CN110514711A - 基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，属于材料科学与生物传感器相结合的技术领域。本发明利用聚二甲基硅氧烷修饰丝网印刷碳电极得到自清洁电极界面，实现传感器的可再生；用沉淀法制备的氧化石墨烯‑四氧化三铁磁性纳米材料结合适配体作为磁捕剂，通过磁捕剂完成目标物的捕获与富集；最后在磁场作用将磁捕剂‑目标物复合物固定在自清洁电极界面，根据电极表面有无目标物存在时的电流信号差值定性评估目标物浓度。本发明制备的可再生适配体传感器可重复使用2次，有好的抗干扰性和稳定性，在节约成本、减小误差等方面具有重要的现实意义，同时为农产品安全快速检测装置的开发奠定基础。

Description

基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法
技术领域
基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，属于材料科学与生物传感器相结合的技术领域。
背景技术
尽管，农业生产中使用有机磷农药有助于最大限度地减少农作物的损失，但施用在作物上的农药部分粘附在植株表面或经过植株的生理作用将其运转到农作物的根、茎、果实表面。这些残留农药通过食物链进入人体，对人体健康造成巨大危害，包括致突变性、致癌性、和对生殖以及下一代的影响等。另外，严重的食品安全问题还会阻碍农产品和食品的进出口贸易，有损国家食品产业的国际信誉。因此，建立快速、经济、准确的有机磷农药残留检测方法对于提高农产品质量、有效控制食物农药残留引起的中毒事件的发生具有重要的现实意义。
电化学适配体传感技术由于具有高灵敏度、易操作和可实现微型化的特点，得到了广泛的关注和应用。为改善传感器的电化学性能，常采用特定的材料，特别是纳米材料，对工作电极表面进行改性，并作为固定适配体的基体。但是，由于纳米材料的固定以及适配体与目标物的特异性结合作用，电极表面往往形成一种新的界面，电极钝化，不能用于下一次的使用。我们必须进行冗长的处理使其再生，甚至重建传感层来构建新的传感器，成本高且耗时费力。尽管一次性丝网印刷电极的使用，使这一问题大大改善，但还远远没有解决。因此构建可重复利用的电极界面对可再生电化学适配体传感器的制备有重要意义。
聚二甲基硅氧烷是一种广泛应用的疏水性有机高分子材料。氧化石墨烯负载四氧化三铁纳米复合材料生物相容性好、导电性好，并有磁性富集作用。我们尝试用PDMS制作一个自清洁的工作电极，在这个电极上可以消除分子特异性吸附对电极界面的影响，实现电极的再次使用。
发明内容
本发明的目的在于制备一种基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器，通过传感器的可再生性节约成本，减小误差，并用于有机磷农药的定性检测。
本发明的技术方案为：在磁场力的作用下，氧化石墨烯-四氧化三铁结合适配体组成的磁捕剂及捕获目标物后的磁捕剂被吸附在自清洁丝网印刷碳电极表面，通过加入目标物前后的电流差评估目标物浓度。具体内容包括：
氧化石墨烯-四氧化三铁磁性纳米材料的制备：将FeSO4•7H2O、NaBH4和氧化石墨烯溶液混匀，然后经过搅拌、超声处理等处理，再分别用水和乙醇磁洗；最后在烘箱内烘干，得到目标磁性纳米材料。
自清洁电极界面的构建：用硫酸对丝网印刷碳电极进行预处理后，将丙酮稀释的聚二甲基硅氧烷滴涂在电极工作区域，制备具有超疏水能力的电极界面，实现自清洁目的。
磁捕剂的制备：将石墨烯-四氧化三铁磁性纳米材料固体放在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）溶液中孵育一定时间，然后用Tris-盐酸缓冲液（Tris-HCl）离心清洗三次，接着加入适配体溶液混匀，在孵育一定时间后再次离心清洗除去未结合的适配体，最后加入Tris-HCl形成磁捕剂溶液。
目标物电化学检测：将磁捕剂与目标物混合反应，得到磁捕剂-目标物复合物；用电化学技术分别检测磁捕剂和磁捕剂-目标物的电化学信号；根据其电信号差定性评估目标物浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器制备方法，并用于有机磷农药的定性检测，通过传感器的可再生性节约成本，减小电极差异带来的测量误差，为农药残留快速检测便携装置的研制奠定基础。
附图说明
图1自清洁电极界面的制备和适配体传感器检测原理示意图。
图2磁捕剂结构表征图。
图3自清洁电极界面疏水性研究。
图4自清洁电极界面可重复利用性研究。
图5可再生适配体传感器在蔬菜样品中的应用。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1
（1）氧化石墨烯-四氧化三铁（GO-Fe3O4）磁性纳米材料的制备
取556 mg FeSO4•7H2O和151 mg NaBH4放入烧杯中，加入45 mL GO溶液（1 mg/mL）；用玻璃棒搅拌10 min后再进行超声处理10 min；然后分别用水和乙醇磁洗3次；最后在70℃烘箱内烘干，得到GO-Fe3O4磁性纳米材料。
自清洁电极界面的构建
将丝网印刷碳电极（SPCE）工作区域完全浸入0.5 M硫酸溶液（H2SO4）中，在-1.0～+1.0V电势范围内进行5圈循环伏安扫描，得到较为稳定的电化学信号，超纯水冲洗后备用；用丙酮将聚二甲基硅氧烷（PDMS）稀释成具有一定浓度的透明液体；然后将该溶液滴涂在电极工作界面，制备具有超疏水能力的电极界面，实现自清洁目的。
磁捕剂的制备
将GO-Fe3O4固体放在0.15 M EDC和0.1 M NHS（pH 7.4）溶液中孵育30 min，活化GO上的羧基基团。用Tris-HCl离心清洗三次除去多余的EDC和NHS，然后加入适配体（Apt）溶液，震荡分散形成混合溶液。孵育一夜后，再次离心清洗除去未结合的Apt。然后加入Tris-HCl形成磁捕剂（Apt/GO-Fe3O4）混合溶液。
目标物电化学检测方法
在测量前，将磁捕剂溶液与农药目标物混合孵育一定时间，形成磁捕剂-农药复合物，常温下备用。测量时，自清洁SPCE与电化学工作站相连，并在电极工作界面正下方放一块钕铁硼磁铁，且在电极上滴加200 μL含有0.1 M KCl的5.0 mM [Fe(CN)6]3−/4−溶液（pH 7.4）。然后在电极的碳工作区域上小心注入1 μL 磁捕剂溶液，在-0.4～+0.8 V电势范围内测量DPV电化学信号值I。将电极冲洗干净后，再次滴加200 μL [Fe(CN)6]3−/4−溶液，小心加入1 μL 磁捕剂-农药复合物，测量的DPV信号记为I0。计算电化学信号差值ΔI（ΔI=I-I0），根据ΔI值定性评估目标物浓度。图1为自清洁电极界面的制备过程和传感器电化学检测过程。
磁捕剂结构表征
如图2所示，用傅里叶红外光谱图对磁捕剂结构进行表征，酰胺键特征峰的出现证实了磁捕剂的成功合成。从图2中的插图可看出，在外加磁场作用下，该纳米材料迅速与溶液分离，表明磁捕剂具有较强的磁性。
自清洁电极界面研究
用丙酮作为溶剂，配制浓度分别为0、0.01、0.05、0.1、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5mg/mL的PDMS溶液，对自清洁电极界面的制备方法进行研究。取1 μL上述不同浓度的PDMS溶液分别固定在电极表面，自然条件下晾干；然后取50 μL超纯水滴涂在电极工作区域，观察电极的疏水能力。如图3所示，PDMS溶液至少为1 mg/mL时，制备的电极具有较好疏水能力，能够实现电极的自清洁。重复利用性是自清洁电极最重要的特性。图4结果表明该自清洁电极至少能重复使用2次。
适配体传感器的条件优化
为获得最佳的适配体传感器制备条件，对部分主要实验参数进行了优化。结果表明GO-Fe3O4浓度（A）、Apt浓度（B）、GO-Fe3O4与Apt的孵育时间（C）、农药与Apt/GO-Fe3O4反应时间（D）最佳分别为40 mg/mL、5 μM、50 min、40 min。
电化学检测有机磷农药
自清洁电极界面可重复使用两次，在最佳实验条件下，我们选取1 μM的丙溴磷、甲拌磷、水胺硫磷和氧化乐果进行实验研究。磁捕剂与目标物反应前后在传感器上的差分脉冲伏安（DPV）曲线结果表明本发明制备的传感器对这4种特异性目标物拥有很好的检测性能，根据ΔI值的大小可定性分析目标物浓度。
适配体传感器的性能测试
选用西维因、马拉硫磷、甲胺磷、久效磷和毒死蜱作为干扰农药对传感器特异性和抗干扰能力进行研究。结果发现使用传感器检测4种特异性目标物的混合物和这所有9种农药混合溶液的DPV曲线相似，峰值电流相近，表明传感器有好的特异性和抗干扰能力。在稳定性实验中，3个传感器在第0、7天进行检测，另3个传感器在第14、21天完成测量。结果发现传感器在储存4周后仍有很好的再生性能，即该适配体传感器拥有良好的稳定性。
蔬菜样品中有机磷农药的检测
在无农药残留的娃娃菜蔬菜样品的提取液中加入丙溴磷农药标准液，使提取液中的农药浓度分别为1 μM和10 μM。如图5所示，用传感器1、2检测相同体积相同浓度的标准液和蔬菜样品，测量2次的电流信号几乎不变，即该传感器可用于实际样品的检测。另外，用传感器3检测丙溴磷总含量相等，但相应的农药浓度和体积不同的娃娃菜样品。2次测量结果差值仅为0.034 μA，表明该可再生电化学适配体传感器可实现农药富集，有望实现低浓度农药的测定。

Claims (5)

1.基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，其特征在于通过磁吸原理将氧化石墨烯-四氧化三铁结合适配体组成的磁捕剂及捕获目标物后的磁捕剂，固定在自清洁丝网印刷碳电极表面，通过加入目标物前后的电流差估算目标物浓度。
2.根据权利要求1所述的基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯-四氧化三铁磁性纳米材料的制备方法：将FeSO4·7H2O、NaBH4和氧化石墨烯溶液混匀，然后经过搅拌、超声处理等处理，再分别用水和乙醇磁洗；最后在烘箱内烘干，得到目标磁性纳米材料。
3.根据权利要求1所述的基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，其特征在于，所述聚自清洁电极界面的构建方法：用硫酸对丝网印刷碳电极进行预处理后，将丙酮稀释的聚二甲基硅氧烷滴涂在电极工作区域，制备具有超疏水能力的电极界面，实现自清洁目的。
4.根据权利要求1所述的基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，其特征在于，磁捕剂的制备方法：将权利要求2得到的石墨烯-四氧化三铁磁性纳米材料固体放在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）溶液中孵育一定时间，然后用Tris-盐酸缓冲液（Tris-HCl）离心清洗三次，接着加入适配体溶液混匀，在孵育一定时间后再次离心清洗除去未结合的适配体，最后加入Tris-HCl形成磁捕剂溶液。
5.根据权利要求1所述的基于自清洁电极界面的可再生适配体传感器的制备方法，其特征在于，目标物电化学检测方法：将权利要求1制备的磁捕剂与目标物混合反应，得到磁捕剂-目标物复合物；用电化学技术分别检测磁捕剂和磁捕剂-目标物的电化学信号；根据其电信号差定性评估目标物浓度。
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