CN110672689B - 一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器及其制备方法和应用，所述电化学生物传感器以玻碳电极为基底电极，基底电极表面修饰有纳米碳纤维/8‑氨基芘‑1,3,6‑三磺酸三钠盐复合材料、肌红蛋白组成的复合膜，复合膜表面组装有Nafion膜。所述电化学生物传感器的制备方法为先将玻碳电极进行抛光处理，再修饰纳米碳纤维/8‑氨基芘‑1,3,6‑三磺酸三钠盐复合材料然后组装肌红蛋白和Nafion膜。本发明检测亚硝酸钠的电化学生物传感器，检测范围宽、检测限低，可用于检测含有NaNO2的样品，具有较大的应用前景。

Description

一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及纳米材料、电化学检测与生物传感器技术领域，更具体地，涉及了一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器及其制备方法和应用。
背景技术
电化学生物传感器是指用固定化的生物材料作为识别元件的传感器。其工作原理是由生物识别探针包括蛋白质、酶、抗体、核酸等生物敏感材料作为识别元件，电极(固定电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件，以电位、电流或电导作为特征检测信号的传感器。电化学生物传感器在生物传感器中占有重要的比重，近年来其研究得到迅速的发展。
亚硝酸钠(NaNO2)为白色至淡黄色粉末或颗粒状，味微咸，易溶于水，是一种常见的无机盐类。硝酸盐和亚硝酸盐广泛存在于环境中，是自然界中最普遍的含氮化合物。由于其外观及味道都与食盐相似，在工业、建筑业中广泛使用，内类制品中做为限量使用的发色剂，可是由于亚硝酸盐属于致癌物，引起食物中毒几率大，因此实现对NaNO2的高灵敏检测显得尤为重要。
专利CN108982626A公开了一种检测三氯乙酸(TCA)或亚硝酸钠(NaNO2)的纳米电化学酶传感器，是以碳离子液体电极(CILE)为基底电极，CILE表面修饰有包括镁金属有机骨架材料(Mg-MOFs-74)、纳米金颗粒(AuNPs)、肌红蛋白(Mb)和Nafion组成的复合膜。其采用的碳离子液体电极是一种碳糊状的电极，质地非常软，无法用于多种检测场景。而且，其NaNO2检测的线性范围为0.8～18.0mmol/L，检测限为0.27mmol/L，依然无法实现对NaNO2的高灵敏检测。因此，亟需开发一种适用于多种检测场景且检测灵敏度高的新型电化学生物传感器，对NaNO2的快速且准确检测显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于现有技术存在的上述缺陷和不足，提供一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器。
本发明的另一目的在于提供所述用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器的应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器，是以玻碳电极(GCE)为基底电极，基底电极表面修饰有纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料(CNF-APTS)、肌红蛋白(Mb)组成的复合膜，复合膜表面覆盖有Nafion膜。
本发明的电化学生物传感器中，作为基底电极的玻碳电极导电性好，化学稳定性高，热胀系数小，质地坚硬，气密性好，电势适用范围宽，可使电化学生物传感器适用于多种检测场景。所述纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料中，纳米碳纤维(CNF)是介于纳米碳管和普通碳纤维的准一维碳材料，是由纳米尺寸的石墨片层在空间与纤维的轴向不用的角度堆积而成，具有比表面积大，长径比大、高导电性、高导热性等优点，使其固定在玻碳电极表面后可以使Mb均匀的吸附在CNF表面，为Mb的电子转移提供良好的导电平台。而使用8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(APTS)非共价修饰纳米碳纤维制备的复合材料，与肌红蛋白构建的识别元件，CNF-APTS和Mb的协同放大效应使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生物传感器的对NaNO2的检测灵敏度。最后覆盖的Nafion膜用于固化复合材料，使得电极更加稳定并有利于电荷传输，从而提高传感器的稳定性和使用寿命。
优选的，所述CNF-APTS、Mb从内到外依次排列于所述GCE表面形成复合膜，再在复合膜表面覆盖有Nafion膜，得到Nafion/Mb/CNF-APTS/GCE电极。
本发明保护上述任一所述电化学生物传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1.玻碳电极预处理：抛光玻碳电极(GCE)，超声清洗，氮气氛围内吹干；
S2.在步骤S1的玻碳电极表面滴涂纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料(CNF-APTS)溶液，得到CNF-APTS/GCE电极；
S3.吸取100μL的肌红蛋白(Mb)溶液，滴涂在CNF-APTS/GCE电极上；室温下放置4～8h，使肌红蛋白通过静电相互作用吸附在CNF-APTS/GCE电极表面，得到Mb/CNF-APTS/GCE电极；
S4.在上述步骤S3中所得到的Mb/CNF-APTS/GCE电极表面滴涂Nafion的醇溶液，使得所有电极材料能够稳定固定在基底电极表面，完成电化学生物传感器的制备，即制备得到Nafion/Mb/CNF-ATPS/GCE电极。
具体地，所述纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料(CNF-APTS)溶液是由质量比为1：5～15：5000的纳米碳纤维、8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐与三蒸馏水混匀，再经过冰浴超声2～4h，重力沉降获得。
优选地，所述纳米碳纤维、8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐与三蒸馏水的质量比为1：10：5000。
优选地，所述Nafion醇溶液为Nafion乙醇溶液。
优选地，所述Nafion乙醇溶液为0.5％～3％的Nafion溶液；具体地，是在Mb/CNF-APTS/GCE电极表面滴涂90μL浓度为0.5％～3％(优选0.5％)的Nafion乙醇溶液。
本发明还请求保护上述任一所述的电化学生物传感器在检测NaNO2中应用。
具体地，所述应用为，以上述电化学生物传感器为工作电极，pH为3.0的PBS缓冲溶液为支持电解质，建立三电极系统，采用循环伏安法，根据还原峰电流与NaNO2浓度变化关系构建检测线性回归方程，根据线性回归方程计算样品中NaNO2的浓度。
所述NaNO2浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归方程为：Ip(μA)＝121.6C(mmol/L)+4.253，式中的相关系数为g＝0.998，NaNO2检测的线性范围为0.06～20.00mmol/L，检测限为0.02mmol/L。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种用于检测NaNO2的电化学生物传感器，使用8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(APTS)非共价修饰纳米碳纤维制备的复合材料，与肌红蛋白构建的识别元件，CNF-APTS和Mb的协同放大效应使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生物传感器的对NaNO2的检测灵敏度，所述电化学生物传感器具有较宽的检测范围(0.06～20.00mmol/L)和较低的检测限(0.02mmol/L)，且所述电化学生物传感器的制备方法工艺简单，成本低廉，操作便捷、无污染且范围广等优点，可以实现对NaNO2的特异性检测。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
一种用于检测NaNO2的电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)取1mg纳米碳纤维(CNF)和10mg 8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(APTS)加入到5mL的三蒸馏水中混合，在经过冰浴超声3h，在经过重力沉降离心，取得上清液CNF-APTS。
(2)从鱼类中取得肌红蛋白(Mb)，相对分子量为17800，将Mb溶液放入4℃的冰箱中冷藏使用。
(3)玻碳电极的预处理：用0.3～0.05μm的铝粉抛光玻碳电极，再依次用硝酸和乙醇(1：1)的混合液和三次蒸馏水进行超声清洗，氮气氛围内干燥。
(4)在步骤(3)经过预处理的玻碳电极表面滴涂100μL CNF-APTS溶液，得到CNF-APTS/GCE电极。
(5)用移液枪吸取100μL的Mb溶液，滴涂在步骤(4)的CNF-APTS/GCE电极上，室温下放置6h，二者通过静电相互作用吸附在CNF-APTS/GCE电极表面，得到Mb/CNF-APTS/GCE电极。
(6)在步骤(5)所得到的Mb/CNF-APTS/GCE电极表面滴涂90μL Nafion乙醇溶液(浓度0.5％)，使得所述电极材料能够稳定固定在电极表面，完成电化学生物传感器的制备，即Nafion/Mb/CNF-ATPS/GCE电极。
实施例2
一种用于检测NaNO2的电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)取1mg CNF和5mg APTS加入到5mL的三蒸馏水中混合，在经过冰浴超声3h，在经过重力沉降离心，取得上清液CNF-APTS。
(2)从鱼类中取得肌红蛋白(Mb)，相对分子量为17800，将Mb溶液放入4℃的冰箱中冷藏使用。
(3)玻碳电极的预处理：用0.3～0.05μm的铝粉抛光玻碳电极，再依次用硝酸和乙醇(1：1)的混合液和三次蒸馏水进行超声清洗，氮气氛围内干燥。
(4)在步骤(3)经过预处理的玻碳电极表面滴涂100μL CNF-APTS溶液，得到CNF-APTS/GCE电极。
(5)用移液枪吸取100μL的Mb溶液，滴涂在步骤(4)的CNF-APTS/GCE电极上，室温下放置6h，二者通过静电相互作用吸附在CNF-APTS/GCE电极表面，得到Mb/CNF-APTS/GCE电极。
(6)在步骤(5)所得到的Mb/CNF-APTS/GCE电极表面滴涂90μL Nafion乙醇溶液(浓度1％)，使得所述电极材料能够稳定固定在电极表面，完成电化学生物传感器的制备，即Nafion/Mb/CNF-ATPS/GCE电极。
实施例3
一种用于检测NaNO2的电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)取1mg CNF和15mg APTS加入到5mL的三蒸馏水中混合，在经过冰浴超声3h，在经过重力沉降离心，取得上清液CNF-APTS。
(2)从鱼类中取得肌红蛋白(Mb)，相对分子量为17800，将Mb溶液放入4℃的冰箱中冷藏使用。
(3)玻碳电极的预处理：用0.3～0.05μm的铝粉抛光玻碳电极，再依次用硝酸和乙醇(1：1)的混合液和三次蒸馏水进行超声清洗，氮气氛围内干燥。
(4)在步骤(3)经过预处理的玻碳电极表面滴涂100μL CNF-APTS溶液，得到CNF-APTS/GCE电极。
(5)用移液枪吸取100μL的Mb溶液，滴涂在步骤(4)的CNF-APTS/GCE电极上，室温下放置6h，二者通过静电相互作用吸附在CNF-APTS/GCE电极表面，得到Mb/CNF-APTS/GCE电极。
(6)在步骤(5)所得到的Mb/CNF-APTS/GCE电极表面滴涂90μL Nafion乙醇溶液(浓度3％)，使得所述电极材料能够稳定固定在电极表面，完成电化学生物传感器的制备，即Nafion/Mb/CNF-ATPS/GCE电极。
对比例1
一种用于检测NaNO2的电化学生物传感器的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：不包括步骤APTS修饰CNF制备得到CNF-APTS的过程，而是直接在GCE电极表面滴涂CNF溶液。
应用例
利用实施例1～3、对比例1所述电化学生物传感器在检测NaNO2中的应用，包括以下步骤：
将Nafion/CNF-APTS/Mb/GCE做为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，碳棒作为辅助电极，建立三电极系统，以pH为3.0的PBS缓冲液为支持电解质，记录循环伏安曲线；根据NaNO2浓度与还原峰电流变化构建检测线性回归方程，根据线性回归方程计算待检测溶液中NaNO2浓度。
实施例1中NaNO2浓度与还原峰电流变化关系的检测线性回归方程为：Ip(μA)＝121.6C(mmol/L)+4.253，式中的相关系数为g＝0.998，NaNO2检测的线性范围为0.06～20.00mmol/L，检测限为0.02mmol/L。
实施例2制备得到的电化学传感器对NaNO2检测的线性范围为0.16～18.00mmol/L，检测限为0.09mmol/L。
实施例3制备得到的电化学传感器对NaNO2检测的线性范围为0.26～19.00mmol/L，检测限为0.12mmol/L。
对比例1制备得到的电化学传感器对NaNO2检测的线性范围为5.00～13.00mmol/L，检测限为2.23mmol/L。
上述结果表明，使用8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐非共价修饰纳米碳纤维制备的复合材料，与肌红蛋白构建的识别元件，可以使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生物传感器的对NaNO2的检测灵敏度。
以上实例仅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，凡是属于本发明思路的技术方案均属于本发明的保护范围。应指出，对于本技术范围的技术员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种用于检测亚硝酸钠的电化学生物传感器，其特征在于，以玻碳电极为基底电极，基底电极表面修饰有纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料、肌红蛋白组成的复合膜，复合膜表面组装有Nafion膜；所述纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料溶液是由质量比为1：5～15：5000的纳米碳纤维、8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐与三蒸馏水混匀，再经过冰浴超声2～4h，重力沉降获得。
2.权利要求1所述的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.玻碳电极预处理：抛光玻碳电极，超声清洗，氮气氛围内吹干；
S2.在步骤S1的玻碳电极表面滴涂纳米碳纤维/8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐复合材料溶液；
S3.吸取100μL的肌红蛋白溶液，滴涂在步骤S2得到的电极上；室温下放置4～8h，使肌红蛋白通过静电相互作用吸附在步骤S2得到的电极表面；
S4.在上述步骤S3中所得到的电极表面滴涂Nafion的醇溶液，固定，使得所有电极材料能够稳定固定在基底电极表面，即得电化学生物传感器。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Nafion醇溶液为Nafion乙醇溶液。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Nafion乙醇溶液为0.5％～3％的Nafion溶液。
5.权利要求1所述的电化学生物传感器在检测NaNO2中应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，将权利要求1的电化学生物传感器为工作电极，pH为3.0的PBS缓冲溶液为支持电解质，建立三电极系统，采用循环伏安法，根据还原峰电流与NaNO2浓度变化关系构建检测线性回归方程，根据线性回归方程计算样品中NaNO2的浓度。
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