CN110186969A - 基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器及制备 - Google Patents

基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器及制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于AgNFs‑Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器及制备。将AgNO3溶液与牛血清白蛋白溶液混合，搅拌后加入抗坏血酸溶液，反应得到AgNFs溶液，离心洗涤，再在洗净后的材料中加入H2PtCl6溶液，反应后将溶液离心洗涤得到AgNFs‑Pt溶液，将AgNFs‑Pt溶液滴在电化学传感器工作电极表面，制成基于AgNFs‑Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。与现有技术相比，本发明无酶电化学过氧化氢传感器的构建方法简单安全快捷，且具有很高的灵敏度，宽阔的线性检测范围和低检测极限，能够在极低双氧水浓度下检测到信号。同时，组装所需的纳米材料合成方法绿色环保，简单易操作，催化效果良好，可作为一种新型无酶纳米催化材料。

Description

基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器及 制备
技术领域
本发明涉及一种过氧化氢传感器，尤其是涉及一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器及制备。
背景技术
众所周知，糖尿病是一种威胁人类健康的重大疾病。糖尿病作为一种代谢病，具有不可治愈性，尤其糖尿病患者在后期会有一系列并发症，如糖尿病肾病、糖尿病眼部并发症、糖尿病足、糖尿病心血管并发症、糖尿病性脑血管病和糖尿病神经病变等。这些并发症会给患者带来极大的痛苦和极高的致死率，极大地阻碍了人类健康的发展。目前，糖尿病的检测主要是基于葡萄糖氧化酶实现的，这是由于葡萄糖氧化酶在有氧的条件下能将葡萄糖氧化成葡萄糖内酯和过氧化氢，而过氧化氢(双氧水)的检测非常成熟且简单。
在当今社会中，癌症也是一种威胁人类生命健康的重大疾病。其中，胃癌是一个常见的恶性癌症之一，虽然近几年来胃癌的死亡率有所降低，但是其发病率在所有的恶性肿瘤中居高不下。另外，胃癌的早期检测比较困难，诊断出胃癌往往是其晚期阶段。我国，每年有20万左右的胃癌病人患病逝去，有约20万的新增患者被诊断为胃癌病人。目前，世界上仍然缺乏有效的手段来诊断并攻克胃癌。医学上主要的诊断手段是胃镜和消化道造影技术，但有创的诊断手段会引起病人身体上的不适，且检测手段耗时较长，价格昂贵。所以，找到一种简单快捷的检测手段对于胃癌的治疗有十分重要的意义。
传统的过氧化氢传感器是基于过氧化氢酶实现的。这类传感器具有特异性优异等优点，但是过氧化氢酶作为一类生物酶，不可避免地会在高温、过酸、过碱的环境下失活，在低温条件下活性降低。并且，传统过氧化氢传感器的制备需要大量过氧化氢酶，成本过高。这些缺点极大地限制了传统过氧化氢传感器的商业发展。
纳米材料具有比表面积大、导电性好、生物相容性优良等独特物化特性，使其在催化、分析检测以及生物医疗诊断等领域显示出巨大的应用前景。近年来，随着“纳米酶”概念的提出，利用纳米材料催化过氧化氢已成为现实。虽然特异性不好，但是该方法具有高灵敏度、长时间的稳定性、价格便宜、对环境条件要求小等优点，得到了越来越多的关注和发展。据报道，常见的具有催化效果的纳米材料有金、银、铂等。值得一提的是，基于银、铂纳米材料的复合材料的开发和应用是目前的热点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，电化学传感器工作电极用AgNFs-Pt纳米复合材料修饰，即得到基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
进一步地，所述AgNFs-Pt纳米复合材料包括微米级花形状的AgNFs材料(称之为银微米花)，以及在AgNFs材料花瓣表面生成的铂纳米颗粒。
进一步地，所述铂纳米颗粒为纳米级花粉颗粒结构。
所述AgNFs-Pt纳米复合材料也称之为银微米花-铂纳米颗粒复合材料。
进一步地，所述AgNFs材料表面有一层牛血清蛋白，具有丰富的官能团，特别是-OH和-NH2。
进一步地，所述电化学传感器工作电极表面镀有一层金纳米层。
进一步地，所述AgNFs-Pt纳米复合材料通过Au-S键连接在金纳米层上。
基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将AgNO3溶液与牛血清白蛋白溶液混合，搅拌后加入抗坏血酸溶液，反应，得到AgNFs溶液；
(2)将步骤(1)反应得到的AgNFs溶液离心洗涤，再在洗净后的材料中加入H2PtCl6溶液，反应，反应后将溶液离心洗涤得到AgNFs-Pt溶液；
(3)将AgNFs-Pt溶液滴在电化学传感器工作电极表面，制成基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
进一步地，所述电化学传感器工作电极表面打磨成镜面般光滑，然后在所述电化学传感器工作电极表面镀一层金纳米层。
进一步地，在干燥的金纳米层表面滴加AgNFs-Pt溶液，干燥后，制成基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
进一步地，电极在不用的时候放入4℃冰箱里保存。
本发明提供一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的具体制备方法，包括以下步骤：
(1)在55℃温度下，将AgNO3溶液与BSA溶液混合，适度搅拌十分钟后加入AA溶液，反应半小时即可得到AgNFs溶液。
(2)将上述反应得到的AgNFs溶液离心洗涤3次，再在洗净后的材料中加入H2PtCl6溶液，反应半小时后将溶液离心洗涤一次即可得到AgNFs-Pt溶液。
(3)在抛光后的玻碳电极表面镀一层金纳米层，将AgNFs-Pt溶液滴在电极表面，待液滴干了后电极表面由金黄变成暗灰色，从而制成基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
本发明还提供基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的应用，所述基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器可用于制作葡萄糖电化学传感器和/或癌细胞电化学传感器。
本发明制备了一种基于带花粉颗粒的银微米花的过氧化氢无酶电化学传感器。本发明选择银微米花作为载体，在不使用外加的还原剂和稳定剂的情况下，利用置换反应的原理直接在银微米花花瓣的表面生成大小均一的铂纳米颗粒，利用所合成的复合材料(AgNFs-Pt)进一步构建电化学传感器，进而催化双氧水。本发明电化学传感器工作电极选择用银微米花-铂纳米颗粒(AgNFs-Pt)的复合材料修饰，这是因为银微米花-铂纳米颗粒的复合材料是基于银微米花为载体，具有超高的导电性；花瓣表面修饰有铂纳米颗粒，具有高效的催化效率；该复合材料合成过程安全环保，是一种绿色合成过程。通过基于带花粉颗粒的银微米花的过氧化氢无酶电化学传感器的成功构建，本传感器能够实现对过氧化氢的检测，从而为后期葡萄糖电化学传感器以及癌细胞电化学传感器的搭建提供基础。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
一、本发明中使用的AgNFs-Pt纳米复合材料具有如下的特点：
1、银微米花形貌规整，大小均一，花瓣优美，生长在花瓣上的铂颗粒进一步加强了该复合材料的催化作用；
2、银微米花表面有一层牛血清蛋白，具有丰富的官能团，特别是-OH和-NH2，这有效的提高了复合材料的水溶性和稳定性。同时，这些功能团可以为进一步修饰(如连接生物酶)提供结合位点。
3、制备AgNFs-Pt复合材料的过程，简便快捷，绿色环保。
二、基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的特点：
该无酶电化学过氧化氢传感器的构建方法简单安全快捷，且构建好的无酶电化学过氧化氢传感器具有很高的灵敏度，宽阔的线性检测范围和低检测极限，能够在极低双氧水浓度下检测到信号。为制作其他电化学传感器提供了新的思路和方法。
附图说明
图1.不同材料的SEM，TEM和EDS图。
图2.亚甲基蓝“变色”反应紫外监测图谱。
图3.过氧化氢催化反应的电流时间曲线以及对应的线性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在本发明的实施方式中，所用的化学试剂均为分析纯及以上。
抗坏血酸(AA)，氯金酸(HAuCl4·4H2O)，氯铂酸(H2PtCl6·6H2O,99.9％,Pt:37.5％+)，硝酸银(AgNO3)，硼氢化钠(NaBH4)，30％过氧化氢溶液(H2O2)均购买于中国国药有限公司。牛血清白蛋白(BSA)，亚甲基蓝(MB)购买于上海阿拉丁试剂有限公司。实验中所用的去离子水均由Millipore-Q超纯水系统(Millipore公司，美国)实时制备，且电导率不低于18.2MΩcm。
实施例1、银微米花(AgNFs)的制备
取50mL样品瓶，将BSA溶液(5mg mL-1,10mL)与AgNO3溶液(10mM,10mL)在室温下搅拌混合均匀，然后水浴加热至55℃，保持一段时间后，将AA溶液(100mg mL-1,500μL)快速加入混合溶液中，磁子搅拌半小时后，即可得到AgNFs溶液，将反应完成的溶液取出，转移到50mL离心管中，离心速度为(5000rpm,10min)，来回洗涤三次。将最终得到的样品溶液冷冻干燥，得到的AgNFs固体放入4℃冰箱里保存，以供将来使用。
实施例2、带花粉颗粒的银微米花(AgNFs-Pt)的制备
将AgNFs固体重溶于20mL水中，室温下在AgNFs溶液里加入H2PtCl6溶液(38.6mM,0.1mL)，转子搅拌充分反应半小时后将所得溶液转移到50mL离心管中，离心速度为(5000rpm,10min)，洗涤一次即可，得到AgNFs-Pt溶液。将最终得到的样品溶液冷冻干燥，得到的AgNFs-Pt固体放入4℃冰箱里保存，以供将来使用。
实施例3、AgNFs-Pt无酶电化学过氧化氢传感器的构建
实验选取电极为直径3mm的玻碳电极，修饰步骤如下：将电极表面用0.3和0.05μm的铝粉打磨成镜面般光滑，随后，在it模式下用HAuCl4溶液将其表面镀金，可以在电极表面观察到一层金黄色的金纳米层。用水冲洗后用氮气吹干，在干燥的金层表面滴加AgNFs-Pt溶液(3mg mL-1,6μL)。将修饰好的电极放在室温下孵育4小时，待电极表面液滴完全干燥后用水冲去没有通过Au-S键连接稳固的多余复合材料。这样，AgNFs-Pt无酶电化学过氧化氢传感器就构建完成，电极在不用的时候放入4℃冰箱里保存。
实施例4、不同材料的SEM，TEM和EDS图
AgNFs和AgNFs-Pt复合材料的相关表征图详见图1，其中1A，1B为AgNFs的扫描电镜图(SEM)，1C为AgNFs-Pt的透射电镜图(TEM)。通过对比1A，1B，1C可知，放大的AgNFs-Pt的花瓣表面有一层小颗粒。为了探索颗粒性质，对AgNFs-Pt做了TEM-mapping图，图1D。通过1D我们得知，银微米花表面有铂、硫、氮元素，表明银微米花表面除了有铂颗粒外，还覆盖了一层BSA蛋白。且1E中的EDS图进一步说明了Pt、N和S元素的存在，进一步说明AgNFs-Pt成功的合成。
实施例5、AgNFs-Pt复合材料的催化性能
为了验证AgNFs-Pt具有催化功能，设计亚甲基蓝的“变色”实验。取MB溶液(0.4685μM，800μL)与NaBH4溶液(0.053M，120μL)混合，再取上述AgNFs-Pt材料(250μL)，三种溶液在紫外皿中混合后通过紫外分光光度计实时记录亚甲基蓝特征峰的变化，结果如图2所示。由图2可知亚甲基蓝特征峰在664nm处，且约6分钟后反应体系中的亚甲基蓝被完全消耗。这一结果表明了AgNFs-Pt复合材料具有良好的催化效果。
实施例6、构建的无酶电化学过氧化氢传感器催化性能的检测
为了探究该传感器的电化学催化性能，选择电流时间梯形曲线来表征这一催化过程。图3显示了这一变化，在-0.35V电压下，在氮气保护的10mM PBS溶液里加入不同浓度的双氧水，随着浓度增加，电流值在增大。读取每个阶梯的电流平均值做了线性曲线，线性拟合情况由图3B所示。线性拟合方程为I(μA)＝-0.02159c(μM)-3.39546，拟合系数为R2＝0.99939，呈很好的线性状态。
组装的该过氧化氢电化学传感器的线性检测范围为1μM到2mM，最低检测限(信噪比为3)由公式3Sd/k计算为13.3nm，其中Sd为没有加入过氧化氢时的电流值的标准差，k为线性拟合曲线的斜率(取绝对值)；灵敏度由公式k/s计算为229.08mA M-1cm-2，其中k为线性拟合曲线的斜率(取绝对值)，s为电极表面接触面积。
由上述结果可知，本发明构建的传感器具有线性拟合度好，线性范围广，检测下限低，灵敏度高等优点，且无需生物酶(如过氧化氢酶)参与组装，对测试环境和反应条件要求弱，可以作为发展其他生物传感器的基础。同时，组装所需的纳米材料合成方法绿色环保，简单易操作，催化效果良好，可作为一种新型无酶纳米催化材料。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，其特征在于，电化学传感器工作电极用AgNFs-Pt纳米复合材料修饰，即得到基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，其特征在于，所述AgNFs-Pt纳米复合材料包括微米级花形状的AgNFs材料，以及在AgNFs材料花瓣表面生成的铂纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，其特征在于，所述铂纳米颗粒为纳米级花粉颗粒结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，其特征在于，所述AgNFs材料表面有一层牛血清蛋白。
5.根据权利要求1所述的一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，其特征在于，所述电化学传感器工作电极表面镀有一层金纳米层。
6.根据权利要求5所述的一种基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器，其特征在于，所述AgNFs-Pt纳米复合材料通过Au-S键连接在金纳米层上。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将AgNO3溶液与牛血清白蛋白溶液混合，搅拌后加入抗坏血酸溶液，反应，得到AgNFs溶液；
(2)将步骤(1)反应得到的AgNFs溶液离心洗涤，再在洗净后的材料中加入H2PtCl6溶液，反应，反应后将溶液离心洗涤得到AgNFs-Pt溶液；
(3)将AgNFs-Pt溶液滴在电化学传感器工作电极表面，制成基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
8.根据权利要求7所述基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，所述电化学传感器工作电极表面打磨成镜面般光滑，然后在所述电化学传感器工作电极表面镀一层金纳米层。
9.根据权利要求8所述基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在干燥的金纳米层表面滴加AgNFs-Pt溶液，干燥后，制成基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器。
10.一种如权利要求1-6中任一项所述基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器的应用，其特征在于，所述基于AgNFs-Pt纳米复合材料的无酶电化学过氧化氢传感器用于制作葡萄糖电化学传感器和/或癌细胞电化学传感器。
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