CN112730559A - 检测pcb72的光电适配体传感器的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法及应用，属于光电化学分析技术领域。本发明通过一步水热法合成BiVO₄纳米颗粒NPs修饰的TiO₂纳米管NTs为光电极，并将PCB72的适配体固定在光电极表面，制备出用于检测PCB72的光电化学适体传感器。合成的BiVO₄NPs‑TiO₂NTs纳米复合材料表现出良好的可见光吸附能力，高光电化学响应和好的光激发稳定性。将金纳米颗粒沉积在BiVO₄NPs‑TiO₂NTs表面，通过S‑Au键以固定巯基末端的适配体。该光电化学适配体传感器对PCB72表现出高灵敏度和特异性，线性检测范围从1ng/L到500ng/L，检测极限低至0.23ng/L，具有突出的分析性能。将制备PCB72光电适配体传感器用于测定环境水样品中PCB72的含量，证实了传感器具有很好的实际应用潜力。

Description

检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法及应用

技术领域

本发明属于光电化学分析技术领域，具体涉及检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法及应用。

背景技术

多氯联苯(PCBs)是一种持久性有机污染物。由于其高度的化学稳定性，PCBs可抵抗生物降解，长期存在于环境中，即使在非常低的浓度下，PCBs也会对人体健康造成严重威胁。因此，建立用于PCBs检测的快速响应，低成本，高灵敏度分析技术至关重要。目前，有许多检测PCBs的方法，包括气相色谱，气相色谱-质谱，气相色谱-串联质谱，荧光分析法和表面增强拉曼光谱法。尽管这些方法可以准确地检测PCBs。但是，以上众多的分析方法或多或少都存在一定的缺陷。例如，常见的仪器分析方法通常需要复杂的样品制备，昂贵的设备和训练有素的操作人员。

光电化学(PEC)技术作为一种新兴的分析方法，引起了越来越多的关注。PEC技术是基于电化学方法的基础上发展起来的，因而具有电化学方法高灵敏度，操作简单，实时性好的优点。光电化学检测原理是通过不同识别元件与其对应靶标之间的生物识别反应可以实现光电流/光电势的变化。与电化学方法相比，光电化学技术采用光激发(光)和电检测(电)两种能量形式大大降低了背景信号，因而具有更高的灵敏度。目前，PEC方法已广泛用于生物分析，例如DNA分析，细胞分析和免疫分析等。适配体被称为“化学抗体”，可以与靶物质特异性结合。因此，通过结合光电化学技术的超灵敏性和PCB72的适配体的高亲和力和特异性，构建了一种PCB72的光电化学适配体传感器用于检测环境中的多氯联苯类化合物，可建立了一种简单、快速、灵敏度高且选择性好的的光电化学分析方法。

发明内容

针对现有的PCB72检测方法成本高、操作繁琐、选择性差以及灵敏度低的问题，本发明提供了检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法及应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

用于检测PCB72的光电化学适配体传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将五水合硝酸铋和偏钒酸铵溶解在乙二醇中，然后添加HNO₃，搅拌至溶液变为橙色透明，得到混合溶液；

(2)将TiO₂ NTs放入步骤(1)得到的混合溶液中，使TiO₂ NTs在溶液中倾斜放置，并持续加热，得到BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs纳米复合材料，然后在空气中煅烧，制备得到BiVO₄NPs-TiO₂ NTs光电极；

(3)在含有KNO₃和NH₄Cl的HAuCl₄溶液中，通过循环伏安法将Au NPs电沉积在BiVO₄NPs-TiO₂ NTs电极上，多次清洗并干燥；

(4)在固定适配体之前，首先使用1,4-二硫苏糖醇还原适配体的二硫键；随后，将适配体溶液用Tris-EDTA缓冲溶液稀释至3.0μM；将处理好的适配体溶液滴加在Au NPs修饰的BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs光电极上，并于4℃孵育12h以上；然后用Tris-HCl缓冲溶液冲洗修饰适配体的光电极，以除去未结合的适配体；制备得到了用于检测PCB72的光电化学适配体传感器。

进一步，所述TiO₂ NTs的制备方法是：将钛箔打磨并超声清洗，清洗后在120℃下用体积比为2:1的盐酸和水刻蚀10～20min，并立即用二次水冲洗，然后，在50～65V的电位下，以0.3wt％NH₄F和2vol％H₂O的乙二醇溶液为电解质，钛箔为阳极，铂片为阴极，阳极氧化2h，然后在450～550℃下煅烧120min，煅烧过程中的升温和降温速率均为2℃/min，使TiO₂NTs晶型化。

进一步，所述步骤(1)中五水合硝酸铋的用量为0.1～0.4mmol，偏钒酸铵的用量为0.1～0.4mmol，乙二醇的用量为15～20mL，HNO₃的用量为1mL 0.5～3.0mol/L。

进一步，所述步骤(2)中倾斜放置的角度为45°。

进一步，所述步骤(2)中持续加热的温度为100℃，加热时间为3～6h。

进一步，所述步骤(2)中煅烧的温度为300℃～450℃，煅烧时间为2h，煅烧过程中的升温和降温速率均为2℃/min。

进一步，所述步骤(3)中KNO₃的用量为0.15mol/L，NH₄Cl的用量为0.05mol/L，HAuCl₄的用量为0.05～0.2mmol/L。

进一步，所述步骤(3)中循环伏安法的电势范围为-1.2V～-0.2V。

进一步，所述步骤(4)制得的用于检测PCB72的光电化学适配体传感器，需储存在4℃下使用。

一种使用光电化学适配体传感器检测PCB72的方法，包括以下步骤：

(1)配制1-500ng/L不同浓度的PCB72标准溶液；

(2)以检测PCB72的光电化学适配体传感器作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂片电极为对电极以及0.1mol/L PBS，pH 7.41的电解质溶液构成三电极体系；其中PCB72的光电化学适配体传感器固定电极为1cm×1cm；向三电极体系中加入配制的第一个浓度的PCB72标准溶液，在室温下孵育40min；然后在波长在420nm以上的可见光照射下施加0.0V偏压，采用I-t技术测定该浓度PCB72标准溶液对应的光电流响应；采用上述方法依次测定其余浓度PCB72的光电流响应，然后利用光电流的相对变化值与PCB72浓度的对数之间的线性关系建立标准工作曲线；

(3)配制5ng/L PCB72溶液和250ng/L干扰物溶液PCB77，PCB86，PCB126，2,4-二氯苯氧乙酸和阿特拉津，将PCB72溶液和干扰物溶液分别加入三电极测试体系中，采用步骤(2)所述的方法，分别记录其光电流，利用光电流密度的相对变化，考察该光电化学适配体传感器的选择性；

(4)将待测样品加入到三电极体系中，测定待测样品的光电流响应，将其代入步骤(2)中的标准曲线中，即可得到待测样品中PCB72的浓度。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

(1)本发明是通过阳极氧化法在钛板上生长均匀直立的TiO₂ NTs，利用水热法将BiVO₄ NPs负载在TiO₂ NTs上，形成p-n异质结构，BiVO₄和TiO₂ NTs具有匹配的带隙宽度，形成的复合材料增加了对可见光的吸收，促进了电子与空穴的分离，有效的提高了光电转换效率。通过循环伏安法将金纳米颗粒电沉积在BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs上，有利于促进电子的转移，进而增强电极的导电性。

(2)本发明将金纳米粒子沉积在电极表面，不仅提高了电极的导电性，还可以通过Au-S键，将适配体固定在电极表面，实现对目标物PCB72的特异性识别。

(3)本发明采用共价键合的方式将PCB72适配体修饰在复合材料上制备得到了PCB72光电化学适配体传感器，并用于PCB72检测。由于适配体对待测物PCB72的高亲和性和专一性识别能力，大大提高了所制备电极的抗干扰能力，使得该修饰电极能够在50倍浓度且结构相似的干扰物质中选择性的识别出PCB72，具有良好的选择性，可用于检测复杂环境体系中的PCB72。

(4)本发明在目标分析物PCB72存在时，适配体捕获目标物，在传感界面形成PCB72适配体复合物，导致光电流信号降低。表明该传感器对PCB72具有高的灵敏度和良好的选择性。

(5)本发明中采用的仪器廉价易得，方法简单且操作简便，检测限可达到0.23ng/L，具有非常高的灵敏度，同时该光电化学适配体传感器具有很好的稳定性和重现性，而且在复杂的环境体系中具有强的抗干扰能力，可以用于检测环境中的PCB72。

附图说明

图1为本发明制备(A)TiO₂ NTs和(B)BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs的SEM图，插图：BiVO₄NPs-TiO₂ NTs的SEM放大图；(C)BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs的截面SEM图；(D)Au NPs修饰BiVO₄NPs-TiO₂ NTs的SEM图；

图2是本发明在420nm可见光照射下该传感器构筑过程的光电流密度-时间曲线图；

图3为本发明制备的PCB72光电化学适配体传感器随着PCB72浓度变化的的光电流密度变化曲线图，内插图为光电流密度对PCB72浓度对数的线性曲线图；

图4为本发明制备的PCB72光电化学适配体传感器对PCB72与其它不同干扰物的光电流相对响应变化图；

图5为本发明制备的PCB72光电化学适配体传感器在反复开关可见光源的情况下的光电流响应图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分优选实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)将纯钛箔用不同尺寸的砂纸打磨并超声清洗。清洗后的钛箔在120℃下用盐酸和水(2：1，V：V)刻蚀10～20min，并立即用二次水冲洗。然后，在60V的电位下，以0.3wt％NH₄F和2vol％H₂O的乙二醇溶液为电解质，Ti箔为阳极，铂片为阴极，阳极氧化2h。阳极氧化后，将制备好的样品放入马弗炉中，在450℃以2℃/min的加热速率煅烧120min，使TiO₂ NTs晶型化。如图1A所示，TiO₂ NTs原位直立成长在钛箔表面，呈现出明显的管状结构，管的直径为100纳米，管的长度为6.3微米。

(2)通过简单的水热法在TiO₂ NTs上修饰BiVO₄ NPs。BiVO₄的合成方法是将0.2mmol的五水合硝酸铋和0.2mmol的偏钒酸铵溶解在19mL乙二醇中，然后添加1mL2.0mol/L硝酸。搅拌后，溶液变为橙色透明。将所得混合物放入不锈钢高压釜中，然后将制备好的二氧化钛纳米管放入混合物中成45°，并在100℃保持5h。多次冲洗制备得到BiVO₄NPs-TiO₂ NTs样品，然后在空气中于450℃煅烧2h。如图1B所示大量的直径为60到100纳米的BiVO₄ NPs均匀地负载在TiO₂ NTs。图1C所示，BiVO₄ NPs同时分布在TiO₂ NTs的内部。

(3)在含有0.15mol/L KNO₃和0.05mol/L NH₄Cl的0.05mmol/L HAuCl₄溶液中，电势范围为-1.2V至-0.2V内，通过循环伏安法将Au NPs电沉积在BiVO₄NPs-TiO₂ NTs电极上，将Au NPs修饰的纳米复合电极洗涤多次，并在真空烘箱中干燥。如图1D所示，大量的尺寸为25纳米的Au NPs沉积在BiVO₄ NPs-TiO₂NTs表面，该表面有利于负载大量的生物分子，并使其具有好的生物识别能力。

实施例2

检测PCB72的光电化学适配体传感器的制备方法，包括以下步骤：

在固定适配体之前，首先使用1,4-二硫苏糖醇还原适配体的二硫键。将适配体溶液用Tris-EDTA缓冲溶液稀释至3.0μmol/L。将处理好的适配体溶液滴加在Au NPs修饰的BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs光电极上，并在冰箱中于4℃孵育12h以上。然后，用Tris-HCl缓冲溶液冲洗修饰适配体的光电极，以除去未结合的适配体。制备得到了PCB72光电化学适配体传感器，并将其储存在4℃下备用如图2所示，为本发明的光电化学适配体传感器的不同构筑阶段在0.1mol/L PBS，pH为7.4的电解质溶液中的I-t曲线图，从图中可以看出，TiO₂ NTs的光电流密度很小(曲线a)。BiVO₄ NPs-TiO₂ NT的光电流密度急剧增加至9.96μA·cm^-2(曲线b)，这可能是由于两者的结合促进了光诱导电子的快速迁移，从而大大改善了复合材料的光电流响应。随后，Au NPs电化学沉积在BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs表面，由于Au NPs极好的导电性，光电流密度进一步增加(曲线c)。在光活性电极表面固定PCB72适配体时，由于导电性差的适配体阻碍了PEC传感界面和溶液之间的电子转移，因此光电流密度急剧下降至7.52μA·cm^-2(曲线d)。最后，将PEC适体传感器孵育在含有PCB72溶液中，光电流密度进一步降低至6.20μA·cm^-2(曲线e)。在这里，通过在空白溶液中孵育光电化学适配体传感器进行对照实验。PEC适体传感器的光电流密度几乎没有变化，表明光电流密度的降低是由于适配体与PCB72的结合引起的。具体原因是由于适体与PCB72强的结合能力和高亲和力，通过在传感界面上捕获PCB72形成了大量的PCB72-适体复合物增加了电子传输阻力，导致光电流密度降低。这些结果均表明传感器已成功制备。

实施例三

检测PCB72的光电化学适配体传感器的光电分析方法

(1)配制1ng/L到500ng/L不同浓度的PCB72标准溶液；

(2)以所述用于检测PCB72的光电化学适配体传感器作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂片电极为对电极以及0.1mol/L PBS，pH 7.41的电解质溶液构成三电极体系；其中PCB72的光电化学适配体传感器固定电极为1cm×1cm。

(3)向三电极体系中加入配制的第一个浓度的PCB72标准溶液，在室温下孵育40min；然后，在420nm以上可见光照射下，施加0.0V偏压，采用I-t技术测定该浓度PCB72标准溶液对应的光电流响应；采用上述方法依次测定其余浓度PCB72的光电流响应，然后利用光电流的相对变化值与PCB72浓度的对数之间的线性关系建立标准工作曲线。如图3所示，制备的PCB72光电化学适配体传感器随着PCB72浓度变化的的光电流密度变化曲线图，内插图为光电流密度对PCB72浓度对数的线性曲线图。

实施例四

用于检测PCB72的光电化学适配体传感器选择性的测试

(1)配制5ng/L PCB72和250ng/L干扰物质PCB77，PCB86，PCB126，2,4-二氯苯氧乙酸和阿特拉津溶液；

(2)以0.1mol/L PBS溶液(pH 7.4)为电解质溶液，以PCB72光电化学适配体传感器工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂片电极为对电极；

(3)将步骤(1)配制的PCB72和干扰物质溶液分别加入测试体系中，反应40min。在420nm以上可见光照射下，施加0.0V偏压，采用I-t技术测定PCB72和干扰物对应的光电流响应，并记录以上物质加入前后，其光电流相对变化值。如图4所示。从图中可以看到，5ng/LPCB72引起的光电流变化最大，表明该光电化学适配体传感器对PCB72具有高的亲和力和特异性。

实例五

用于检测PCB72的光电化学适配体传感器稳定性测试

以所述的PCB72的光电化学适配体传感器作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂片电极为对电极以及0.1mol/L PBS，pH 7.41的电解质溶液构成三电极体系。在420nm以上可见光照射下，反复开关光源。如图5所示，在1200秒内，连续开关灯，其光电流密度几乎保持恒定，表明本发明所制备的PCB72光电适配体传感器具有极好的稳定性。

实施例六

对不同的环境水样中的PCB72进行测试

选取山西省太原市山西大学校内的湖水和实验室的自来水样品进行分析。将污水样品先通过普通的滤纸进行过滤以去除悬浮颗粒和其它固体杂质，滤液再次通过0.22μm滤膜过滤并稀释100倍，在处理过的湖水和自来水两种不同环境样品中分别加入3.0，30.0，300.0ng/L三种不同浓度PCB72标准溶液进行加标回收测定，如表1所示。

表1采用PCB72光电化学适配体传感器测定环境水样品中的PCB72的含量

结果发现，回收率在96.3％至105.0％之间，并且两者的相对标准偏差均小于4.3％。表明所制备的光电化学适配体传感器能抵制复杂基体效应的影响，可用于实际环境体系中的PCB72的测定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将五水合硝酸铋和偏钒酸铵溶解在乙二醇中，然后添加HNO₃，搅拌至溶液变为橙色透明，得到混合溶液；

(2)将TiO₂ NTs放入步骤(1)得到的混合溶液中，使TiO₂ NTs在溶液中倾斜放置，并持续加热，得到BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs纳米复合材料，然后在空气中煅烧，制备得到BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs光电极；

(3)在含有KNO₃和NH₄Cl的HAuCl₄溶液中，通过循环伏安法将Au NPs电沉积在BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs电极上，多次清洗并干燥；

(4)在固定适配体之前，首先使用1,4-二硫苏糖醇还原适配体的二硫键；随后，将适配体溶液用Tris-EDTA缓冲溶液稀释至3.0μM；将处理好的适配体溶液滴加在Au NPs修饰的BiVO₄ NPs-TiO₂ NTs光电极上，并于4℃孵育12h以上；然后用Tris-HCl缓冲溶液冲洗修饰适配体的光电极，以除去未结合的适配体；制备得到了用于检测PCB72的光电化学适配体传感器。

2.根据权利要求1所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述TiO₂ NTs的制备方法是：将钛箔打磨并超声清洗，清洗后在120℃下用体积比为2:1的盐酸和水刻蚀10～20min，并立即用二次水冲洗，然后，在50～65V的电位下，以0.3wt％NH₄F和2vol％H₂O的乙二醇溶液为电解质，钛箔为阳极，铂片为阴极，阳极氧化2h，然后在450～550℃下煅烧120min，煅烧过程中的升温和降温速率均为2℃/min，使TiO₂ NTs晶型化。

3.根据权利要求2所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中五水合硝酸铋的用量为0.1～0.4mmol，偏钒酸铵的用量为0.1～0.4mmol，乙二醇的用量为15～20mL，HNO₃的用量为1mL 0.5～3.0mol/L。

4.根据权利要求3所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中倾斜放置的角度为45°。

5.根据权利要求4所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中持续加热的温度为100℃，加热时间为3～6h。

6.根据权利要求5所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中煅烧的温度为300℃～450℃，煅烧时间为2h，煅烧过程中的升温和降温速率均为2℃/min。

7.根据权利要求6所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中KNO₃的用量为0.15mol/L，NH₄Cl的用量为0.05mol/L，HAuCl₄的用量为0.05～0.2mmol/L。

8.根据权利要求7所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中循环伏安法的电势范围为-1.2V～-0.2V。

9.根据权利要求8所述的检测PCB72的光电适配体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)制得的用于检测PCB72的光电化学适配体传感器，需储存在4℃下使用。

10.一种使用权利要求1光电化学适配体传感器检测PCB72的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)配制1-500ng/L不同浓度的PCB72标准溶液；

(2)以检测PCB72的光电化学适配体传感器作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂片电极为对电极以及0.1mol/L PBS，pH 7.41的电解质溶液构成三电极体系；其中PCB72的光电化学适配体传感器固定电极为1cm×1cm；向三电极体系中加入配制的第一个浓度的PCB72标准溶液，在室温下孵育40min；然后在波长在420nm以上的可见光照射下施加0.0V偏压，采用I-t技术测定该浓度PCB72标准溶液对应的光电流响应；采用上述方法依次测定其余浓度PCB72的光电流响应，然后利用光电流的相对变化值与PCB72浓度的对数之间的线性关系建立标准工作曲线；

(3)配制5ng/L PCB72溶液和250ng/L干扰物溶液PCB77，PCB86，PCB126，2,4-二氯苯氧乙酸和阿特拉津，将PCB72溶液和干扰物溶液分别加入三电极测试体系中，采用步骤(2)所述的方法，分别记录其光电流，利用光电流密度的相对变化，考察该光电化学适配体传感器的选择性；

(4)将待测样品加入到三电极体系中，测定待测样品的光电流响应，将其代入步骤(2)中的标准曲线中，即可得到待测样品中PCB72的浓度。

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