一种用于抗坏血酸传感器的电极材料、生物传感器及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种用于抗坏血酸传感器的电极材料、生物传感器及其制备方法和应用 (Electrode material for ascorbic acid sensor, biosensor, preparation method and application of biosensor ) 是由 李勇 张玉新 周鱼跃 薛伟 周应继 张瑞珠 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及生物传感器技术领域,具体来说是一种用于抗坏血酸传感器的电极材料、生物传感器及其制备方法和应用,由以下方法制成：将表面去油处理后的泡沫镍通过水热氧化法进行表面氧化,制备得到Ni@NiO复合材料,再将氧化后的碳纳米管通过电喷法对Ni@NiO复合材料表面修饰,得到Ni@NiO复合材料/碳纳米管,再将抗坏血酸氧化酶负载在Ni@NiO复合材料/碳纳米管表面,制备得到了用于检测抗坏血酸的电极材料。本发明还将该电极材料和参比电极及对电极构成了生物传感器,能够采用电化学方法对抗坏血酸进行检测,且对抗坏血酸的检测具有高的灵敏度和低的检测限,响应时间迅速且选择性高。(The invention relates to the technical field of biosensors, in particular to an electrode material for an ascorbic acid sensor, the biosensor, a preparation method and an application thereof, wherein the electrode material is prepared by the following steps: the method comprises the steps of carrying out surface oxidation on foamed nickel subjected to surface deoiling treatment through a hydrothermal oxidation method to prepare a Ni @ NiO composite material, modifying the surface of the Ni @ NiO composite material through an electric spraying method by using an oxidized carbon nano tube to obtain a Ni @ NiO composite material/carbon nano tube, and loading ascorbic acid oxidase on the surface of the Ni @ NiO composite material/carbon nano tube to prepare the electrode material for detecting ascorbic acid. The electrode material, the reference electrode and the counter electrode form a biosensor, ascorbic acid can be detected by adopting an electrochemical method, and the ascorbic acid detection has high sensitivity, low detection limit, quick response time and high selectivity.)
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，具体来说是一种用于抗坏血酸传感器的电极材料、生物传感器及其制备方法和应用。
背景技术
传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
抗坏血酸(维生素C)通过饮食摄取，被小肠吸收而广泛分布到体内的脏器和组织中，在生物化学方面，参与胶原蛋白的合成、左旋肉碱的合成、肾上腺皮质激素的合成、儿茶酚胺的合成、过氧化脂质的分解、活性氧的分解等，在生物体内起到重要的作用。近年来，维生素C的强还原性所带来的抗癌作用、免疫力增强、以及美肌、美白效果受到关注，被应用于高浓度维生素C点滴疗法等中。
作为抗坏血酸的测定，可以举出用于抗坏血酸缺乏症诊断的测定、食品中的抗坏血酸的测定等。另外，在高浓度维生素C点滴疗法中，必须即时监控血中的维生素C浓度，另外，在糖尿病的自我血糖测定中，血中的抗坏血酸会对葡萄糖测定值产生影响，因此需要根据抗坏血酸浓度的测定值对葡萄糖值进行校正。
所以抗坏血酸的测定一直是医学上检测身体健康与否的一个重要指标，抗坏血酸的测定一般采用滴定分析法、分光光度法、色谱分析法及荧光分析法，而现有技术的这些方法中要求实验条件及操作技术较高，且检测灵敏度较低。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供了一种用于抗坏血酸传感器的电极材料、生物传感器及其制备方法和应用，本发明制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料，并将该电极材料和参比电极及对电极构成了生物传感器，能够采用电化学方法对抗坏血酸进行检测，且对抗坏血酸的检测具有非常高的灵敏度和低的检测限，并且响应时间迅速、抗干扰性好、选择性好。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于检测抗坏血酸的电极材料，由以下方法制成：先将表面去油处理后的泡沫镍通过氧化法进行表面氧化，制备得到[email protected]复合材料，再将氧化后的碳纳米管通过电喷法在[email protected]复合材料表面进行修饰，得到[email protected]复合材料/碳纳米管，最后将抗坏血酸氧化酶负载在[email protected]复合材料/碳纳米管表面，制备得到了用于检测抗坏血酸的电极材料。
本发明还保护了一种用于检测抗坏血酸的电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)[email protected]复合材料的制备：
将泡沫镍表面去油处理后，通过氧化法进行表面氧化，制备得到[email protected]复合材料；
(2)用于检测抗坏血酸的电极材料的制备：将经化学氧化法制备得到的氧化碳纳米管采用电喷法转移到[email protected]复合材料表面，热处理后得到[email protected]复合材料/碳纳米管，然后在[email protected]复合材料/碳纳米管的表面固定抗坏血酸氧化酶，制备得到用于检测抗坏血酸的电极材料。
优选的，所述步骤(1)的表面去油处理方法为：将泡沫镍浸泡于丙酮中并超声，然后于去离子水中超声，再将泡沫镍浸入至浓度为0.1mol/L的HCl溶液中超声，再于去离子水中超声，常温干燥至质量不再发生变化。
优选的，所述步骤(1)的水热氧化法为：将泡沫镍和去离子水置入反应釜内，在反应釜内先于100-120℃下反应12h，再于130-140℃下反应12h，冷却至室温后取出并干燥，最后于300-400℃下烧结5-7h，真空干燥。
优选的，所述步骤(2)碳纳米管的化学氧化法的制备方法为：在碳纳米管中加入体积分数为45％的浓硝酸，并在100-120℃下回流10-12h，然后冷却至室温，经去离子水洗至去离子水呈无色透明后，烘干至质量不再发生变化。
优选的，所述步骤(2)中在[email protected]复合材料/碳纳米管的表面固定抗坏血酸氧化酶的操作为：在[email protected]复合材料/碳纳米管上重复3-5次滴加抗坏血酸氧化酶溶液，常温干燥后低温冷藏；
其中，抗坏血酸氧化酶溶液的制备方法为：将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中。
优选的，所述步骤(2)中电喷法的具体操作为：将氧化碳纳米管超声分散于N,N'-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中并形成分散液，将分散液注入至带有喷头的喷射容器内，通电后将喷射容器内的分散液通过喷头喷射至[email protected]复合材料表面；
所述电喷法采用的喷射条件为：温度为80-120℃，[email protected]复合材料表面与喷头的距离为10-14cm，喷射流量为0.05-0.1mL/h，电压为8-12kV，喷头的内径为0.4-0.6mm。
优选的，所述步骤(2)中的热处理操作为：在惰性气氛中，于温度为300-450℃下处理10-20min。
本发明还保护了一种用于检测抗坏血酸的电极材料的生物传感器，所述生物传感器包括步骤(2)制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料、参比电极、辅助电极及电解液，以用于检测抗坏血酸的电极材料做为工作电极，以Ag/AgCl电极做为参比电极，以铂片电极做为辅助电极，组成三电极体系，并将所述用于检测抗坏血酸的电极材料、参比电极及辅助电极置于电解液中，在电化学工作站上做循环伏安扫描；
其中，所述电解液包括pH＝7的缓冲溶液和抗坏血酸，缓冲溶液包括CuH2PO4和CuHPO4，将抗坏血酸溶解于缓冲溶液中并制备得到浓度为5×10-8-5×10-3mol/L的电解液。
本发明还保护了生物传感器在抗坏血酸浓度测定中的应用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用电化学方法，对抗坏血酸进行检测，且对抗坏血酸的检测具有非常高的灵敏度和低的检测限，并且响应时间迅速、选择性好的优点。
2、本发明先将表面去油处理后的泡沫镍通过水热氧化法进行表面氧化，制备得到[email protected]复合材料，[email protected]复合材料具有化学稳定性高、电催化性能好、电子转移能力强等优点，在生物传感器中具有潜在的应用前景，再将氧化后的碳纳米管通过电喷法转移到[email protected]复合材料表面，使得氧化后的碳纳米管能够稳定位于[email protected]复合材料上，得到[email protected]复合材料/碳纳米管，最后将抗坏血酸氧化酶负载在[email protected]复合材料/碳纳米管表面，制备得到抗坏血酸传感器的电极材料，修饰抗坏血酸氧化酶能够高效催化抗坏血酸的氧化，使电极具有极高检测灵敏度，达到极高的检测限，适合抗坏血酸的微量检测。
3、碳纳米管其尺寸小、机械强度高、比表面积大、电导率高且具有界面效应强的特点，且碳纳米管具有优异的电学性能，这些特性能够提高生物检测的灵敏性和稳定性，降低氧化还原的过电位，使其进行直接电子传递。
4、本发明以泡沫镍为基体，镍(Ni)是一种磁性金属，具有独特的性质且能够被应用于磁性存储介质、燃料电池电极、催化剂等，NiO纳米结构具有化学稳定性高、电催化性能好、电子转移能力强等优点，在生物传感器中具有潜在的应用前景，且[email protected]复合材料具有优异的电化学生物活性、磁学性能和在水中的良好分散性，使其在生物分离和生物传感器等领域具有广阔的应用前景，另外泡沫镍为海绵状多孔金属镍，多孔状的泡沫镍便于氧化碳纳米管的附着，且在热处理后不仅使得溶剂得到分解和逸散，而且加深了氧化碳纳米管在[email protected]复合材料上的附着力度，多孔状的[email protected]复合材料及碳纳米管为抗坏血酸氧化酶提供了负载的孔道和位点，具有磁性的[email protected]复合材料能够对抗坏血酸氧化酶进行吸附，使得抗坏血酸氧化酶能够在电化学检测时稳定位于[email protected]复合材料/碳纳米管上，并进行稳定检测。
附图说明
图1为为本发明所述传感器电极在不同浓度抗坏血酸溶液中的循环伏安曲线，图中：a、b、c、d、e、f分别表示抗坏血酸溶液的浓度分别为1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10- 5mol/L、1×10-6mol/L、1×10-7mol/L、1×10-8；
图2为被发明实施例2制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料充放电的性能测试图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，用以较佳的实施例1-3及附图1-2配合详细的说明。
实施例1
一种用于检测抗坏血酸的电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)[email protected]复合材料的制备：
将泡沫镍裁剪成1×5cm2大小的方形片，将泡沫镍浸泡于丙酮中并超声6h，然后于去离子水中超声2h，再将泡沫镍浸入至0.1mol/L的HCl溶液中超声3h，最后水洗2h并超声，常温下干燥至质量不再发生变化，然后将泡沫镍和去离子水置入反应釜内，去离子水将泡沫镍浸没，在反应釜内先于100℃下先反应12h，再于140℃下反应12h，冷却至室温后取出并干燥，最后于300℃下烧结7h，真空干燥，制备得到[email protected]复合材料；
(2)用于检测抗坏血酸的电极材料的制备：
将0.04g碳纳米管分散于体积分数为45％的浓硝酸，并在100℃下回流12h，冷却至室温后经去离子水洗至去离子水呈无色透明，烘干至质量不再发生变化，制备得到氧化碳纳米管，将氧化碳纳米管超声分散于20mL的N,N'-二甲基甲酰胺中并形成分散液，将分散液注入至带有喷头的喷射容器内，通电后将喷射容器内的分散液在温度为80℃，[email protected]复合材料表面与喷头的距离为10cm，喷射流量为0.05mL/h，电压为12kV，喷头的内径为0.4mm条件下，通过喷头喷射至[email protected]复合材料表面，然后在惰性气氛中，于温度为450℃下热处理10min后得到[email protected]复合材料/碳纳米管，然后在[email protected]复合材料/碳纳米管上重复3次滴加抗坏血酸氧化酶溶液，抗坏血酸氧化酶溶液的制备方法为：将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中，室温干燥后在2℃下冷藏，制备得到用于检测抗坏血酸的电极材料。
实施例2
(1)[email protected]复合材料的制备：
将泡沫镍裁剪成2×4cm2大小的方形片，将泡沫镍浸泡于丙酮中并超声7h，然后于去离子水中水洗并超声1.5h，再将泡沫镍浸入至0.1mol/L的HCl溶液中超声4h，最后水洗1.5h并超声，常温下干燥至质量不再发生变化，然后将泡沫镍和去离子水置入反应釜内，去离子水将泡沫镍浸没，在反应釜内先于110℃下先反应12h，再于135℃下反应12h，冷却至室温后取出并干燥，最后于350℃下烧结6h，真空干燥，制备得到[email protected]复合材料；
(2)用于检测抗坏血酸的电极材料的制备：
将0.05g碳纳米管分散于体积分数为45％的浓硝酸，并在110℃下回流11h，冷却至室温后经去离子水洗至去离子水呈无色透明，烘干至质量不再发生变化，制备得到氧化碳纳米管，将氧化碳纳米管超声分散于25mL的N-甲基吡咯烷酮中并形成分散液，将分散液注入至带有喷头的喷射容器内，通电后将喷射容器内的分散液在温度为100℃，[email protected]复合材料表面与喷头的距离为12cm，喷射流量为0.08mL/h，电压为10kV，喷头的内径为0.5mm条件下，通过喷头喷射至[email protected]复合材料表面，然后在惰性气氛中，于温度为350℃下热处理15min后得到[email protected]复合材料/碳纳米管，然后在[email protected]复合材料/碳纳米管上重复4次滴加抗坏血酸氧化酶的磷酸盐缓冲溶液，抗坏血酸氧化酶的磷酸盐缓冲溶液的制备方法为：将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中，室温干燥后在4℃下冷藏，得到用于检测抗坏血酸的电极材料。
实施例3
(1)[email protected]复合材料的制备：
将泡沫镍裁剪成3×3cm2大小的方形片，将泡沫镍浸泡于丙酮中并超声8h，然后于去离子水中水洗并超声1h，再将泡沫镍浸入至0.1mol/L的HCl溶液中超声5h，最后水洗1h并超声，常温下干燥至质量不再发生变化，然后将泡沫镍和去离子水置入反应釜内，去离子水将泡沫镍浸没，在反应釜内先于120℃下先反应12h，再于130℃下反应12h，冷却至室温后取出并干燥，最后于400℃下烧结5h，真空干燥，制备得到[email protected]复合材料；
(2)用于检测抗坏血酸的电极材料的制备：
将0.06g碳纳米管分散于体积分数为45％的浓硝酸，并在120℃下回流10h，冷却至室温后经去离子水洗至去离子水呈无色透明，烘干至质量不再发生变化，制备得到氧化碳纳米管，将氧化碳纳米管超声分散于30mL的N-甲基吡咯烷酮中并形成分散液，将分散液注入至带有喷头的喷射容器内，通电后将喷射容器内的分散液在温度为120℃，[email protected]复合材料表面与喷头的距离为14cm，喷射流量为0.1mL/h，电压为8kV，喷头的内径为0.6mm条件下，通过喷头喷射至[email protected]复合材料表面，然后在惰性气氛中，于温度为300℃下热处理20min后得到[email protected]复合材料/碳纳米管，然后在[email protected]复合材料/碳纳米管上重复5次滴加抗坏血酸氧化酶的磷酸盐缓冲溶液，抗坏血酸氧化酶的磷酸盐缓冲溶液的制备方法为：将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中，室温干燥后在2-6℃下冷藏，得到用于检测抗坏血酸的电极材料。
本发明实施例1-实施例3制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料均具有有非常高的灵敏度和低的检测限，并且响应时间迅速、稳定性和抗干扰性好、选择性好，且结果相当，本发明以实施例2制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料为例，并将实施例2制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料做为工作电极，以Ag/AgCl电极做为参比电极，以铂片电极做为辅助电极，组成三电极体系，并将所述用于检测抗坏血酸的电极材料、参比电极及辅助电极置于电解液中，在电化学工作站上做循环伏安扫描，扫描结果及结论如下所示：
(1)研究方法：
测试仪器：CHI660E电化学工作站；
测试1：以实施例2制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料做为工作电极，以Ag/AgCl电极做为参比电极，以铂片电极做为辅助电极，组成三电极体系，并将所述用于检测抗坏血酸的电极材料、参比电极及辅助电极置于电解液中，电解液包括pH＝7的缓冲溶液和抗坏血酸，CuH2PO4和CuHPO4的缓冲溶液pH＝7，将抗坏血酸溶解于缓冲溶液中并制备得到浓度分别为5×10-8-5×10-3mol/L的电解液，在电化学工作站上做循环伏安扫描；
如图1所示，将制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料的生物传感器，采用循环伏安法研究该传感器检测抗坏血酸浓度的电流响应，显示该抗坏血酸氧化酶传感器具有极高的检测限，最高可达到1×10-11mol/L，在浓度分别为5×10-8-5×10-3mol/L的抗坏血酸溶液中以100mV速度扫描的循环伏安曲线表明该氧化酶传感器对抗坏血酸表现出优异的电催化性能。
测试2：将实施例2制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料进行充放电的性能测试，如图2所示，从而测试经过以0.1C的电流密度做10个充放电循环之后，稳定容量可以达到110mAh/g，且在循环数逐渐增加的情况下，稳定容量直线减小，在4次以前趋于稳定，循环数在4次以后极速下降，因此本发明制备得到的用于检测抗坏血酸的电极材料在对同一抗坏血酸进行测定时，可在同一电极上测定4次，超声清洗后再次滴加抗坏血酸氧化酶溶液并进行检测。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。