CN110172752A - 一种富介孔碳纳米纤维材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种富介孔碳纳米纤维材料及其制备方法和应用，属于材料技术领域，该方法首先以生物质为原料，通过浸泡发酵获得醋酸菌，再通过醋酸菌制得发酵水凝胶，最后将发酵水凝胶通过碳化处理制得该富介孔碳纳米纤维材料，该材料具有显著的导电性能、与酶尺寸匹配的孔径，高的比表面积以及良好的稳定性能，葡萄糖氧化酶在该材料的介孔内能够稳定负载，因此可以用于制备高灵敏度葡萄糖传感器，以该材料制备葡萄糖传感器，可有效的降低酶负载的繁琐步骤，从而降低酶生物传感器的制备成本，具备较高的实用价值，并且该材料制备方法简单易操作，原料来源广泛且成本低，适合扩大化生产。

Description

一种富介孔碳纳米纤维材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种富介孔碳纳米纤维材料及其制备方法和应用。
背景技术
一个生物传感器是由两个密切联系的部分组成：一个生物受体和一个换能器。其中生物受体中酶是作为识别分析检测物最普遍的受体，而其中酶的固定是设计酶基传感器的生物识别中最重要的部分，传感器表面酶的固定化是生物传感器设计中必不可少的关键步骤。
纳米材料因其独特的性能在生物传感器设计中扮演着重要的角色，可以较好的提高生物传感器的检测性能，具有广阔的前景，尤其是多孔材料可以实现对酶的自组装负载，特别是介孔尺寸分布在2-50nm，与葡萄糖氧化酶的大小(4-20nm)比较契合，将对酶固定有极好的促进作用。
因此，研究一种介孔碳材料用于葡萄糖氧化酶的负载，为高灵敏度检测葡萄糖传感器发展提供重要负载基底，对提高酶负载率、传感稳定性、检测灵敏度具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种富介孔碳纳米纤维材料的制备方法；目的之二在于提供一种富介孔碳纳米纤维材料；目的之三在于提供一种电化学传感器；目的之四在于提供该电化学传感器在葡萄糖检测中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种富介孔碳纳米纤维材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将生物质材料于30℃下浸泡在水中240-360h后取浸泡液，获得菌液；然后将所述菌液加入醋酸菌培养基中，混匀后于30℃的培养箱中通气培养12-48h后静态培养120-240h，制得发酵水凝胶；
(2)将步骤(1)中制得的发酵水凝胶除杂后冷冻干燥后得到气凝胶，然后将所述气凝胶于惰性气氛中500-1100℃条件下热解1-6h，制得富介孔碳纳米纤维材料。
优选的，步骤(1)中，所述生物质材料与水的质量体积比为1-5:10，所述质量体积比的单位为g:mL。
优选的，步骤(1)中，所述生物质材料为水果和/或果皮。
优选的，所述水果为柠檬、百香果、菠萝或柑橘中的至少一种；所述果皮为柠檬、百香果、菠萝或柑橘中的至少一种水果的果皮。
优选的，步骤(1)中，所述菌液与醋酸菌培养基的体积比为2-5:8-10。
2、由所述的方法制备的富介孔碳纳米纤维材料。
3、一种电化学传感器，包括电化学工作站、工作电极、对电极、参比电极、电解池和电解液，所述工作电极表面涂覆有所述富介孔碳纳米纤维材料，所述富介孔碳纳米纤维材料上负载了葡萄糖氧化酶。
优选的，所述工作电极按如下方法制备：
按质量比10-50:1将葡萄糖氧化酶与富介孔碳纳米纤维材料一起分散于水中，混匀后于4℃下静置24-96h，然后以5000-8000r/min的转速离心2-10min后取沉淀，将所述沉淀洗涤后以0.5-2mg/mL的配比浓度分散于水中，获得分散液，向所述分散液中加入粘结剂，混匀后制得电极修饰溶液，将所述电极修饰溶液涂覆到电极上，干燥即可；所述分散液与所述粘结剂的体积比为1-5:1。
优选的，所述粘结剂为Nafion溶液，所述Nafion溶液中Nafion的质量分数为0.1％。
优选的，所述干燥具体为在25-50℃下干燥60-120min。
4、所述的一种电化学传感器在葡萄糖检测中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种富介孔碳纳米纤维材料及其制备方法和应用，该方法首先以生物质为原料，通过浸泡发酵获得醋酸菌，再通过醋酸菌制得发酵水凝胶，最后将发酵水凝胶通过碳化处理制得该富介孔碳纳米纤维材料，该材料具有显著的导电性能、与酶尺寸匹配的孔径，高的比表面积以及良好的稳定性能，葡萄糖氧化酶在该材料的介孔内能够稳定负载，因此可以用于制备高灵敏度葡萄糖传感器，以该材料制备葡萄糖传感器，可有效的降低酶负载的繁琐步骤，从而降低酶生物传感器的制备成本，具备较高的实用价值，并且该材料制备方法简单易操作，原料来源广泛且成本低，适合扩大化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的场发射扫描电镜图；(图1中a为30000倍下的场发射扫描电镜图，图1中b为300000倍下的场发射扫描电镜图)
图2为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料和葡萄糖氧化酶的透射电镜图；(图2中a为500000倍下富介孔碳纳米纤维材料的透射电镜图，图2中b为500000倍下葡萄糖氧化酶的透射电镜图)
图3为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的X射线衍射图；
图4为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的阻抗图；
图5为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的孔径分布图；(图5中a为氮气吸附－脱附等温曲线，图5中b为BJH介孔分布曲线)
图6为实施例2中制备的富介孔碳纳米纤维材料的场发射扫描电镜图；(图6中a为30000倍下的场发射扫描电镜图，图6中b为300000倍下的场发射扫描电镜图)
图7为实施例3中制备的富介孔碳纳米纤维材料的场发射扫描电镜图；(图7中a为30000倍下的场发射扫描电镜图，图7中b为300000倍下的场发射扫描电镜图)
图8为在电位窗口宽度为-0.8-0V，扫速为50mVs-1的条件下，实施例1中构建的传感器对葡萄糖的循环伏安响应测试结果图；
图9为实施例1中构建的传感器在-0.4V下测得的对葡萄糖的计时电流响应测试结果图；(图9中a为葡萄糖浓度与电流响应之间的计时响应曲线图，图9中b为传感器响应时间测试结果图)
图10为由图9对应的葡萄糖浓度与电流响应之间的关系曲线图；
图11为实施例1中构建的传感器对不同干扰成分选择性测试结果图；(图11中a为计时电流法对干扰物的检测结果图，图11中b为各干扰物与检测的电流响应值图)
图12为实施例1中构建的传感器对不同血清的葡萄糖加标回收结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
制备富介孔碳纳米纤维材料及用于葡萄糖检测的工作电极，并构建葡萄糖电化学传感器(1)按百香果皮与水的质量体积比1:10，将百香果皮于30℃下浸泡在水中240h后取浸泡液，获得菌液；然后按菌液与醋酸菌培养基的体积比1:4，将菌液加入醋酸菌培养基中，混匀后于30℃的培养箱中通气培养24h后静态培养120h，制得发酵水凝胶；其中，质量体积比的单位g:mL；
(2)将步骤(1)中制得的发酵水凝胶浸泡于去离子水中48h至杂质去除后冷冻干燥后得到气凝胶，然后将气凝胶置于管式炉中，氮气气氛中900℃条件下热解4h，制得富介孔碳纳米纤维材料。
(3)按质量比25:1将葡萄糖氧化酶与步骤(2)中制得的富介孔碳纳米纤维材料一起分散于水中，混匀后于4℃下静置24h，然后以5000r/min的转速离心5min后取沉淀，将沉淀以水洗涤后以1mg/mL的配比浓度分散于水中，获得分散液，向分散液中加入质量分数为0.1％的Nafion溶液，混匀后制得电极修饰溶液，将电极修饰溶液涂覆到丝网印刷电极上，在30℃下干燥120min，获得用于葡萄糖检测的工作电极；其中，分散液与Nafion溶液的体积比为1:1；
(4)将步骤(3)中制得的用于葡萄糖检测的工作电极与电化学工作站、对电极(丝网印刷碳电极)、参比电极(丝网印刷碳电极)、电解池和电解液(浓度为0.01mol/L，pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液)一起组装成葡萄糖电化学传感器。
图1为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的场发射扫描电镜图，其中，图1中a为30000倍下的场发射扫描电镜图，图1中b为300000倍下的场发射扫描电镜图，由图1可知，该材料呈现纤维状结构，形态均匀，并且纤维表面还分布丰富的孔结构。
图2为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料和葡萄糖氧化酶的透射电镜图，其中，图2中a为500000倍下富介孔碳纳米纤维材料的透射电镜图，图2中b为500000倍下葡萄糖氧化酶的透射电镜图，由图2可知，富介孔碳纳米纤维材料的孔径与葡萄糖氧化酶的粒径大小匹配，说明葡萄糖氧化酶在该材料的介孔内能够稳定负载。
图3为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的X射线衍射图，由图3可知，由15°和35°左右的宽包衍射峰可以看出，该材料为碳纳米材料，并且没有检测到其他杂峰的存在。
图4为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的阻抗图，由图4可知，该材料的电荷转移电阻约为150欧姆。
图5为实施例1中制备的富介孔碳纳米纤维材料的孔径分布图，其中，图5中a为氮气吸附－脱附等温曲线，图5中b为BJH介孔分布曲线，由图5中a可知，该材料介孔面积高达550cm2/g，由图5中b可知，该材料介孔孔径分布在2-50nm，80％介孔孔径分布在4-50nm。
实施例2
制备富介孔碳纳米纤维材料及用于葡萄糖检测的工作电极，并构建葡萄糖电化学传感器(1)按柠檬与水的质量体积比2.5:10，将百香果皮于30℃下浸泡在水中360h后取浸泡液，获得菌液；然后按菌液与醋酸菌培养基的体积比5:8，将菌液加入醋酸菌培养基中，混匀后于30℃的培养箱中通气培养48h后静态培养180h，制得发酵水凝胶；其中，质量体积比的单位g:mL；
(2)将步骤(1)中制得的发酵水凝胶浸泡于去离子水中24h至杂质去除后冷冻干燥后得到气凝胶，然后将气凝胶置于管式炉中，氮气气氛中1100℃条件下热解1h，制得富介孔碳纳米纤维材料。
(3)按质量比10:1将葡萄糖氧化酶与步骤(2)中制得的富介孔碳纳米纤维材料一起分散于水中，混匀后于4℃下静置96h，然后以7000r/min的转速离心10min后取沉淀，将沉淀以水洗涤后以0.5mg/mL的配比浓度分散于水中，获得分散液，向分散液中加入质量分数为0.1％的Nafion溶液，混匀后制得电极修饰溶液，将电极修饰溶液涂覆到丝网印刷电极上，在40℃下干燥90min，获得用于葡萄糖检测的工作电极；其中，分散液与Nafion溶液的体积比为5:1；
(4)将步骤(3)中制得的用于葡萄糖检测的工作电极与电化学工作站、对电极(丝网印刷碳电极)、参比电极(丝网印刷碳电极)、电解池和电解液(浓度为0.01mol/L，pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液)一起组装成葡萄糖电化学传感器。
图6为实施例2中制备的富介孔碳纳米纤维材料的场发射扫描电镜图，其中，图6中a为30000倍下的场发射扫描电镜图，图6中b为300000倍下的场发射扫描电镜图，由图6可知，该材料呈现纤维状结构，形态均匀，并且纤维表面还分布丰富的孔结构。
实施例3
制备富介孔碳纳米纤维材料及用于葡萄糖检测的工作电极，并构建葡萄糖电化学传感器(1)按柑橘皮与水的质量体积比5:10，将百香果皮于30℃下浸泡在水中300h后取浸泡液，获得菌液；然后按菌液与醋酸菌培养基的体积比4:9，将菌液加入醋酸菌培养基中，混匀后于30℃的培养箱中通气培养12h后静态培养240h，制得发酵水凝胶；其中，质量体积比的单位g:mL；
(2)将步骤(1)中制得的发酵水凝胶浸泡于去离子水中96h至杂质去除后冷冻干燥后得到气凝胶，然后将气凝胶置于管式炉中，氮气气氛中500℃条件下热解6h，制得富介孔碳纳米纤维材料。
(3)按质量比50:1将葡萄糖氧化酶与步骤(2)中制得的富介孔碳纳米纤维材料一起分散于水中，混匀后于4℃下静置48h，然后以8000r/min的转速离心2min后取沉淀，将沉淀以水洗涤后以2mg/mL的配比浓度分散于水中，获得分散液，向分散液中加入质量分数为0.1％的Nafion溶液，混匀后制得电极修饰溶液，将电极修饰溶液涂覆到丝网印刷电极上，在50℃下干燥60min，获得用于葡萄糖检测的工作电极；其中，分散液与Nafion溶液的体积比为3:1；
(4)将步骤(3)中制得的用于葡萄糖检测的工作电极与电化学工作站、对电极(丝网印刷碳电极)、参比电极(丝网印刷碳电极)、电解池和电解液(浓度为0.01mol/L，pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液)一起组装成葡萄糖电化学传感器。
图7为实施例3中制备的富介孔碳纳米纤维材料的场发射扫描电镜图，其中，图6中a为30000倍下的场发射扫描电镜图，图6中b为300000倍下的场发射扫描电镜图，由图6可知，该材料呈现纤维状结构，形态均匀，并且纤维表面还分布丰富的孔结构。
实施例4
将10μL 1M葡萄糖溶液(溶剂为PBS缓冲溶液)加入到实施例1中构建的传感器的电解液中，在电位窗口宽度为-0.8-0V，扫速为50mVs-1的条件下测试该传感器对葡萄糖的循环伏安响应，同时以该传感器对PBS缓冲溶液的循环伏安响应作为空白对照。结果如图8所示，由图8可知，该传感器对葡萄糖具有良好的电化学响应。
实施例5
在循环伏安曲线的峰值电压(-0.4V)下采用计时法，测试实施例1中构建的传感器对葡萄糖的计时电流响应，测试时连续向实施例1中构建的传感器的电解液中加入不同浓度的葡萄糖溶液(从0.2mM增加至8mM)，时间间隔为100s，记录响应时间与电流值的关系曲线，即得该传感器对葡萄糖的安培响应图，结果如图9所示，其中，图9中a为葡萄糖浓度与电流响应之间的计时响应曲线图，图9中b为传感器响应时间测试结果图，由图9可知，加入不同浓度的葡萄糖后，该传感器电流响应不断增加并在较快的时间内达到稳态电流，其响应时间小于3.4s；由图9获得葡萄糖浓度与电流响应之间的关系曲线图，如图10所示，由图10可知，该传感器的电流响应在葡萄糖浓度为0.2-8mM范围内呈现良好的线性关系，线性方程为Y＝-5.95+3.98X，R2＝0.998，检测限为40nM，灵敏度为56.3μA·mM-1·cm-2。
实施例6
利用计时电流法，在实施例1中构建的传感器中10mL电解液中分别加入10μL浓度为0.05mM的葡萄糖以及浓度均为0.5mM的抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)、氯化钠(Na+和Cl-)和硝酸钾(K+和NO3-)进行了响应测试，结果如图11所示，其中，图11中a为计时电流法对干扰物的检测结果图，图11中b为各干扰物与检测的电流响应值图，由图11可知，与葡萄糖对比，该传感器对于其他还原性物质的电化学响应较小，其他还原性物质对葡萄糖的测试造成极小干扰，该传感器对葡萄糖的检测具有极好的选择性。
实施例7
采用计时电流法和加标回收法检测实施例1中构建的传感器对不同血清的葡萄糖的电化学响应，检测结果如图12所示，由图12可知，观察到不同批次的血清加标回收的量不同，回收率在78.8％-109.6％，结合该传感器的检测范围及人体空腹血糖浓度大约为2.8-7.8mM左右，说明传感器可以实现人体血清中葡萄糖的检测，为新型血糖仪的发展提供可靠的检测方法。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种富介孔碳纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将生物质材料于30℃下浸泡在水中240-360h后取浸泡液，获得菌液；然后将所述菌液加入醋酸菌培养基中，混匀后于30℃的培养箱中通气培养12-48h后静态培养120-240h，制得发酵水凝胶；
(2)将步骤(1)中制得的发酵水凝胶除杂后冷冻干燥后得到气凝胶，然后将所述气凝胶于惰性气氛中500-1100℃条件下热解1-6h，制得富介孔碳纳米纤维材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物质材料与水的质量体积比为1-5:10，所述质量体积比的单位为g:mL。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物质材料为水果和/或果皮。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述菌液与醋酸菌培养基的体积比为2-5:8-10。
5.由权利要求1-4任一项所述的方法制备的富介孔碳纳米纤维材料。
6.一种电化学传感器，包括电化学工作站、工作电极、对电极、参比电极、电解池和电解液，其特征在于，所述工作电极表面涂覆有权利要求5所述富介孔碳纳米纤维材料，所述富介孔碳纳米纤维材料上负载了葡萄糖氧化酶。
7.如权利要求6所述的一种电化学传感器，其特征在于，所述工作电极按如下方法制备：
按质量比10-50:1将葡萄糖氧化酶与富介孔碳纳米纤维材料一起分散于水中，混匀后于4℃下静置24-96h，然后以5000-8000r/min的转速离心2-10min后取沉淀，将所述沉淀洗涤后以0.5-2mg/mL的配比浓度分散于水中，获得分散液，向所述分散液中加入粘结剂，混匀后制得电极修饰溶液，将所述电极修饰溶液涂覆到电极上，干燥即可；所述分散液与所述粘结剂的体积比为1-5:1。
8.如权利要求7所述的一种电化学传感器，其特征在于，所述粘结剂为Nafion溶液，所述Nafion溶液中Nafion的质量分数为0.1％。
9.如权利要求7所述的一种电化学传感器，其特征在于，所述干燥具体为在25-50℃下干燥60-120min。
10.权利要求6-9任一项所述的一种电化学传感器在葡萄糖检测中的应用。
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