CN110196270A

CN110196270A - 一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法与分析应用

Info

Publication number: CN110196270A
Application number: CN201910538758.3A
Authority: CN
Inventors: 孙伟; 罗贵铃; 殷春晓; 邓英; 邹如意; 牛燕燕; 刘娟; 李冰航; 陈鹏颖
Original assignee: Hainan Normal University
Current assignee: Hainan Normal University
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-09-03

Abstract

本发明公开了一种基于生物质炭‑纳米金的电化学生物传感器的构建方法，进一步应用于三氯乙酸、亚硝酸钠和溴酸钾的定量分析。以表面修饰有生物质炭(BC)、纳米金(Au)、血红蛋白(Hb)和Nafion复合膜的离子液体碳糊电极为工作电极。其构建方法，包括生物质炭材料的制备、电沉积Au、组装Hb和Nafion膜等步骤。本发明所构建的电化学生物传感器可以应用于检测三氯乙酸、亚硝酸钠和溴酸钾的定量检测，具有抗干扰能力强、检测范围宽和检测限低的优点。

Description

一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法与分析应用

技术领域

本发明涉及一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法，并用于化学修饰电极的制备和三氯乙酸、亚硝酸钠和溴酸钾的定量分析领域。

背景技术

近年来，生物质炭因其制备方法简易、有较大的比表面积、多孔结构和优良的导电性能等优点引起了广泛关注。生物质炭是在无氧环境中对含碳生物质进行高温碳化得到的富含碳的多孔隙颗粒。生物质炭材料的碳源种类众多，其中包括农作物麦秆、食品加工产生的废料以及人类制造的生活垃圾等。作为一种可再生材料，生物质炭在电化学、新能源等领域有着广泛的应用前景，其可用于超级电容器和电化学生物传感器的构建。

血红蛋白（Hb）是一种结合蛋白，含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。4个血红素分别位于四条多肽链的E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露于分子表面。Hb是脊椎动物红细胞主要组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。Hb是研究有机生物体生理活动的理想模型之一。

三氯乙酸(TCA)作为一种有机卤化物，可用于除草剂、祛斑美容剂以及饮用水杀菌剂等，进入人体内可破坏人体蛋白质结构，危害人体健康；亚硝酸钠(NaNO₂)常被作为食品添加剂使用，但该物质进入生物体内可产生致癌的亚硝酸胺，可使血液中低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，破坏生物体内的血液运输氧气的能力，危害人体健康；溴酸钾(KBrO₃)被广泛应用于食品工业中，作为面粉、鱼肉罐头制品的品质改良添加剂等，该物质会抑制蛋白质分解酶的活性，从而产生致癌物，危害人体健康；因此建立一种高效、简单、灵敏的定量分析方法去检测TCA、NaNO₂和KBrO₃的含量至关重要。

目前，常见的检测方法具有灵敏度较差、线性范围窄以及需要较复杂和昂贵的仪器设备等缺陷，故研发一种简单、低廉、高效和灵敏的定量分析方法至关重要。电化学检测方法具有简单、快速、高灵敏、高稳定性等优点，已在环境监测、食品分析和药物检测领域引起广泛的关注。近年来，随着纳米技术的快速发展，基于各种纳米材料所构建的修饰电极能极大地增强电化学传感器的信号强度，有效克服样品准备、检测样品复杂和耗时的缺陷。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法，旨在通过简单的电化学检测方法，实现TCA、NaNO₂和KBrO₃的定量分析。

电化学传感器的灵敏度和选择性主要取决于电极上的换能器(信号转换元件)和识别器(敏感元件)，其中换能器的界面传感材料需要高电子传导性、高比表面积与良好的催化活性，以提高换能器对敏感材料的吸附性能及生物相容性，降低氧化还原反应过电势，提高生物传感器的选择性与灵敏度。因此，本发明以生物质炭和纳金米复合材料提供大的比表面积和高导电性，加快血红蛋白与电极之间的电子传递，从而构建快速有效的生物电化学传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于生物质炭（BC）-纳米金（Au）的电化学生物传感器，包括在三电极体系中用作基底电极的碳离子液体修饰电极(CILE)，所述CILE表面修饰有包括BC、Au和Hb组成的复合膜，所述复合膜表面再覆盖一层Nafion膜进行固定。进一步优选的，所述BC、Au和Hb从内至外依次排列于所述CILE表面形成复合膜。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的生物电化学传感器的具体制备方法，包括以下步骤。

S1、修饰BC：在CILE表面滴涂6.0 μL 0.5 mg/mL BC悬浮液，静置晾干后得到BC修饰的CILE。

S2、电沉积纳米Au：在所述步骤S1得到的BC/CILE表面电沉积Au，静置晾干后得到Au-BC/CILE。

S3、修饰Hb：在所述步骤S2得到的Au-BC/CILE表面滴涂8.0 μL 15.0 mg/mL Hb，静置晾干后得到Hb/Au-BC/CILE。

S4、覆盖Nafion膜：在所述步骤S3得到的Hb/Au-BC/CILE表面滴涂6.0 μL wt 0.5%Nafion乙醇溶液，使所述电极材料能够稳定固化在电极表面，完成生物电化学传感器的制备，即Nafion/Hb/Au-BC/CILE。

上述的制备方法，优选的，所述步骤S2中，采用恒电位沉积法将所述Au沉积在所述BC/CILE表面，所述恒电位沉积法的沉积电位为-0.2 V~-0.5 V，沉积时间为100 s~300 s，沉积液为1.0 ~3.0 mmol/L的氯金酸溶液。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了采用所述制备方法制得的生物电化学传感器在检测TCA、NaNO₂和KBrO₃的应用。

上述的应用，优选的，所述检测TCA、NaNO₂和KBrO₃的应用方法步骤为：以经过所述步骤S4制备修饰电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为辅助电极，建立三电极系统，以磷酸盐缓冲溶液（PBS）为支持电解质，记录循环伏安曲线，根据TCA、NaNO₂和KBrO₃浓度与还原峰电流之间的关系分别构建线性回归方程。

上述的应用，优选的，所述检测TCA、NaNO₂和KBrO₃的步骤中，所述PBS的pH为3.0~8.0，进一步优选的缓冲溶液pH为3.0。

上述的应用，优选的，所述TCA浓度与还原峰电流变化关系的线性回归方程为Ip(μA)=6.32C(mmoL/L)+61.9，式中的相关系数为g=0.990，TCA检测线性范围为10.0~330.0mmol/L，检测限为3.33 mmol/L；所述NaNO₂浓度与还原峰电流变化关系的线性回归方程为Ip(μA)=98.8C(mmoL/L)+12.4，式中的相关系数为g=0.992，NaNO₂检测线性范围为0.1~1.0mmol/L，检测限为0.03 mmol/L；所述KBrO₃浓度与还原峰电流变化关系的线性回归方程为Ip(μA)=12.6C(mmoL/L)+81.1，式中的相关系数为g=0.996，KBrO₃检测线性范围为0.3~13.0mmol/L，检测限为0.1 mmol/L。

与现有技术相比，本发明的优点在于。

1、本发明提供的一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法，是在CILE表面修饰有BC、Au和Hb组成的复合膜，复合膜表面覆盖一层Nafion膜。如果待测样品中存在目标底物，则电极表面的Hb会参与催化反应。

2、本发明提供的一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法与分析应用，在检测TCA、NaNO₂和KBrO₃的分析应用中具有较宽的检测范围和较低的检测限。这得益于BC、Au和Hb的协同放大作用，工作电极表现出优良的电子传输能力，很大程度上提高了电化学传感器的灵敏度。

3、本发明提供的一种基于生物质炭-纳米金的电化学构建的生物电化学传感器，具有催化活性好、稳定性高和使用寿命长等优点。这得益于BC是一种多孔材料，其具有较大的比表面积，固定在CILE表面后可以使Au均匀沉积在BC立体结构表面；电沉积在BC孔道的Au为Hb的电子转移提供良好的导电平台，最后利用Nafion膜固化复合材料，使电极更加的稳定并有利于电荷传输，从而提高该传感器的稳定性和使用寿命。

4、本发明提供的一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法与分析应用，该方法具有制备工艺简单、成本低廉，操作便捷、无污染且应用范围广等优点，可以实现对TCA、NaNO₂和KBrO₃的定量分析。

附图说明

图1为Nafion/Hb/Au-BC/CILE在TCA存在下的循环伏安曲线 (a~o依次为10.0,20.0, 30.0, 40.0, 50.0, 70.0, 90.0, 110.0, 140.0, 170.0, 200.0, 230.0, 260.0,300.0, 330.0 mmol/L)。

图2为Nafion/Hb/Au-BC/CILE在不同浓度NaNO₂存在下的循环伏安图 (a~i依次为0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 mmol/L)。

图3为Nafion/Hb/Au-BC/CILE在不同浓度KBrO₃存在下的循环伏安图 (a~i依次为0.3, 1.0, 2.0, 3.5, 5.0, 7.0, 9.0, 11.0, 13.0 mmol/L)。

图4为不同修饰电极在pH 3.0 的PBS中，扫速为100 mV/s时的循环伏安曲线，其中曲线d为实施例2 S6的Nafion/Hb/Au-BC/CILE的循环伏安曲线，曲线c为实施例2 S3的Nafion/Hb/CILE的循环伏安曲线，曲线b为实施例2 S2的Nafion/CILE的循环伏安曲线，曲线a为实施例2 S1的CILE的循环伏安曲线。

图5为TCA浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归曲线。

图6为NaNO₂浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归曲线。

图7为KBrO₃浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售。

实施例1

一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法与分析应用，包括在三电极体系中用作基底电极的CILE，CILE表面修饰有复合膜，复合膜是从内到外依次排列的BC、Au、Hb和Nafion组成的，分析应用的步骤如下。

当将上述生物电化学传感器置于含TCA的pH为3.0的PBS中，记录循环伏安曲线，根据TCA浓度与还原峰电流变化关系构建线性回归方程。参见图1，其为上述电化学生物传感器分别检测10.0, 20.0, 30.0, 40.0, 50.0, 70.0, 90.0, 110.0, 140.0, 170.0,200.0, 230.0, 260.0, 300.0, 330.0 mmol/L TCA溶液时的循环伏安曲线的叠加图，明显可以看出还原峰电流随着TCA浓度的增大而增大。

当待测溶液为NaNO₂时，以pH为3.0的PBS为支持电解质，记录循环伏安曲线，根据NaNO₂浓度与还原峰电流变化关系构建线性回归方程。参见图2，其为该电化学酶传感器在pH为3.0的PBS中分别检测含0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 mmol/LNaNO₂时测得的循环伏安曲线的叠加图，明显可以看出还原峰电流随着NaNO₂浓度的增加而增加。

当待测溶液为KBrO₃时，以pH为3.0的PBS为支持电解质，记录循环伏安曲线，根据KBrO₃浓度与还原峰电流变化关系构建线性回归方程。参见图3，其为上述电化学酶传感器分别检测0.3, 1.0, 2.0, 3.5, 5.0, 7.0, 9.0, 11.0, 13.0 mmol/L KBrO₃溶液时的循环伏安曲线的叠加图，明显可以看出还原峰电流随着KBrO₃浓度的增大而增大。

由此可见，实施例1中的生物电化学传感器可以用来定量分析TCA、NaNO₂和KBrO₃，并据循环伏安曲线的还原峰电流在相应底物存在时判断TCA、NaNO₂和KBrO₃的浓度。

实施例2

一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器的构建方法，包括以下步骤。

S1、取1.6 g石墨粉和0.8 g N-己基吡啶六氟磷酸盐(HPPF₆)置于研钵中研磨2.5h得到碳糊，然后将碳糊填入内径为 4 mm的玻璃电极管中压实，内插铜丝作为导线，得到CILE。图4曲线a展示了CILE在pH为3.0的PBS中的循环伏安曲线。

S2、修饰Nafion：在所述步骤S1得到的CILE表面修饰0.5% wt Nafion乙醇溶液，得到Nafion/CILE。图4曲线b展示了Nafion/CILE在pH为3.0的PBS中的循环伏安曲线。

S3、修饰Hb：在所述步骤S1得到的CILE表面修饰8.0 μL 15.0 mg/mL Hb溶液，得到Hb/CILE；在Hb/CILE表面涂布0.5% wt Nafion乙醇溶液，静置晾干后得到Nafion/Hb/CILE。图4曲线c展示了CILE在pH为3.0的PBS中的循环伏安曲线。

S4、修饰BC：在所述步骤S1得到的CILE表面修饰C材料，得到BC/CILE，用量为6.0 μL 0.5 mg/mL BC悬浮液。

S5、电沉积Au：在所述步骤S4得到的BC/CILE浸泡在1 mmol/L 氯金酸(HAuCl₄)溶液中，采用恒电位法电沉积Au，沉积电位为-0.3 V，沉积时间为60 s。沉积后静置100 s，用超纯水冲洗，静置晾干后得到Au-BC/CILE。

S6、生物电化学传感器的构建：在所述步骤S5得到的Au-BC/CILE表面修饰8.0 μL15.0 mg/mL Hb，静置晾干后得到Hb/Au-BC/CILE；在Hb/Au-BC/CILE表面覆盖0.5% wtNafion膜，静置晾干后得到Nafion/Hb/Au-BC/CILE。图4曲线d展示了Nafion/Hb/Au-BC/CILE在pH为3.0的PBS中的循环伏安曲线。

实施例3

一种实施例1的生物电化学传感器在检测TCA中的应用，包括以下步骤：以实施例2 S6制备的Nafion/Hb/Au-BC/CILE作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂电极作为对电极，建立三电极系统，以pH为3.0的PBS为支持电解质，记录循环伏安曲线；根据TCA浓度与还原峰电流变化关系构建检测线性回归方程。参照图5，TCA浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归图，从图中可知检测线性回归方程为：Ip (μA)=6.32C(mmoL/L)+61.9，相关系数为g=0.990，TCA检测线性范围为10.0~330.0 mmol/L，检测限为3.33 mmol/L (3σ)。

实施例4

一种实施例1的生物电化学传感器在检测NaNO₂中的应用，包括以下步骤：将以实施例2S6制备的Nafion/Hb/Au-BC/CILE作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂电极作为对电极，建立三电极系统，以pH为3.0的PBS为支持电解质，记录循环伏安曲线；据NaNO₂浓度与还原峰电流变化关系构建检测线性回归方程。参照图6，NaNO₂浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归图，从图中可知检测线性方程为：Ip(μA)=98.8C(mmoL/L)+12.4，相关系数为g=0.992，NaNO₂检测线性范围为0.1~1.0 mmol/L，检测限为0.03 mmol/L (3σ)。

实施例5

一种实施例1的生物电化学传感器在检测KBrO₃中的应用，包括以下步骤：将以实施例2S6制备的Nafion/Hb/Au-BC/CILE作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂电极作为对电极，建立三电极系统，以pH为3.0的PBS为支持电解质，记录循环伏安曲线；据KBrO₃浓度与还原峰电流变化关系构建检测线性回归方程。参照图7，KBrO₃浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归图，从图中可知检测线性方程为：Ip(μA)=12.6C(mmoL/L)+81.1，相关系数为g=0.996，KBrO₃检测线性范围为0.3~13.0 mmol/L，检测限为0.1 mmol/L(3σ)。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器构建的方法与分析应用。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器构建的方法，其特征在于，生物质炭材料的制备方法为：将植物七里香叶用蒸馏水清洗去除表面杂质，晾干后放入碱性溶液中浸泡活化，烘干；然后放入管式炉中在无氧氛围下炭化，取出后滴加酸性溶液进行中和处理，洗涤、干燥，即制成生物质炭。

3.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器构建的方法与分析应用，其特征在于，其构建的生物质炭、纳米金、血红蛋白和Nafion修饰的工作电极，可用于三氯乙酸、亚硝酸钠和溴酸钾的定量分析。

4.根据权利要求3所述的纳米金的修饰方法，其特征在于，所述纳米金的修饰方法为在氯金酸溶液中进行恒电位沉积。

5.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-纳米金的电化学生物传感器构建的方法，其特征在于，所述的电化学生物传感器用于三氯乙酸、亚硝酸钠和溴酸钾的定量分析。