CN113777144A - 用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学传感器技术领域，公开了一种用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器及制备方法与应用。本发明公开的制备方法包括：（1）Nb2C‑MXene的制备；（2）NS‑Nb2C‑MXene的制备；（3）NS‑Nb2C‑MXene/Nafion修饰电极的制备；（4）基于NS‑Nb2C‑MXene/Nafion的电化学多巴胺传感器的构建。通过简单的杂原子掺杂制备方法，本发明公开的氮、硫共掺杂Nb2C/Nafion修饰电极具有良好的电化学活性、稳定性和重现性，氮、硫共掺杂协同增强了传感器的电化学响应信号，从而实现了酸性条件下胃液中多巴胺发快速、灵敏检测。

Description

用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器及制备方法与应用
技术领域
本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及一种用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器及制备方法与应用。
背景技术
多巴胺是人类中枢神经系统中含量最丰富的儿茶酚胺类神经递质，在胃肠运动、胃酸分泌、胃黏膜血流供氧及多种消化道疾病中起着重要调节作用，是目前参与胃肠道黏膜的保护因子之一。因此，实现生物系统中的多巴胺定量检测，尤其是酸性条件下胃液内多巴胺的检测，对人类的健康以及疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义。
近年来，围绕着高灵敏度、高选择性的多巴胺检测方法展开了许多研究，例如高效液相色谱法、荧光光谱法、紫外-分光光度计法以及毛细管电泳法等。但上述检测方法存在着步骤繁琐、仪器设备昂贵、成本高、灵敏度低的问题。而电化学传感器法具有操作简单、灵敏度高、不需要提前复杂预处理的特点，成为检测多巴胺的理想方法。但是，由于酸性条件下的检测对传感器的性能和稳定性要求较高，因此基于胃液中多巴胺电化学传感器的鲜有报道。故而，迫切需要提供一种在酸性条件下灵敏、稳定的多巴胺电化学检测方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种在酸性条件下灵敏、稳定的多巴胺电化学传感器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器，以NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极。
电极材料是影响电化学传感器分析性能的关键因素。MXene是一种二维（2D）早期过渡金属碳化物和/或氮化物组成的二维层状材料，由于其高导电性表面、大比表面积、丰富的表面化学基团、良好的亲水性、吸附性和环境稳定性等优异的性质，是一种优良的传感器电极材料。但是，MXene在电化学传感中的应用处于初级阶段，在很大程度上还没有被探索。大多数研究都是以碳化钛为基础的，尤其是功能化碳化铌(Nb2C)的电化学传感领域仍然有待探索。而通过引入杂原子、聚合物、其他官能团和其他金属离子的方法是改变MXene本征活性以改善相关电化学特征的有效策略。
本发明以新型二维碳化物纳米材料（Nb2C-MXene)为基础，通过引入氮、硫杂原子，提高传感器灵敏度和选择性，增强电化学传感器的响应信号，缩短传感器的响应时间，实现酸性条件下胃液中多巴胺浓度的精准检测。
优选的，所述NS-Nb2C-MXene具有二维层状结构。
本发明的第二个目的在于提供一种如上所述用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种如上所述用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法，包括如下步骤：
（1）Nb2C-MXene的制备
将40-50％HF溶液中加入Nb2AlC粉体，在20-25℃条件下以700-800 r/min速度磁力搅拌下反应20-24 h得到腐蚀产物；对所述腐蚀产物用去离子水不断清洗直至以10000-20000 r/min速度离心后的上清液pH为6-7；用无水乙醇清洗5-7次后将产物在真空烘箱中烘干，即可得到Nb2C基体材料；
（2）NS-Nb2C-MXene的制备
将步骤（1）制得的Nb2C粉体与硫脲研磨混合均匀，然后放入气氛炉中在氩气气氛下升温至500-600℃，并保温2-5 h后再随炉冷却至20-25℃；将所制备的材料再次研磨，并用去离子水清洗直至离心后的上清液pH为6-7；将所得到的粉体干燥即为NS-Nb2C-MXene；
（3）NS-Nb2C-MXene/Nafion修饰电极的制备
将步骤（2）制得的NS-Nb2C-MXene粉末分散于水溶液中制取NS-Nb2C-MXene悬浊液；在20-25 ℃条件下将溶液体积分数为2-8％ Nafion水溶液中超声处理10-15 min，得到质量分数为1-2％的Nafion溶液；将NS-Nb2C-MXene悬浊液与Nafion溶液体积比为1:1~1:5混合后超声处理30-35 min；用移液枪移取6-8 µL的NS-Nb2C-MXene/Nafion混合液，滴涂到玻碳电极表面并晾干，得到NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE修饰电极；
（4）基于NS-Nb2C-MXene/Nafion的电化学多巴胺传感器的构建
以步骤（3）制得的NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极，在pH=2-10的PBS缓冲溶液中，加入5~10µL不同浓度的多巴胺溶液，采用示差脉冲伏安法进行扫描测试，扫描电位为-0.3-0.8V。
优选的，步骤（1）中，在所述真空烘箱中60-70℃烘干10~12 h。
优选的，步骤（2）中，所述Nb2C粉体与硫脲的重量比为(1~2):(3~7)。
优选的，步骤（3）中，所述NS-Nb2C-MXene悬浊液的浓度为5~7g/L。
优选的，步骤（4）中，所述多巴胺溶液的浓度为0.4~90 μmol/L。
本发明的第三个目的在于提供一种如上所述用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的应用。
所述传感器在制备胃液中多巴胺检测设备中的应用。
优选的，所述胃液中多巴胺检测的检测环境的pH值是3-4 。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明公开的NS-Nb2C-MXene制备方法简单，将Nb2C粉体与硫脲混合并高温煅烧，得到的NS-Nb2C-MXene具有风琴状分层结构，氮、硫共掺杂增大了纳米片内部层间距，得到更高的比表面积。
（2）本发明中采用NS-Nb2C-MXene为基底电极材料制得的电化学传感器具有较强的电子转移能力，氮、硫共掺杂协同提高了传感器的电化学活性，增强电化学传感器的响应信号。
（3）本发明制得的电化学传感器具有操作简单、低检出限和高灵敏度的优点。
（4）本发明制得的电化学多巴胺传感器具有优异的重现性与稳定性，适用于酸性条件下胃液中多巴胺的检测，克服了一般传感器酸性条件下稳定性差，性能低的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的NS-Nb2C-MXene的SEM图。
图2为本发明实施例1制备的Nb2C-MXene和NS-Nb2C-MXene的XRD图。
图3为本发明实施例1制备的Nb2C-MXene的氮气吸附曲线。
图4为本发明实施例1制备的Nb2C/GCE和NS-Nb2C/GCE的循环伏安曲线图。
图5为本发明实施例2制备的NS-Nb2C/Nafion/GCE在不同pH值下多巴胺溶液的循环伏安曲线中氧化峰电流与pH值关系图。
图6为本发明实施例2制备的NS-Nb2C/Nafion/GCE在不同浓度多巴胺溶液中的示差脉冲伏安曲线和峰电流和对应多巴胺浓度的线性拟合关系图。
图7是本发明实施例2制备的NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE检测多巴胺的重复性和稳定性。
图8是本发明实施例1~2公开的制备步骤示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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）Nb2C-MXene的制备
将40％HF溶液中加入Nb2AlC粉体，在25℃条件下以700 r/min速度磁力搅拌下反应24 h得到腐蚀产物；对所述腐蚀产物用去离子水不断清洗至上清液的pH为7；用无水乙醇清洗5次后将产物在真空烘箱中，60℃烘干12 h，即可得到Nb2C基体材料。
（2）NS-Nb2C-MXene的制备
将步骤（1）制得的100 mg Nb2C粉体与300 mg硫脲研磨混合均匀，然后放入气氛炉中在氩气气氛下升温至500℃，并保温3 h后再随炉冷却至25℃；将所制备的材料再次研磨，并用去离子水不断清洗至上清液的pH为7；将所得到的粉体干燥即为氮、硫共掺杂的Nb2C纳米粉体NS-Nb2C-MXene。
图1即为本发明实施例1制得的NS-Nb2C-MXene的扫描电子显微镜图。如图1所示，NS-Nb2C-MXene呈现风琴状的二维层状结构，具有较大的比表面积，能够增加材料表面的电化学活性位点。
图2为本发明实施例1制得的Nb2C-MXene与NS-Nb2C-MXene的X射线衍射图。由图2可以看出，Nb2C材料的主要的衍射峰出现在(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(112)、(201)晶面上，说明Nb2C-MXene的成功制备。
图3为本发明实施例1制得的Nb2C-MXene的氮气吸附曲线。可以看出得到的NS-Nb2C-MXene具有更高的比表面积。
（3）NS-Nb2C-MXene/Nafion修饰电极的制备
将步骤（2）制得的NS-Nb2C-MXene粉末分散于水溶液中制取NS-Nb2C-MXene悬浊液；在25 ℃条件下将溶液体积分数为5％Nafion水溶液中超声处理10min，得到质量分数为2％的Nafion溶液；将NS-Nb2C-MXene悬浊液与Nafion溶液体积比为1:1混合后超声处理30min；用移液枪移取8 µL的NS-Nb2C-MXene/Nafion混合液，滴涂到玻碳电极表面并晾干，得到NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE。
图4为本发明实施例1中修饰电极对多巴胺的电化学行为；其中，图4a电解质溶液为含有100 µmo1/L 多巴胺的0.1 mol/L PBS溶液，图4b电解质溶液为含有 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- 和0.1 mol/L KCl 的水溶液，扫速为100 mV/s。如图4a所示，与多层Nb2C纳米片和单层Nb2C纳米片相比，NS-Nb2C纳米片修饰电极对多巴胺的氧化还原电流峰最明显。这是因为掺杂的氮和硫为Nb2C纳米片提供了更多的活性位点，提高了电化学性能。从图4b中可以看出，NS-Nb2C修饰电极的峰峰差最小，电流值最大，说明NS-Nb2C纳米片电极表面具有最大的电子转移速率和优良的电导率。
（4）基于NS-Nb2C-MXene/Nafion的电化学多巴胺传感器的构建
以上述所述NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极。在PBS缓冲溶液（pH=3）中，加入10µL不同浓度的多巴胺溶液，采用示差脉冲伏安法进行扫描测试，扫描电位为-0.3-0.8V。
实施例2
（1）Nb2C-MXene的制备
将50％HF溶液中加入Nb2AlC粉体，在20℃条件下以800 r/min速度磁力搅拌下反应20 h得到腐蚀产物；对所述腐蚀产物用去离子水不断清洗至上清液的pH为6；用无水乙醇清洗7次后将产物在真空烘箱中，60℃烘干10h，即可得到Nb2C基体材料。
（2）NS-Nb2C-MXene的制备
将步骤（1）制得的200 mg Nb2C粉体与700 mg硫脲研磨混合均匀，然后放入气氛炉中在氩气气氛下升温至600℃，并保温4 h后再随炉冷却至20℃；将所制备的材料再次研磨，并用去离子水不断清洗至上清液的pH为6；将所得到的粉体干燥即为NS-Nb2C-MXene。
（3）NS-Nb2C-MXene/Nafion修饰电极的制备
将步骤（2）制得的NS-Nb2C-MXene粉末分散于水溶液中制取NS-Nb2C-MXene悬浊液；在20 ℃条件下将溶液体积分数为6％Nafion水溶液中超声处理15 min，得到质量分数为1％的Nafion溶液；将NS-Nb2C-MXene悬浊液与Nafion溶液体积比为1:5混合后超声处理35min；用移液枪移取6 µL的NS-Nb2C-MXene/Nafion混合液，滴涂到玻碳电极表面并晾干，得到NS-Nb2C-MXene/Nafion修饰电极NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE。
（4）基于NS-Nb2C-MXene/Nafion的电化学多巴胺传感器的构建
以上述所述NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极。在PBS缓冲溶液（pH=3）中，加入6 µL不同浓度的多巴胺溶液，采用示差脉冲伏安法进行扫描测试，扫描电位为-0.3-0.8V。
图5为NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE在不同pH值下多巴胺溶液中的循环伏安曲线图，其中，pH值自左向右分别为7.0、6.0、5.0、4.0、3.0。从图中可以看出，随着pH值的减小，多巴胺的峰电流表现出逐渐增加的现象。当缓冲液的pH为3，多巴胺的峰电流达到最大，响应最明显，所以实验选择pH=3作为最佳pH。多巴胺氧化峰电位Ep与pH 值呈良好的线性关系，线性回归方程为：Ep(V)=0.691-0.053pH (R2=0.998)，其线性回归方程为能斯特方程：Epa(mV)=E0-59.2(m/n)pH (25℃，E0为标准电势，m 为质子转移数，n为电子转移数)。由此可知，线性方程的斜率为-53，接近能斯特方程的斜率-59.2，m/n接近于1，表明多巴胺在该电极上的氧化还原反应是一个等电子等质子的准可逆过程。
图6为NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE对不同多巴胺浓度的示差脉冲伏安响应曲线，其中，多巴胺的浓度自下而上分别为0.4、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90 µmo1/L。由图6a可见，随着多巴胺浓度的不断增加，多巴胺的峰值电流随之增加。由图6b可知，NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE表现出较宽的线性浓度范围（0.4-90 µmol/L），其线性回归方程表示为：Ipa(µA)= 0.71+0.35CDA（µM），检出限（S/N=3）为0.18 µmol/L。
图7给出了NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE的重复性与稳定性。采用实施例2中的制备方法制备5组NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE，并对浓度为100 µmol/L的多巴胺溶液进行检测，如图7a所示在五次测定所得到的结果相对标准偏差为0.33%。采用实施例2中所制备的NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE对含有100 µmol/L的多巴胺溶液进行检测，检测使用过后清洗干净并在室温条件储存7天，7天内每天使用该电极进行测定，多巴胺的氧化峰响应电流保持在初始测定峰电流值的95.9%以上（图7b）。
本发明实施例1~2的制备步骤如图8所示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器，其特征在于，所述传感器以NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极。
2.根据权利要求1所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器，其特征在于，所述NS-Nb2C-MXene具有二维层状结构。
3.如权利要求1所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）Nb2C-MXene的制备
将40-50％HF溶液中加入Nb2AlC粉体，在20-25℃条件下以700-800 r/min速度磁力搅拌下反应20-24 h得到腐蚀产物；对所述腐蚀产物用去离子水不断清洗直至以10000-20000r/min速度离心后的上清液pH为6-7；用无水乙醇清洗5-7次后将产物在真空烘箱中烘干，即可得到Nb2C基体材料；
（2）NS-Nb2C-MXene的制备
将步骤（1）制得的Nb2C粉体与硫脲研磨混合均匀，然后放入气氛炉中在氩气气氛下升温至500-600℃，并保温2-5 h后再随炉冷却至20-25℃；将所制备的材料再次研磨，并用去离子水清洗直至离心后的上清液pH为6-7；将所得到的粉体干燥即为NS-Nb2C-MXene；
（3）NS-Nb2C-MXene/Nafion修饰电极的制备
将步骤（2）制得的NS-Nb2C-MXene粉末分散于水溶液中制取NS-Nb2C-MXene悬浊液；在20-25 ℃条件下将溶液体积分数为2-8％ Nafion水溶液中超声处理10-15 min，得到质量分数为1-2％的Nafion溶液；将NS-Nb2C-MXene悬浊液与Nafion溶液体积比为1:1~1:5混合后超声处理30-35 min；用移液枪移取6-8 µL的NS-Nb2C-MXene/Nafion混合液，滴涂到玻碳电极表面并晾干，得到NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE修饰电极；
（4）基于NS-Nb2C-MXene/Nafion的电化学多巴胺传感器的构建
以步骤（3）制得的NS-Nb2C-MXene/Nafion/GCE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极，在pH=2-10的PBS缓冲溶液中，加入5~10µL不同浓度的多巴胺溶液，采用示差脉冲伏安法进行扫描测试，扫描电位为-0.3-0.8V。
4.根据权利要求3所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，在所述真空烘箱中60-70℃烘干10~12 h。
5.根据权利要求3所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述Nb2C粉体与硫脲的重量比为(1~2）:(3~7)。
6.根据权利要求3所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述NS-Nb2C-MXene悬浊液的浓度为5~7g/L。
7.根据权利要求3所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述多巴胺溶液的浓度为0.4~90 μmol/L。
8.一种如权利要求1所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的应用，其特征在于，所述传感器在制备胃液中多巴胺检测设备中的应用。
9.根据权利要求8所述的用于胃液中多巴胺检测的电化学传感器的应用，其特征在于，所述胃液中多巴胺检测的检测环境的pH值是3-4。
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