg/mL的MXene-Ti₃C₂的分散液，将MXene-Ti₃C₂分散液与10mg/mL的酪氨酸酶磷酸缓冲盐溶液(50mmol/L Na₂HPO₄/NaH₂PO₄溶液，pH＝6.0)以2:1的体积比混合，震荡0.5小时，酪氨酸酶被成功吸附到MXene-Ti₃C₂表面，得到MXene-Ti₃C₂-酪氨酸酶复合材料分散液。

(c)将6mg/mL的壳聚糖溶液与上述复合材料分散液以1:3的体积比混合，得到最终分散液的组成：MXene-Ti₃C₂浓度为0.4mg/mL；酪氨酸酶浓度为2.5mg/mL；壳聚糖浓度为1.5mg/mL，取5μL最终分散液滴到玻碳电极表面，在室温下静置，缓慢晾干得到均一性MXene-Ti₃C₂-酪氨酸酶-壳聚糖电极(MXene-Tyr-Chi/GCE)。其余用于对比的电极，MXene-Ti₃C₂-壳聚糖电极(MXene-Chi/GCE)、酪氨酸酶-壳聚糖电极(Tyr-Chi/GCE)和壳聚糖电极(Chi/GCE)都按照上述方法制备。

(d)将修饰后的玻碳电极放入50mmol/L磷酸缓冲盐溶液(pH＝6.0)中浸泡0.5小时，去除没有固定在电极表面的酶或材料。

实施例3酪氨酸酶电化学生物传感器的电化学阻抗谱表征

在PGSTAT302N电化学工作站上，分别测定上述实施例2制备的MXene-Tyr-Chi/GCE、Tyr-Chi/GCE、Chi/GCE以及裸电极(bare GCE)在含有1mmol L^-1铁氰化钾/亚铁氰化钾(摩尔比1:1)探针和0.5mol L^-1硝酸钾支持电解质的电解液中交流阻抗信号。实验结果如图2所示，不同修饰电极的电荷转移电阻大小顺序为Tyr-Chi/GCE＞MXene-Tyr-Chi/GCE＞Chi/GCE＞bare GCE，说明本发明中的MXene-Tyr-Chi复合材料已经成功修饰在电极表面，成功制备出酪氨酸酶电化学生物传感器，而且MXene-Ti₃C₂具有很好的导电性，能够提高MXene-Ti₃C₂-酪氨酸酶-壳聚糖复合材料的电荷转移能力。

实施例4酪氨酸酶电化学生物传感器检测酚类化合物的标准溶液

将一定体积(4～8μL)的苯酚标准溶液连续滴加(每50s一次)到实施例2制备的酪氨酸酶修饰的玻碳电极(MXene-Tyr-Chi/GCE)组成的三电极体系的检测溶液8mL磷酸缓冲盐溶液中，在工作电势为-0.04V的情况下进行恒电势扫描，得到电流-时间(I-t)关系曲线，由于I-t曲线中固定时间点上检测溶液中的苯酚浓度可知，所以可以得到电流强度与苯酚浓度之间的相关曲线。在氧气存在的情况下，酪氨酸酶催化苯酚生成邻苯二酚，邻苯二酚进一步被催化生成邻苯醌，邻苯醌又在较低的电势下被还原为邻苯二酚。酪氨酸酶电化学生物传感器可以检测这一还原信号，并且信号变化强度与苯酚的浓度在一定范围内线性相关，实验结果见图3.

实施例5基于MXene-Ti₃C₂的酪氨酸酶电化学生物传感器重现性和稳定性的评价

传感器的重现性通过计时安培法进行了研究。酪氨酸酶电化学生物传感器对500nM苯酚连续7次检测的相对标准偏差(RSD)为1.6％，说明传感器具有很好的重现性。为了评价酪氨酸酶电化学生物传感器同一批次不同电极之间的重现性，利用同样的条件独立制备了3个传感器。制备的传感器的相对标准偏差为1.3％，说明不同电极之间具有很好的重现性。MXene-Ti₃C₂表面带有-OH官能团，使其具有良好的水相分散性，这对于提高电极与电极之间的重现性起了关键作用。实施例2制备的酪氨酸酶电化学生物传感器(MXene-Tyr-Chi/GCE)密封保存在4℃冰箱中，经过6周之后，传感器对1.5μM苯酚的响应电流下降了11％。酪氨酸酶电化学生物传感器良好的长期稳定性主要归功于用于构建传感器的纳米复合物MXene-Ti₃C₂具有非常好的生物相容性，可以为酶分子提供一个有利的微环境防止酶分子的失活。MXene-Ti₃C₂的良好的亲水性、生物相容性和固有的优良导电性使其成为一个生物相容性的构造酶基生物传感器的极好平台。

实施例6基于MXene-Ti₃C₂的电化学酶生物传感器检测实际样品

实施例2制备的电化学酶生物传感器(MXene-Tyr-Chi/GCE)的实用性通过检测环境水样进行评价。通过添加苯酚到自来水(本实验中的自来水)中对回收率进行了测试。水样先经过0.45μm滤头过滤以除去悬浮物。分别用三根相同的电极检测含500nM苯酚的水样，其回收率分别为86.7％，91.5％，106％。说明酪氨酸酶电化学生物传感器可以用于实际样品的检测，并且具有较好的回收率。

Claims (7)

1.基于二维钛碳化合物的电化学生物传感器的应用，所述二维钛碳化合物为MXene-Ti₃C₂；所述应用是用于检测水体环境样品或塑料制品、食品饮料中的酚类化合物；所述电化学生物传感器的制备方法为：

（1）将MXene-Ti₃C₂与水混合后，经超声预处理，得分散体系1；

（2）将分散体系1与模式酶的缓冲盐溶液混合，在室温下震荡混匀，得混合溶液1；

（3）将成膜材料加入到所述的混合溶液1中充分混匀，得混合溶液2；

所述混合溶液2中：MXene-Ti₃C₂浓度为0.1～2 mg mL^-1，酪氨酸酶浓度为1.0～5.0 mgmL^-1；成膜材料浓度为0.1～3.0 mg mL^-1；

（4）取4～10μL所述混合溶液2滴加到经抛光处理的玻碳电极表面，在室温下静置晾干，得到所述电化学生物传感器；

所述的成膜材料为壳聚糖；

所述酚类化合物包括苯酚、儿茶酚、双酚A和双酚E中的一种或二种以上。

2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述MXene-Ti₃C₂表面带有-F，=O或-OH。

3.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述缓冲盐溶液为Na₂HPO₄和NaH₂PO₄的20～50mmol/L等摩尔浓度混合水溶液，并将pH调至 6.0～7.0。

4.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的成膜材料为壳聚糖，所述壳聚糖的脱乙酰度为75%～85%。

5.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述玻碳电极表面的抛光处理过程为：依次用粒径分别为1、0.3、0.05μm的三氧化二铝粉末中的一种或几种将玻碳电极表面抛光，然后依次在无水乙醇和去离子水中反复超声清洗，之后用高纯氮气将电极表面吹干待用。

6.如权利要求1所述应用，其特征在于：通过所述电化学生物传感器检测的电流强度与酚类目标物浓度关系而得到的标准曲线，来确定样品中是否含有酚类化合物并同时确定酚类化合物的浓度。

7.如权利要求1或6所述应用，其特征在于：所述检测包括以下步骤：

将所述电化学生物传感器放入空白检测溶液中，在工作电压下将已知浓度的酚类化合物中的一种或二种以上作为目标分析物连续加入到上述检测溶液中，同时进行电化学扫描并记录响应的电流-时间曲线；

在工作电压下将分析水体样品加入到检测溶液中，同时进行电化学扫描并记录响应的电流强度；通过电流-时间曲线中的电流强度I和酚类目标物浓度C组成的校正曲线来计算分析样品中酚类化合物的浓度含量。

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