CN111551620A - 一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，其特征在于，采用纳米砷化镓、氧化石墨烯、碳量子点为导电材料，以1‑胺乙基‑3‑甲基咪唑修硝酸盐胶黏剂，制备得到砷化镓糊电极传感器；采用γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅烷为偶联剂修饰砷化镓糊电极；然后，在反应器中，按如下组成的质量百分浓度加入，缓冲溶液：90~94%，Sulfo‑NHS‑SS‑Biotin：6~10%，溶解，将γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。该电极传感器具有比普通的碳糊电极导电性能高，对氨基酸具有专一识别性，灵敏度高。

Description

一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电化学传感器的制备方法，特别涉及一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法及应用检测氨基酸。属于电化学分析领域。
背景技术
砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中，兼具多方面优点的材料。石墨烯作为一类新型的超级电容器电极材料，石墨烯表现出以下众多的优势：超高的比表面积、良好的导电性能、优异的稳定的化学性能以及宽的电势窗口。单层石墨烯的容量可达21μF/cm2 ，但是很多情况下石墨烯都是多层叠加在一起，层与层之间的面积没有得到有效利用，其实际容量比单层石墨烯容量低，将石墨烯与其他纳米结构复合也抑制石墨烯片层的重叠。将高容量的过渡金属氮化物或导电聚合物与石墨烯进行叠层复合，一方面石墨烯被其他物质隔离开，能够减少团聚，增加电解液的流动性，另一方面，石墨烯为复合后的赝电容物质提供了电子传导的三维网络。基于石墨烯的复合材料表现出协同效应，在获得高容量的同时保持有良好的倍率性能。
碳量子点(Carbon quantum dots, CQDs)是最近发现的一类具有突出荧光性的新型碳纳米材料，由尺寸小于10 nm的准离散球形碳纳米粒子组成，是一种兼具优异水溶性、高生物相容性和低毒性的环境友好材料。研究表明出诸多优势：①CQDs具有近红外光吸收特性，可拓宽催化剂对太阳光的吸收范围；②CQDs具有上转换光致发光特性，可激发半导体形成更多光生电子空穴对；③CQDs具有较强的电子传输性能，可有效转移和存储光生电子，达到改善电荷分离效率的效果，而且光生电子与其表面的吸附O2结合，可形成超氧自由基，实现多位点催化。因而将CQDs与半导体复合，是改善导电性能的重要途径。
生物素(Sulfo-NHS-SS-Biotin)是一款水溶性NHS-酯生物素标记试剂，其间隔臂中包含一个可切割二硫键，伯胺的可逆标记特性。
发明内容
本发明的目的是采用砷化镓半导体、石墨烯和碳量子点作为导电材料，以1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐作为胶粘剂制备一种砷化镓糊电极，再采用Sulfo-NHS-SS-Biotin修饰电极，提供一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，并应用检测氨基酸中。
仪器与试剂
CHI660B电化学工作站（上海辰华仪器公司），实验采用三电极体系：铂丝电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极（SCE），生物标记物修饰半导体糊电极传感器为工作电极；KQ-250E型超声波清洗器（坤峰超声仪器有限公司）。
纳米砷化镓，氧化石墨烯，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐，无水乙醇，氢氧化钠，液体石蜡，煤油、缓冲溶液，油溶性碳量子点，生物素（Sulfo-NHS-SS-Biotin），γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，氨基酸，所用试剂均为分析纯，水为去离子水。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）砷化镓糊电极传感器的制备：在玛瑙研钵中，按如下质量百分比加入，纳米砷化镓：44~48%，氧化石墨烯：18~22%，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐：10~14%，碳量子点：4~8%，液体石蜡：6~10%，煤油：6~10%，各组分质量百分比之和为百分之百，研磨均匀，即得混合物碳糊；然后将其碳糊装入连有导线的内经为Φ6mm的玻璃管内，压实，干燥，用抛光粉打磨，抛光，去离子水洗涤，即得砷化镓糊电极传感器；
（2）γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极制备：在反应器中，按如下组成的质量百分浓度加入，乙醇：72~74%，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷：26~28%，各组分质量百分比之和为百分之百，搅拌溶解，将砷化镓糊电极放入，室温浸泡4h，温度升到50±2℃恒温反应4h，取出电极，用无水乙醇洗涤，干燥，得到γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极；
（3）生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备：在反应器中，按如下组成的质量百分浓度加入，缓冲溶液：90~94%，Sulfo-NHS-SS-Biotin：6~10%，溶解，将γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。
步骤（1）所述的液体石蜡与为生物级液体石蜡。
步骤（1）所述的碳量子点为油溶性的碳量子点。
步骤（3）所述的盐缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液的pH在7.2~7.4之间，浓度为0.015mol/L。
生物标记物修饰半导体糊电极传感器测定氨基酸步骤如下：
（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的氨基酸标准溶液，底液为pH4.3的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，浓度为0.02mol/L；
（2）将Ag/AgCl为参比电极，铂丝电极为辅助电极，本发明制备的生物标记物修饰半导体糊电极为工作电极组成三电极系统， 连接CHI660B电化学工作站，底液为pH4.3的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，在-1.5~0.8V的电位范围，以50mV/s循环扫描20min，取出洗涤。然后采用计时电流法扫描该溶液，工作电压为-0.45V，取不同浓度下氨基酸的峰电流值与氨基酸浓度做工作曲线；
（3）氨基酸的检测：用待测样品处理成待测液代替步骤（1）中的氨基酸标准溶液，按照步骤（2）的方法进行检测，根据响应电流降低的差值△I和工作曲线，得到待测样品中氨基酸的含量；
本发明的优点及效果是：
（1）本发明制备一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器，在糊电极中加入砷化镓、氧化石墨烯、碳量子点，以1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐作为胶粘剂，砷化镓、氧化石墨烯、碳量子点混合制备的糊电极比普通的碳糊电极导电性能提高3~5倍，再采用生物标记物修饰糊电极制备的，电化学窗口宽、对氨基酸具有专一的选择性，制备方法简单、成本低、表面易更新、残余电流小等优点；
（2）本发明制备一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器对氨基酸表现出很高选择性和灵敏性，响应电流与氨基酸的浓度2.0×10-7~6.0×10-4mol/L范围内呈良好的线性关系，相关系数R=0.9987，检测限为6.36×10-8mol/ L，回收率在95.12~103.87%之间；
（3）本发明制备一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器在制备的过程中不使用有毒的试剂，环保绿色；
（4）将本发明制备一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器成功用于药品、生物、食品等样品中氨基酸的检测中，解决了氨基酸检测困难。
具体实施方式
实施例1
（1）砷化镓糊电极传感器的制备：在玛瑙研钵中，分别加入，纳米砷化镓：46g，氧化石墨烯：20g，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐：12g，碳量子点：6g，液体石蜡：8 mL，煤油：9 mL，研磨均匀，即得混合物碳糊；然后将其碳糊装入连有导线的内经为Φ6mm的玻璃管内，压实，干燥，用抛光粉打磨，抛光，去离子水洗涤，即得砷化镓糊电极传感器；
（2）γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极制备：在反应器中，分别加入，乙醇：91 mL，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷：28g，搅拌溶解，将砷化镓糊电极放入，室温浸泡4h，温度升到50±2℃恒温反应4h，取出电极，用无水乙醇洗涤，干燥，得到γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极；
（3）生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备：在反应器中，分别加入，缓冲溶液：9.2 mL，Sulfo-NHS-SS-Biotin：0.8g，溶解，将γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。
实施例2
（1）砷化镓糊电极传感器的制备：在玛瑙研钵中，分别加入，纳米砷化镓：44g，氧化石墨烯：22g，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐：10g，碳量子点：4g，液体石蜡：10 mL，煤油：11 mL，研磨均匀，即得混合物碳糊；然后将其碳糊装入连有导线的内经为Φ6mm的玻璃管内，压实，干燥，用抛光粉打磨，抛光，去离子水洗涤，即得砷化镓糊电极传感器；
（2）γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极制备：在反应器中，分别加入，乙醇：47 mL，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷：13g，搅拌溶解，将砷化镓糊电极放入，室温浸泡4h，温度升到50±2℃恒温反应4h，取出电极，用无水乙醇洗涤，干燥，得到γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极；
（3）生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备：在反应器中，分别加入，缓冲溶液：9.0 mL，Sulfo-NHS-SS-Biotin：1.0g，溶解，将γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。
实施例3
（1）砷化镓糊电极传感器的制备：在玛瑙研钵中，分别加入，纳米砷化镓：48g，氧化石墨烯：18g，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐：14g，碳量子点：8g，液体石蜡：6 mL，煤油：7mL，研磨均匀，即得混合物碳糊；然后将其碳糊装入连有导线的内经为Φ6mm的玻璃管内，压实，干燥，用抛光粉打磨，抛光，去离子水洗涤，即得砷化镓糊电极传感器；
（2）γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极制备：在反应器中，分别加入，乙醇：43 mL，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷：14g，搅拌溶解，将砷化镓糊电极放入，室温浸泡4h，温度升到50±2℃恒温反应4h，取出电极，用无水乙醇洗涤，干燥，得到γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极；
（3）生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备：在反应器中，分别加入，缓冲溶液：9.4 mL，Sulfo-NHS-SS-Biotin：0.6g，溶解，将γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。
实施例4
（1）砷化镓糊电极传感器的制备：在玛瑙研钵中，分别加入，纳米砷化镓：23g，氧化石墨烯：100g，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐：6g，碳量子点：4g，液体石蜡：4mL，煤油：5 mL，研磨均匀，即得混合物碳糊；然后将其碳糊装入连有导线的内经为Φ6mm的玻璃管内，压实，干燥，用抛光粉打磨，抛光，去离子水洗涤，即得砷化镓糊电极传感器；
（2）γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极制备：在反应器中，分别加入，乙醇：48 mL，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷：12g，搅拌溶解，将砷化镓糊电极放入，室温浸泡4h，温度升到50±2℃恒温反应4h，取出电极，用无水乙醇洗涤，干燥，得到γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极；
（3）生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备：在反应器中，分别加入，缓冲溶液：9.3 mL，Sulfo-NHS-SS-Biotin：0.7g，溶解，将γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。
本发明制备的生物标记物修饰半导体糊电极传感器成功用于药品、食品、生物等样品中丝氨酸、赖氨酸氨酸的检测中，回收率在95.12~103.87%之间，因此本发明制备的生物标记物修饰半导体糊电极传感器可广泛应用于生物医药、食品、生物检测等相关领域，解决了氨基酸检测的困难。

Claims (4)

1.一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）砷化镓糊电极传感器的制备：在玛瑙研钵中，按如下质量百分比加入，纳米砷化镓：44~48%，氧化石墨烯：18~22%，1-胺乙基-3-甲基咪唑修硝酸盐：10~14%，碳量子点：4~8%，液体石蜡：6~10%，煤油：6~10%，各组分质量百分比之和为百分之百，研磨均匀，即得混合物碳糊；然后将其碳糊装入连有导线的内经为Φ6mm的玻璃管内，压实，干燥，用抛光粉打磨，抛光，去离子水洗涤，即得砷化镓糊电极传感器；
（2）γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极制备：在反应器中，按如下组成的质量百分浓度加入，乙醇：72~74%，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷：26~28%，各组分质量百分比之和为百分之百，搅拌溶解，将砷化镓糊电极放入，室温浸泡4h，温度升到50±2℃恒温反应4h，取出电极，用无水乙醇洗涤，干燥，得到γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极；
（3）生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备：在反应器中，按如下组成的质量百分浓度加入，缓冲溶液：90~94%，Sulfo-NHS-SS-Biotin：6~10%，溶解，将γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷修饰砷化镓糊电极放入溶液中，室温搅拌反应6h，取出电极，分别用磷酸盐缓冲溶液、无水乙醇洗涤，干燥，得到生物标记物修饰半导体糊电极传感器。
2.根据权利要求1所述的一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的液体石蜡与为生物级液体石蜡。
3.根据权利要求1所述的一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的碳量子点为油溶性的碳量子点。
4.根据权利要求1所述的一种生物标记物修饰半导体糊电极传感器的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的盐缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液的pH在7.2~7.4之间，浓度为0.015mol/L。
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