CN114113049A - 一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用 - Google Patents

一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用，该方法将聚苯乙烯微球配成一定浓度的溶液，将清洗干燥的ITO导电玻璃竖直立于溶液中，通过垂直沉积的方法，在ITO导电玻璃表面形成胶体晶体；异丙醇钛和三乙醇胺反应制备二氧化钛前驱体溶液，滴涂在ITO胶体晶体表面，利用物理方法将胶体晶体微球去除，得到ITO导电玻璃电极表层修饰的二氧化钛光子晶体电极。将该电极作为工作电极，从而对不同浓度的过氧化氢进行电致化学发光检测。

Description

一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及过氧化氢痕量检测技术领域，具体涉及一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用。
背景技术
过氧化氢是一种致癌物，天然水体介质中的外源性过氧化氢一旦进入人体，将会对人体健康带来较大的损害。过氧化氢会分解产生羟基自由基，造成细胞氧化损伤，加速人体衰老，诱发心血管疾病。长期接触会导致脱氧核糖核酸（DNA）损伤和基因突变，致使人体细胞癌变，引发癌症，因此研发针对过氧化氢的高灵敏检测技术很有必要。
传统过氧化氢检测技术主要有电化学分析法、化学发光法、分光光度法等，这些方法成本高、耗时长、操作复杂，很难实现痕量检测，开发高灵敏、快速的过氧化氢检测方法具有重要的研究意义。电致化学发光（Electrochemiluminescence，ECL）是一种灵敏度高、响应快、操作简便且成本低的检测技术，已被广泛应用于食品安全、环境监测与水污染检测等各种分析领域。但目前，绝大多数ECL传感器的构建需要发光试剂的加，比如钌联吡啶、量子点与鲁米诺等，这些试剂的存在增加了检测体系的复杂度与生物毒性，带来信号干扰，研究自发光电极基底可以解决这一问题。此外，ECL传感器的传感策略存在局限性，体系中的信号放大主要通过酶循环放大和核酸扩增技术进行，这些步骤的生物修饰过程复杂，操作繁琐，检测响应时间长，降低了检测效率，基于ECL的新型高灵敏放大传感策略亟待开发。
发明内容
针对现有过氧化氢检测技术的不足，本发明的目的在于提供一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用，该方法基于反蛋白石光子晶体的高性能自发光基底，利用光电信号转换实现对过氧化氢的痕量检测，一方面无需发光试剂即可完成对目标物的测试，降低信号干扰；另一方面，大幅优化检测流程，提高检测效率，无需复杂的核酸修饰，即可实现对痕量过氧化氢的高灵敏检测，在水质分析领域有着巨大的应用潜力。
一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，用洗洁精将ITO导电玻璃清洗干净后，晾干，再依次用乙醇和去离子水冲洗，最后在Ar气流中干燥处理，备用；
步骤2，将固含量为2.5%、直径为270 nm的聚苯乙烯微球溶液溶于去离子水中配成质量分数为0.05～0.1%的溶液，搅拌均匀后，置于超声波清洗器中超声25～35 min，得聚苯乙烯微球分散液；再将清洗后的ITO导电玻璃竖直立靠于烧杯壁，且非导电面朝向杯壁，将烧杯置于鼓风干燥箱中50～55℃下垂直沉积18～24 h，待溶液完全蒸发，得聚苯乙烯微球模板，再升温至65℃进行老化处理半小时，取出，备用；
步骤3，在三口圆底烧瓶中加入乙醇和二乙醇胺，先低速搅拌均匀，且边搅拌边加入异丙醇钛，再以350～400 r/min的转速在室温下搅拌24 h，待反应完成后，静置老化1-2天，得二氧化钛溶胶；
步骤4，将二氧化钛溶胶与乙醇按照体积比1:1～1.5混合，再将老化处理后的聚苯乙烯微球模板垂直浸没于二氧化钛溶胶中，立刻取出，在模板的表面形成一层薄膜，水平静置1 h；
步骤5，将经步骤4处理后的模板置于马弗炉高温中加热，煅烧3h，自然冷却至室温，得ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极。
作为改进的是，步骤3中低速搅拌的速度为80rpm，滴加异丙醇钛后，搅拌速度为400rpm。
作为改进的是，步骤5中马弗炉的加热温度为500℃。
基于上述任一种ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极在过氧化氢痕量检测上的应用。
作为改进的是，应用的步骤如下：将ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极切成规格为5 mm*25 mm的小电极，，配制电解液，设置光电倍增管电压为600V，测试电极的初始信号值，然后向电解液中加入浓度范围从0 μM至2.0 μM变化的过氧化氢，检测其电化学发光信号，观察前后信号变化。
作为改进的是，所述电解液是由25 mM K2S2O8和15 mM NaCl混合而成。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用，优势如下：
1、本发明的制备方法通过合理调整二氧化钛反蛋白石光子晶体制备参数，简化制备步骤，降低制备成本，使其易于产业化。
2、本发明基于反蛋白石光子晶体的高性能自发光基底，利用光电信号转换实现对过氧化氢的痕量检测，一方面无需发光试剂即可完成对目标物的测试，降低信号干扰；另一方面，大幅优化检测流程，操作简便，提高检测效率，无需复杂的核酸修饰，即可实现对痕量过氧化氢的高灵敏检测，检测限低，在一定浓度范围内过氧化氢的浓度与电致化学发光信号呈现良好的线性关系，在水质分析领域有着巨大的应用潜力。
附图说明
图1为ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极的制备流程图；
图2为ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极的实物图，（a）为剖面示意图，1-ITO导电玻璃，2-光子晶体，（b）为成品图；
图3为ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极的扫描电镜图像；
图4为在不同二氧化钛溶胶与乙醇配比浓度下ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极的信号图；
图5为本发明ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极对于不同浓度过氧化氢响应的电致化学发光信号图；
图6为本发明ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极的发光强度对数值与过氧化氢浓度的线性拟合函数图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所用的ITO电极，需要经过清洗处理，处理步骤如下：
将ITO电极（规格：16 mm*25 mm）用洗洁精清洗干净后晾干，再分别用乙醇和去离子水依次冲洗，最后在Ar气流中干燥处理后，进行以下实施例的应用。
实施例1
取一个10ml的烧杯，将直径为270 nm的聚苯乙烯微球配成3 ml的0.05%浓度溶液，搅拌均匀后超声30 min，得到聚苯乙烯微球分散液。
将清洗干净的ITO电极竖直立靠于烧杯壁，非导电面朝向杯壁，溶液在导电面会形成凹液面，用玻璃罩盖住，并在罩内放置一瓶纯水，用于调控聚苯乙烯微球溶液挥发速度，从而控制电极表面修饰胶体晶体的形貌。将烧杯置于鼓风干燥箱中，温度设定在53℃，垂直沉积20 h，待溶液完全蒸发，将温度设为65℃，老化半小时后取出。
实施例2
取35ml乙醇、1.1 ml二乙醇胺置于三口圆底烧瓶中，以80rpm的低速搅拌均匀，缓慢加入5.2 ml异丙醇钛，剧烈搅拌1天，转速设为400rpm，得到二氧化钛胶体溶液，设置不同的实验组，即将制备的二氧化钛溶胶与乙醇按1:1、1：1.2、1:1.5分别配制得到稀溶液，将聚苯乙烯微球模板垂直浸入二氧化钛溶液中，立刻取出，水平静置1h。马弗炉5h升温至500℃，然后在500℃下保持3 h，得到ITO表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极。如图3 所示即为在1:1比例下二氧化钛反蛋白石光子晶体的扫描电镜图像；图4为二氧化钛溶胶和乙醇不同配比下，电化学发光信号强度情况。
实施例3
将制备得到的修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体的ITO电极作为工作电极，电解液为：25 mM K2S2O8+15 mM NaCl，设置光电倍增管电压为600V，先测初始环境的信号值，然后向电解液中加入过氧化氢，其浓度范围从0μM至2.0μM，然后再测其电化学发光信号。图5显示了不同浓度过氧化氢浓度下信号值的变化情况。从图中可以看出，随着过氧化氢浓度增大，电化学发光信号则越弱，从而实现对过氧化氢的灵敏检测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，用洗洁精将ITO导电玻璃清洗干净后，晾干，再依次用乙醇和去离子水冲洗，最后在Ar气流中干燥处理，备用；
步骤2，将固含量为2.5%、直径为270 nm的聚苯乙烯微球溶液溶于去离子水中配成质量分数为0.05～0.1%的溶液，搅拌均匀后，置于超声波清洗器中超声25～35 min，得聚苯乙烯微球分散液；再将清洗后的ITO导电玻璃竖直立靠于烧杯壁，且非导电面朝向杯壁，将烧杯置于鼓风干燥箱中50～55℃下垂直沉积18～24 h，待溶液完全蒸发，得聚苯乙烯微球模板，再升温至65℃进行老化处理半小时，取出，备用；
步骤3，在三口圆底烧瓶中加入乙醇和二乙醇胺，先低速搅拌均匀，且边搅拌边加入异丙醇钛，再以350～400 r/min的转速在室温下搅拌24 h，待反应完成后，静置老化1-2天，得二氧化钛溶胶；
步骤4，将二氧化钛溶胶与乙醇按照体积比1:1～1.5混合，再将老化处理后的聚苯乙烯微球模板垂直浸没于二氧化钛溶胶中，立刻取出，在模板的表面形成一层薄膜，水平静置1h；
步骤5，将经步骤4处理后的模板置于马弗炉高温中加热，煅烧3h，自然冷却至室温，得ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极。
2.根据权利要求1所述一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法，其特征在于，步骤3中低速搅拌的速度为80rpm，滴加异丙醇钛后，搅拌速度为400rpm。
3.根据权利要求1所述一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法，其特征在于，步骤5中马弗炉的加热温度为500℃。
4.基于权利要求1-3中任一种ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极在过氧化氢痕量检测上的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将ITO导电玻璃表面修饰二氧化钛反蛋白石光子晶体电极切成规格为5 mm*25 mm的小电极，配制电解液，设置光电倍增管电压为600V，测试电极的初始信号值，然后向电解液中加入浓度范围从0 μM至2.0 μM变化的过氧化氢，检测其电化学发光信号，观察前后信号变化。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述电解液是由25 mM K2S2O8和15 mMNaCl混合而成。
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