CN110286149A - 一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器及其应用 - Google Patents

一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电位型防生物污损传感器，具体地说是一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器及其应用。聚合物膜电位型防生物污损传感器由常规圆盘电极、聚合物敏感膜和氧化石墨烯层组成；所述常规圆盘电极一端依次粘附聚合物敏感膜和氧化石墨烯层。本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器可借助氧化石墨烯材料提高聚合物敏感膜的亲水性和灭杀性以实现对生物附着和生物膜形成的阻碍作用，实现聚合物膜电位型传感器的抗生物污损性能，从而解决聚合物膜电位型传感器在复杂水体中应用时常面临的生物污损问题。本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器具有制备简单，抗污损性能持续时间长的优势。

Description

一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传 感器及其应用
技术领域
本发明涉及电位型防生物污损传感器，具体地说是一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器及其应用。
背景技术
在目前已发展的多种环境检测方法中，电化学方法因其操作简单、检测速度快、易于小型化等优势，在环境、医学和食品安全检测方面已得到了广泛的应用。聚合物敏感膜电极是一类较为常见的电化学传感器，其不受样品颜色、浑浊度、粘度的影响，对待测物可进行连续快速检测等优势，在实际样品现场、原位分析中应用较广。然而，该类电极在实际应用中电极表面易发生生物污损，这极大地影响电极的热力学响应过程，导致响应时间变长、电极检测性能下降、电极使用寿命缩短等问题。为降低环境水体中生物污损带来的损害，研究者已发展多种防污技术，如：超声波法、辐射法、外加电流法等，但大部分技术是针对海洋人工设备(如：船舶、浮标等)，无法拓展到小型检测设备-传感器领域。此外，目前关于聚合物膜离子选择性电极的防污研究中，大部分研究多集中在如何提高离子选择性电极在生物样品中的抗蛋白质附着，尚未涉及如何提高电极在环境水体中的抗生物附着性能方面。在不影响聚合物膜电位型传感器检测性能的基础上提高电极对环境中生物污损的抵抗能力仍然是一大难题。此外，离子选择性电极的功能化修饰常见于固定生物分子、构筑生物传感器，而基于无机纳米材料实现离子选择性电极表面修饰方面的研究甚少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器及其应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，聚合物膜电位型防生物污损传感器由常规圆盘电极、聚合物敏感膜和氧化石墨烯层组成；所述常规圆盘电极一端依次粘附聚合物敏感膜和氧化石墨烯层。
所述石墨烯层为通过层层自组装方法在聚合物敏感膜表面修饰构筑至少一层的氧化石墨烯层。
所述修饰构筑氧化石墨烯层为将聚合物膜电位型传感器浸入多巴胺溶液中1-36小时，于聚合物敏感膜表面生成聚多巴胺层，在将传感器浸入含聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中5-20分钟，而后再将传感器浸入氧化石墨烯溶液中5-20分钟，以使得氧化石墨烯防污层自组装于传感器聚合物膜表面，实现一次修饰循环，再重复所述修饰循环，于聚合物敏感膜表面修饰构筑至少一层的氧化石墨烯层。
以此完成一个修饰循环，可重复上述过程数次，以得到理想的修饰厚度；优选循环2-5次。
上述将聚合物膜电位型传感器浸入多巴胺溶液中，借助多巴胺的自聚合反应在电极表面生成聚多巴胺层以增加聚合物敏感膜表面的亲水基团，增加防污层在膜表面的附着位点。
所述多巴胺溶液为多巴胺溶于pH 7.0-10.0的Tris-HCl或Tris-H2SO4中；其中，多巴胺的浓度为0.001-1000mg/L；
所述含聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)的水溶液为PDDA溶于水中，或，水中还添加NaCl；其中，水中含体积百分比0.1％-30％的PDDA。
所述聚合物膜电位型防生物污损传感器包括：无内充液、有传导层的固体接触式聚合物膜离子选择性电极或含内充液的液体接触式聚合物膜离子选择性电极。
所述常规圆盘电极为玻碳圆盘电极、金圆盘电极或铂圆盘电极。
所述离子选择性敏感膜由离子选择性载体、亲脂性离子交换剂、膜基底材料和增塑剂按照重量份数比:0.2-10:0.1-5:20-40:40-80混合，而后溶于四氢呋喃溶液中，而后滴于圆盘电极表面，在室温下自然挥发即可。
所述膜基体材料为聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡胶、醋酸纤维、聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；所述增塑剂为邻硝基苯辛醚、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、己二酸二辛酯或癸二酸二辛酯；离子选择性载体为铅离子、铜离子、铁离子、铬离子、钠离子、钾离子、铵根离子、钙离子、镁离子、碳酸根离子、硝酸根离子、氯离子或溴离子；亲脂性离子交换剂为四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠或三(十二烷基)氯化铵。
一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器的应用，所述聚合物膜电位型防生物污损传感器对环境水体中污损生物的抗生物污损的性能。
所述聚合物膜电位型防生物污损传感器检测常见的离子包括：铅离子、铜离子、铁离子、铬离子、钠离子、钾离子、铵根离子、钙离子、镁离子、碳酸根离子、硝酸根离子、氯离子、溴离子。
所述环境水体为湖水、河水和海水。
作用原理：传统的聚合物膜电位型传感器一般是由聚合物基体材料、增塑剂、离子载体和离子交换剂组成，由于电极本身的亲脂性和弱的抗生物污损性能，使得环境中微生物极易附着在电极表面，并进一步形成生物膜，从而影响电极的热力学响应，使得电极检测性能逐渐丧失。本发明传感器的聚合物膜表面附有氧化石墨烯防污层，其通过氧化石墨烯材料在电极表面的修饰提高敏感膜抗污损生物附着性能和对污损生物的灭杀作用，以抑制微生物在电极表面的附着和生物膜的形成。防污原理具体为：石墨烯材料在敏感膜表面的修饰提高了膜的亲水性，这使得膜表面与污损生物之间可形成水层结构，以此阻碍微生物附着；石墨烯片层的锋利边缘以及其对污损微生物的氧化应激作用，可破坏污损生物的细胞膜完整性，导致了微生物死亡，以此提高敏感膜对污损生物的灭杀作用。此外，所述传感器能够对待测离子可产生电位响应，实现对环境水体中常见离子的检测。
本发明的优点在于：
1.本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，首次通过将具有抗污活性的纳米材料修饰在聚合物膜电位型传感器表面以提高电位型传感器在环境中的抗生物污损活性。
2.本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，采用层层自组装法在电极表面构筑防污层，避免了复杂的化学修饰过程，操作简单，并有效地降低了化学修饰过程中化学试剂对敏感膜性能的损坏。
3.本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器中所述的氧化石墨烯防污层对聚合物膜电位型传感器具有一定普适性，通过改变离子载体的种类可构筑多种离子选择性防污传感器。
4.本发明聚合物膜电位型防污传感器可应用于多种环境水体或高浓度菌液环境。因而本发明将在水质分析、环境监测、污染物控制等领域可发挥巨大的作用。
附图说明
图1为本发明实施1提供的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损电极的结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的聚合物膜电位型防生物污损传感器在0.5M NaCl溶液中测定不同浓度Ca2+的电位响应图。
图3为本发明实施例1提供的聚合物膜电位型防生物污损传感器在高浓度菌液中连续浸泡数天后在0.5M NaCl溶液中测定不同浓度Ca2+的电位响应图。
图4为本发明实施例1提供的聚合物膜电位型防生物污损传感器在菌液中浸泡1小时后敏感膜表面附着的菌落数。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
本发明聚合物膜电位型防生物污损传感器，由常规圆盘电极、聚合物敏感膜、防污层组成；所述基于氧化石墨烯材料的防污涂层可通过不同于传统直接掺入法的层层自组装方法，实现防污层在聚合物膜表面的固定，此构筑方法无需复杂化学修饰过程，对各种聚合物膜电位型传感器具有一定普适性。本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防污传感器可借助氧化石墨烯材料的亲水性以及其对污损生物细胞膜的破坏作用，实现聚合物膜电位型传感器的抗污损性能，从而解决聚合物膜电位型传感器在复杂水体中应用时常面临的生物污损问题。本发明基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器具有制备简单，抗污损性能持续时间长的优势。
实施例1
以检测钙离子为例，基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器的具体制备步骤如下：
a.钙离子选择性膜溶液的配置：PVC颗粒、邻-硝基苯辛醚、钙离子载体和四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠的混合物共360mg，其中为31.8wt％PVC颗粒、63.7wt％邻-硝基苯辛醚，2.3wt％钙离子载体和2.2wt％四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，移入到3.6mL四氢呋喃溶液中，搅拌6h使之分散均匀，即得到电极敏感膜溶液。
b.圆盘电极的前处理过程：以玻碳圆盘电极为例，将打磨后的圆盘电极经无水乙醇和去离子水超声清洗后，用氮气将电极表面吹干。通过在恒电流0.01414mA下电沉积714s后，在电极表面形成均匀致密的PEDOT(PSS)膜。此修饰层可有效避免水层对电极性能的影响。
c.基于氧化石墨烯防污层的电位型防生物污损电极的制备：将上述表面沉积PEDOT(PSS)传导层的圆盘电极经清洗、室温干燥后，在其表面通过滴涂法修饰100μL上述获得聚合物钙离子选择性膜溶液，并将修饰后的圆盘电极置于恒温干燥箱干燥过夜备用。将所得电极浸入含有2mg/L多巴胺的pH 8.5的10mM Tris-HCl溶液中5小时，借助多巴胺的自聚合反应在电极表面生成聚多巴胺层以增加聚合物敏感膜表面的亲水基团，增加防污层在膜表面的附着位点。而后将电极再浸入含有体积比1％聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和0.5M NaCl的水溶液中10分钟，以在电极表面形成带有正电荷的PDDA层。最后将所得电极浸入0.5mg/L氧化石墨烯溶液中10分钟，以使得氧化石墨烯防污层自组装在电极表面。以此完成一个修饰循环，可重复上述过程数次，以得到理想的修饰厚度，即得到电位型防污电极(参见图1)。
实施例2
以检测钙离子为例，利用上述实施例获得传感器对钙离子的电位检测：
a.以实施例1所述制备得到的防污钙离子选择性电极为工作电极、Ag/AgCl电极为参比电极对不同浓度钙离子进行电位检测；
b.将上述获得的防污钙离子选择性电极置于10-3M CaCl2溶液中活化过夜。使用CaCl2和NaCl配置的1M的钙离子储备液(含0.5M NaCl)，向0.5M NaCl底液中加入钙离子储备液，使底液中的钙离子为10-4、10-3.5、10-3、10-2.5、10-2、10-1.5、10-1M，而后利用上述搭建检测体系进行检测，并记录不同浓度钙离子产生的电位值(参见图2)。对钙离子浓度校正后，实验结果参见图2，由图2可见所得检测灵敏度为25.67mV dec-1,与根据能斯特方程计算的理论灵敏度接近，说明对所构筑的电极对不同浓度的钙离子具有较好的检测性能。
实施例3
以检测钙离子为例，利用上述实施例获得传感器置于高浓度菌液浸泡数天后对钙离子的电位响应：
a.高浓度菌液的培养和配置：将1mL海水与9mL LB培养基混合均匀置于摇床内37℃下培养过夜，而后取1mL含细菌的过夜培养培养液与9mL LB培养基混合均匀并置于摇床内37℃下培养2h。通过离心将细菌与培养基分离，并用无菌生理盐水洗涤细菌3次，而后将细菌分散于无菌生理盐水中以得到浓度为108或109CFU mL-1的细菌悬浊液备用。
b.将实施例1中所得到的聚合物膜电位型防污传感器置于上述步骤a)细菌悬浊液(109CFU mL-1)中浸泡3、5、7天后，将防污传感器取出清洗，而后置于10-3M CaCl2溶液中活化过夜，对不同浓度钙离子进行电位检测，操作过程依照实施例2步骤c进行。对钙离子浓度校正后，实验结果参见图3。
c.将实施例1中所得到的聚合物膜电位型防污传感器置于上述步骤a)中所得细菌悬浊液(108CFU mL-1)中1h后，取出电极表面的敏感膜用生理盐水清洗后，置于5mL生理盐水中超声10分钟后将得到的悬浊液稀释10倍，取100微升稀释后的悬浊液均匀涂于LB固体培养基表面并置于37℃下培养过夜，而后对固体培养基表面的菌落进行计数，实验结果参见图4。
由图3可见所构筑电极在含有高浓度污损生物的环境下电极性能未受到影响，说明其对污损生物的附着具有较好的抵抗能力；由图4可见电极敏感膜修饰石墨烯后，生物附着的数量降低了53％左右，此结果进一步证明了所构筑防污电极的抗生物附着能力。
同时按照实施例1记载的离子选择性敏感膜的制备过程中添加不同的离子选择性载体(如：铅离子载体、钾离子载体等)，而后按照实施例1记载的氧化石墨烯修饰过程即可获得测定不同离子的防污聚合物膜电极，进而可实现上述相同的效果，可见本方法的普适性。
实施例4
以检测钙离子为例，利用上述实施例获得传感器检测海水样品中钙离子的浓度：
为评估所构筑电极检测实际海水检测应用中准确性，选取渤海海域的海水样品为待测样品，以实施例1中获得的防污传感器为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，采用标准加入法测定待测样品中钙离子浓度。取10mL海水样品并向其中加入50μL的0.1M钙离子溶液，根据加入体积与产生的电位值之间的数学关系公式(能斯特公式)，计算得到海水样品中钙离子浓度，并将得到的分析结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)分析的结果进行比对，以确保分析的准确性，所得对比结果均在95％-105％之间，说明了较好的检测准确性。

Claims (10)

1.一种基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，其特征在于：聚合物膜电位型防生物污损传感器由常规圆盘电极、聚合物敏感膜和氧化石墨烯层组成；所述常规圆盘电极一端依次粘附聚合物敏感膜和氧化石墨烯层。
2.按权利要求1所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，其特征在于：所述石墨烯层为通过层层自组装方法在聚合物敏感膜表面修饰构筑至少一层的氧化石墨烯层。
3.按权利要求2所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，其特征在于：所述修饰构筑氧化石墨烯层，将聚合物膜电位型传感器浸入多巴胺溶液中1-36小时，于聚合物敏感膜表面生成聚多巴胺层，再将传感器浸入含聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中5-20分钟，而后再将传感器浸入氧化石墨烯溶液中5-20分钟，以使得氧化石墨烯防污层自组装于传感器聚合物膜表面，实现一次修饰循环，再重复所述修饰循环，于聚合物敏感膜表面修饰构筑至少一层的氧化石墨烯层。
4.按权利要求3所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，其特征在于：所述多巴胺溶液为多巴胺溶于pH7.0-10.0的Tris-HCl或Tris-H2SO4中；其中，多巴胺的浓度为0.001-1000mg/L；
所述含聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)的水溶液为PDDA溶于水中，或，水中还添加NaCl；其中，水中含体积百分比0.1％-30％的PDDA。
5.按权利要求1所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，其特征在于：所述聚合物膜电位型防生物污损传感器包括：无内充液、有传导层的固体接触式聚合物膜离子选择性电极或含内充液的液体接触式聚合物膜离子选择性电极。
6.按权利要求5所述的基于氧化石墨烯防污层的无内充液、有传导层的固体接触式聚合物膜离子选择性电极，其特征在于：所述常规圆盘电极为玻碳圆盘电极、金圆盘电极或铂圆盘电极。
7.按权利要求5所述的基于氧化石墨烯防污层的无内充液、有传导层的固体接触式聚合物膜离子选择性电极，其特征在于：所述离子选择性敏感膜由离子选择性载体、亲脂性离子交换剂、膜基底材料和增塑剂按照重量份数比:0.2-10:0.1-5:20-40:40-80混合，而后溶于四氢呋喃溶液中，而后滴于圆盘电极表面，在室温下自然挥发即可。
8.按权利要求7所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器，其特征在于：所述膜基体材料为聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡胶、醋酸纤维、聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；所述增塑剂为邻硝基苯辛醚、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、己二酸二辛酯或癸二酸二辛酯；离子选择性载体为铅离子、铜离子、铁离子、铬离子、钠离子、钾离子、铵根离子、钙离子、镁离子、碳酸根离子、硝酸根离子、氯离子或溴离子；亲脂性离子交换剂为四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠或三(十二烷基)氯化铵。
9.一种权利要求1所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器的应用，其特征在于：所述聚合物膜电位型防污传感器对环境水体中污损生物的抗生物污损性能。
10.按权利要求9所述的基于氧化石墨烯防污层的聚合物膜电位型防生物污损传感器的应用，其特征在于：所述环境水体为湖水、河水或海水。
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