黑磷基复合材料构建辣根过氧化物酶传感器的电催化应用

1.本发明属于电化学传感器的制备方法和应用领域，涉及黑磷烯(bpns)/单壁碳纳米管(swcnts)复合材料的制备及其构建辣根过氧化物酶(hrp)电化学传感器的电催化应用。


背景技术：

2.黑磷(bp)是磷的一种同素异形体，俗称磷烯，相邻的两个bp层通过范德华力叠加在一起, 这一独特的层状结构，使得黑磷具有很多优异的性能，如层数可控的直接带隙、较高的载流子迁移率、明显的各向异性和较好的生物相容性，在光电化学、生物医学、太阳能电池、锂离子电池/钠离子电池、晶体管、电子元器件等领域具有广阔的应用前景。随着对bp材料的深入研究， bp的一些不足也暴露出来，稳定性较差，光存在条件下暴露于空气中或置于水溶液的bp会发生降解生成无毒的pxoy氧化物。幸运的是，通过对bp进行有效的表面功能化，可以避免bp的进一步降解，使得bp具有良好的稳定性和分散性。
3.薄层bpns具有更加突出的优点，如导电性强，生物相容性好等。在bpns的表面上，修饰swcnts材料，可以起到延缓bpns降解的作用。同时，bpns和swcnts采用物理混合法合成bpns-swcnts复合材料兼具swcnts的特性，如良好的生物相容性、快速的电子转移和较高的表面活性等。所以将swcnts与bpns进行复合可以实现二者的增效协同作用。一方面swcnts起到延缓bpns降解的双重作用，另一方面提高复合材料的导电性，为构建新型生物传感器提供了更广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明提供了一种薄层黑磷烯(bpns)/单壁碳纳米管(swcnts)复合材料的制备及其构建辣根过氧化物酶(hrp)电化学传感器的电催化应用，本发明提供的复合材料的制备方法工艺简单，成本低，测定效果明显，电化学测试过程中，具有较高的有效表面积和分析检测性能。本发明提供了一种bpns-swcnts 纳米复合材料的合成，所述薄层功能化bpns-swcnts纳米复合材料具有bpns的片状结构和swcnts的管状结构，并且swcnts与bpns相互缠绕在一起，使得复合材料具有较强的导电能力，能提高薄层bpns的分散性和稳定性。
5.优选地，所述薄层bpns-swcnts 纳米复合材料的有效表面积为0.182 cm2；优选地，所述bpns-swcnts 复合材料二者相互交联缠绕在一起，并且swcnts能够黏附到薄层bpns的表面。
6.本发明提供了上述技术方案所述复合材料的制备方法和电化学酶传感器的应用，包括以下步骤：(1) bpnps与nmp混合在冰浴中超声12小时，然后离心，制备薄层的bpns分散液，与swcnts混合超声4小时，制得薄层bpns-swcnts混合液；(2) 以石墨粉和离子液体(hppf6)按质量比为2：1混合，研磨，装入插有铜丝的玻璃管中制备cile，以其作为基底电极，并在每次使用之前对电极表面进行抛光；(3) 在步骤2的基础上，把cile和复合材料放
入手套箱中，首先将手套箱抽真空，然后通入n2；(4)首先滴涂bpns-swcnts到cile的表面，室温晾干后，得到bpns-swcnts/cile修饰电极；将hrp滴于bpns-swcnts/cile电极上，室温晾干后，得到hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极；再滴加nafion到上述电极之上，室温晾干后，制备得到的三明治结构的hrp酶电化学传感器 (nafion/hrp/bpns-swcnts/cile); (5)对步骤4所得的电极构建三电极体系进行电化学测试。
7.优选地，所述薄层bpns-swcnts纳米复合材料的用量为10μl，bpns与swcnts二者以体积比1：1混合。所述bpns为薄层片状结构，所述hrp的浓度为15.0 mg/ml，所述的电极制备步骤(3) (4)均在充满n2的手套箱中完成。
8.优选地，所述的复合纳米材料的制备采用液相超声剥离法和物理混合法，液相超声剥离法制备薄层bpns和物理混合法制备纳米复合材料。
9.优选地，所述的修饰电极的制备固定酶的用量为10.0 μl 15.0 mg/ml，自然晾干完成。
10.本发明提供了上述技术方案所述一种薄层黑磷烯(bpns)/单壁碳纳米管(swcnts)复合材料的制备及其构建辣根过氧化物酶(hrp)电化学传感器的电催化应用。本发明提供的薄层bpns-swcnts纳米复合材料，具有swcnts良好的生物相容性、快速的电子转移和较高的表面活性和bpns的厚度越小，比表面积越大、活性中心越多的特性。所以swcnts与bpns的复合可以实现二者的增效作用。同时，能提高复合材料的导电性，增强bpns的环境稳定性和分散性。由实施例的结果表明，本发明提供的bpns-swcnts复合材料修饰电极在1.0 mmol/l k3[fe(cn)6]和0.5mol/l kcl混合液中，进行循环伏安测试，其有效面积为0.182cm2，比cile 大1.44倍。
附图说明
[0011]
图1为实施例1制备的bpnps，swcnts和薄层bpns-swcnts纳米复合材料的扫描电镜和bpns的透射电镜图。
[0012]
图2为实施例1制备的薄层bpns-swcnts纳米复合材料的x-射线衍射谱图。
[0013]
图3为实施例1hrp和制备的bpns-swcnts-hrp的紫外可见吸收光谱图。
[0014]
图4为实施例1hrp和制备的bpns-swcnts复合材料的红外光谱图。
[0015]
图5为测试例1制备的不同修饰电极在1.0 mmol/l k3[fe(cn)6]和0.5mol/l kcl混合电解液中不同扫速下的循环伏安曲线。
[0016]
图6为测试例1制备的bpns-swcnts/cile修饰电极在1.0 mmol/l k3[fe(cn)6]和0.5mol/l kcl混合电解液中的扫描速度图。
[0017]
图7为测试例1制备的bpns-swcnts/cile修饰电极在不同扫速下的氧化还原峰电流与υ
1/2
的线性关系。
[0018]
图8为测试例2制备的不同修饰电极在0.1 mmol/l 磷酸盐缓冲溶液（pbs）中循环伏安曲线。
[0019]
图9为测试例2制备的nafion/hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极在不同ph的0.1 mmol/l pbs中扫描速度图。
[0020]
图10为测试例3制备的nafion/hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极催化tcv的曲线。
[0021]
图11为测试例3制备的nafion/hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极催化nano2的曲
线。
[0022]
图12为测试例3制备的nafion/hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极催化h2o2的曲线。
具体实施方式
[0023]
本发明提供了一种薄层黑磷烯(bpns)/单壁碳纳米管(swcnts)复合材料的制备及其构建辣根过氧化物酶(hrp)电化学传感器的电催化应用。 本发明提供电化学酶传感器制备方法简单、易操作、成本低，作为测定tca、nano2和h2o2的电化学酶传感器时，电化学检测范围宽，检测限低。
[0024]
本发明提供的所述的薄层bpns-swcnts纳米复合材料制备的电化学传感平台(bpns-swcnts/cile)的有效面积为0.182 cm2。
[0025]
优选地，所述电化学酶传感器的制备需要在充满n2的手套箱中进行。
[0026]
在本发明中，所述薄层bpns-swcnts纳米复合材料的制备方法及其修饰电极得到bpns-swcnts/cile的制备方法，优选包括以下步骤：首先采用液相剥离法和物理混合法，制备薄层bpns-swcnts纳米复合材料。然后把cile和复合纳米材料放入手套箱中，将手套箱抽真空，然后通入n2，再将薄层bpns-swcnts滴涂到cile的表面，自然晾干后，得到bpns-swcnts/cile修饰电极。
[0027]
在本发明中，所述bpns分散液为薄层bpns分散液；本发明优选对所述bpnps进行预处理，在本发明中，所述预处理优选包括：将bpnps溶液进行超声，所述超声时间优选为8-12 h，更优选为12 h，在10000rmp和12000rmp分别离心20分钟，然后与swcnts直接混合超声4小时。
[0028]
本发明优选对薄层bpns-swcnts/cile修饰电极进行后处理，在本发明中，所述后处理优选为室温下手套箱中自然干燥。得到bpns-swcnts/cile修饰电极后，继续滴加hrp，自然晾干后，得到hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极，该修饰电极具有比表面积大、导电性高的特点。
[0029]
在本发明中，所述的hrp的优选浓度为15.0 mg/ml，优选体积为10.0 μl。
[0030]
最后将nafion滴涂于hrp/bpns-swcnts/cile修饰电极之上，得到nafion/hrp/bpns-swcnts/cile；在本发明中，所述修饰电极不用时在4℃冰箱中冷藏，对保存时间没有特殊要求，所述保存的温度为自然条件下。
[0031]
在本发明中，所述hrp体积优选为10.0 μl。得到修饰电极后，本发明优选将修饰电极在手套箱中室温干燥，得到三明治结构的nafion/hrp/bpns-swcnts/cile工作电极。在本发明中，所述参比电极优选为饱和甘汞电极，所述对电极优选为铂丝电极；本发明对所述滴涂的厚度和涂覆的具体实施过程没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的常规滴涂厚度和操作即可；在本发明中，对所述干燥的时间没有具体的要求，晾干即可。
[0032]
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0033]
实施例1首先将 bpnps与nmp混合在冰浴中超声12小时，然后分别10000rmp和12000rmp 离心20分钟，制备薄层的bpns分散液；采用物理混合法将bpns分散液与swcnts混合超声4小时，制得薄层bpns-swcnts纳米复合材料；对cile电极表面进行抛光，和复合材料一起放入
手套箱中，将手套箱抽真空，然后通入n2；首先滴涂bpns-swcnts纳米复合材料到cile的表面，自然晾干后，得到bpns-swcnts/cile修饰电极。其它修饰电极swcnts/cile、bpns/cile的制备方法均采用涂布法，bpns/cile和bpns-swcnts/cile电极不用是储存在4℃的冰箱中冷藏。
[0034]
图1为不同材料的扫描电镜和透射电镜图，其中，图1中的a为标尺1μm时的多层bpnps的扫描电镜照片，从图中可以看出bpnps呈现多层的片状结构；图1中的b为标尺100 nm时swcnts的扫描电镜图，从图中可以看出swcnts呈现管状结构；图1中的c为标尺100 nm时bpns-swcnts复合材料的扫描电子电镜图，可以看出二者相互缠绕并粘连在一起；图1中的d为标尺1 μm时的bpns 透射电镜图，可以看出bpns是薄层片状。
[0035]
图2为制备的薄层bpns-swcnts纳米复合材料的xpd图，通过 xrd 探测合成的复合材料的晶体学特性，从图中可以看出，复合材料具备了bpns的特征衍射峰和swcnts的xrd峰，说明二者复合成功。
[0036]
图3为hrp和hrp在制备bpns-swcnts复合材料中的紫外-可见吸收光谱图，从图3中可以明显看到hrp在水中(曲线a)与hrp在bpns-swcnts混合液(曲线b)的soret 吸收带均出现在403.2 nm处，说明hrp在bpns-swcnts复合材料中没有发生变性，同时也说明bpns-swcnts具有很好的生物相容性。
[0037]
图4为hrp和hrp在制备复合材料中的红外光谱图，从图4中可以明显看到hrp(曲线a)和hrp在bpns-swcnts复合材料 (曲线b) 中酰胺i和酰胺ii的红外吸收带分别位于1700-1600 cm-1
和1600-1500 cm-1
，两者位置基本一致, 说明hrp在bpns-swcnts中保持了其原始构象。
[0038]
测试例1将实施例1制备的swcnts/cile、bpns/cile和bpns-swcnts/cile电极作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极置于1.0 mmol/l k3[fe(cn)6]和0.5 mol/l kcl混合电解液中采用循环伏安法进行电化学性能测试。
[0039]
图5为测试例1制备的bpns-swcnts/cile修饰电极在1 mmol/l k3[fe(cn)6]和0.5 mol/l kcl混合电解液中100 mv/s的循环伏安图，如图5所示，cile (曲线a)上有一对准可逆的氧化还原峰，还原峰电流为ipc 为38.00 μa和氧化峰电流ipa 为34.39 μa。在swcnts/cile上 (曲线b)，氧化还原峰电流增大，表明 swcnts具有良好的导电性。在bpns/cile(曲线c) 上氧化还原峰电流增大进一步增大，表明bpns较swcnts更能促进[fe(cn)6]
3-/4-电子转移速率。在bpns-swcnts/cile(曲线d) 上氧化还原峰电流明显最大，还原峰电流和氧化峰电流分别为81.43 μa和75.82 μa，较cile分别增大2.14倍和2.20倍，这是由于bpnps-swcnts的协同作用，加快了[fe(cn)6]
3-/4-与电极表面的电子转移速率，提高了电化学响应信号。
[0040]
图6为测试例1制备的bpns-swcnts/cile修饰电极在1.0 mmol/l k3[fe(cn)6]和0.5 mol/l kcl混合电解液中不同扫速下的循环伏安曲线，随着扫速的增加，氧化还原峰电位分别向正向和负向偏移，氧化还原峰电流随着扫速的增加也逐渐变大。
[0041]
图7为制备的bpns-swcnts/cile修饰电极在不同扫速下的氧化还原峰电流与υ
1/2
的线性关系，从图6可以看出氧化还原峰电流与υ
1/2
成良好的线性关系。
[0042]
实施例2
mmol/l时，还原峰电流与h2o2浓度呈良好的线性关系，检测限为0.33 mmol/l(3σ)，k
mapp
为7.88 mmol/l，说明nafion/hrp/bpns-swcnts/cile对h2o2具有较好的电催化效果，hrp在bpns-swcnts复合材料中保持了较好的生物活性。
[0050]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。