基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备方法及应用与流程

本发明属于光电化学分析技术领域，具体涉及基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备方法及应用。

背景技术：

多氯联苯(pcbs)是一类环境持久性有机污染物，由于其极好的化学稳定性、热稳定性、低的可燃性和导电性，被大量生产并广泛地应用于多个工业领域。pcbs种类繁多，根据其氯原子取代联苯的个数和位置不同，共有209种不同结构类型的同类物，可分为两大类：平面构型的非邻位取代和非平面的邻位取代。一般来说，平面型的pcbs的毒性要远大于非平面型的pcbs。3,3’,4,4’-多氯联苯(多氯联苯77)属于平面型pcbs同类物的一种，它具有类似于二噁英的性质，能结合芳香烃受体，与其它多数pcbs相比，被认为是一种毒性非常强的二噁英类化合物。多氯联苯77不仅会扰乱生物体的内分泌生殖系统，而且影响甲状腺功能导致神经中毒，造成生物体新陈代谢失调，生长畸形，发育迟缓等。由此，快速，准确的评估类似于二噁英的高毒性pcbs同系物(多氯联苯77)的含量对保护环境和人类健康具有非常重要的意义。

目前，用于检测多氯联苯的方法主要有气相色谱-质谱法(gc-ms)、高效液相-色谱质谱法(hplc-ms)的传统的仪器分析技术，尽管这些方法可以实现高的分辨率和好的准确度，但所用仪器复杂、昂贵且样品的前期处理繁琐、费时。此外，利用酶或抗体作为识别元件的酶联免疫法已被用于多氯联苯的检测。但是，抗体和酶的提取过程复杂，成本高，且使用寿命有限。

技术实现要素：

针对现有的多氯联苯77检测技术存在的操作复杂、成本高、稳定性差等问题，本发明提供了一种基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学分析方法，用于对多氯联苯77快速、低成本、高灵敏、高选择性地检测。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，fto电极依次在丙酮，乙醇，二次水中超声清洗，自然干燥，得到干净的fto电极；

步骤2，将钛酸四丁酯加入到稀盐酸溶液中搅拌，转移到高压反应釜中，然后将干净的fto电极导电面朝下斜靠在高压反应釜的内胆壁上，进行反应；反应完成后，取出电极，用二次水彻底冲洗，干燥后放入马弗炉中煅烧，制得tio2纳米棒电极；

步骤3，将tio2纳米棒电极置于含有碳量子点的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，通过恒电位沉积法，将碳量子点沉积在tio2纳米棒电极上，制备得到碳量子点-tio2纳米棒电极。

进一步，所述步骤1中超声清洗的时间为15～20min，超声清洗的频率为2000～4000hz；所述步骤2中钛酸四丁酯的体积为0.1～0.3ml；所述搅拌时间为5～15min；所述反应的反应温度为160～180℃，反应时间为6～8h；所述倾斜的角度为30～70°；所述煅烧温度为450～500℃，煅烧时间为1～2h；所述稀盐酸的质量百分数为18.5％；所述步骤3中含有碳量子点的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中碳量子点的浓度为0.1～0.2mg/ml；所述恒电位沉积的电位为-1.1v沉积时间为20min。

进一步，所述步骤3中碳量子点的制备步骤如下：

步骤1，将两根石墨棒平行放置于装有纯水的玻璃容器中通电搅拌，用慢速定量滤纸过滤，得到过滤液；

步骤2，将过滤液离心，滤去氧化石墨沉淀和石墨颗粒，得到碳量子点水溶液；

步骤3，将碳量子点水溶液也通过旋转蒸发仪浓缩干燥，制备得到了粉末状碳量子点。

再进一步，所述碳量子点的制备步骤1中纯水体积为600ml，两根石墨棒之间的距离为5～8cm；所述通电搅拌具体操作为在直流电源下，施加50～60v的电压，连续搅拌120～125h；所述定量滤纸的尺寸为1～3μm；所述步骤2中离心转速为20000～22000rpm，离心时间为30～45min；所述步骤3中浓缩温度为70～80℃，浓缩到0.1～0.2mg/ml；

基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的应用，应用于光电化学传感器。

基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，取一裸露面积为1cm²的碳量子点-tio2纳米棒电极,将壳聚糖溶液滴在碳量子点-tio2纳米棒电极的表面，在40～50℃恒温下干燥；用0.1mol/lnaoh冲洗数次，并干燥；再将戊二醛溶液滴在涂有壳聚糖的电极表面，在室温下反应20～40min，用高纯水冲洗并干燥；

步骤2，将3.0μmol/l末端氨基修饰的dna，滴到醛基功能化的碳量子点-tio2纳米棒电极表面上，在4℃下反应12h以上，用缓冲溶液冲洗掉物理吸附的dna；

步骤3，取多氯联苯77适配体滴于步骤2处理的电极上；在4℃下，适配体和dna发生杂交反应，用缓冲溶液冲洗掉未杂交的适配体；取牛血清蛋白堵塞未键合的醛基位点，制备得到了基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学传感器。

进一步，所述末端氨基修饰的dna序列:5′-ttc-gta-gcc-ccg-cct-ttt-ttt-ttt-tt-(ch2)6–nh2–3′；

所述适配体dna序列:

5′-ggc-ggg-gct-acg-aag-tag-tga-ttt-ttt-ccg-atg-gcc-cgt-g-(ch2)6–3′；

进一步，所述步骤1中壳聚糖溶液为乙酸溶解的壳聚糖，体积为20～50μl，浓度为1％w/v；所述戊二醛的体积为50～80μl，浓度为3％v/v；

所述步骤2中所述缓冲溶液浓度为0.1mol/lph7.41tris-hcl；

所述步骤3中多氯联苯77适配体的体积为20～40μl浓度为3.0μmol/l；氯联苯77适配体滴于dna互补链修饰的碳量子点-tio2纳米棒电极表面，杂交反应时间为10h以上；所述缓冲溶液浓度为0.1mol/lph7.41tris-hcl；所述牛血清蛋白的体积为10～20μl，浓度为1～2％w/v。

基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的光电化学传感器的应用，应用于光电化学分析。

基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的光电化学分析方法，基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极光电化学传感器对多氯联苯的光电化学检测，检测步骤如下：

步骤1，配制一系列不同浓度的多氯联苯77标准溶液；

步骤2，以所述的基于碳量子-tio2纳米棒电极光电化学传感器为工作电极，铂片为对电极，银-氯化银电极为参比电极；将三电极置于0.1mol/lph7.41pbs缓冲溶液中，形成三电极体系；

步骤3，在三电极体系中加入核酸外切酶1，之后，将步骤1配制的多氯联苯77标准溶液依次加入测试体系中，在核酸外切酶1的辅助作用下，与所述的光电化学传感器作用；采用氙灯光源作为激发光源，通过时间-电流法记录不同浓度多氯联苯77对应的光电流，根据光电流的变化与对应标准溶液中多氯联苯77浓度，绘制多氯联苯77分析的标准曲线；

步骤4，将多氯联苯77浓度未知的待测样品加入测试体系，采用步骤(3)的方法记录待测样品对应的光电流，并代入绘制得的标准曲线中，即可得到未知待测样品中多氯联苯77的浓度。

进一步，所述的步骤3中核酸外切酶1的量为20u；在测试体系中，核酸外切酶1与多氯联苯77-适配体的复合物作用的时间为120min；多氯联苯77与光电化学传感器作用的时间为40min；采用时间-电流法对不同浓度的多氯联苯77测试时，设置电压为0v,可见光的激发波长为420nm。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

(1)本发明是以tio2纳米棒为电极基底材料，将碳量子点沉积在tio2纳米棒电极上，通过碳量子点的负载使二氧化钛纳米棒的吸收范围由紫外光区扩展到可见区域，同时，碳量子点的负载使得碳量子点-tio2纳米棒在可见光激发下，产生的光生电子和空穴更易于迅速分离，从而有效地提高了光活性电极材料的光电转换效率。

(2)本发明将与适配体互补的dna链修饰在碳量子点-tio2纳米棒电极表面，并通过碱基互补将多氯联苯适配体引入电极上，在核酸外切酶1存在的条件下，当加入分析物多氯联苯77后，多氯联苯77和适配体的作用，多氯联苯77-适配体配合物进入溶液，在溶液中的核酸外切酶1适配体链，使的多氯联苯77被释放，再次与电极表面的适配体作用。这里，核酸外切酶1辅助信号循环放大，因而制得的基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学适配体传感器对多氯联苯77的测定具有极高的灵敏度，检测限可以达到0.0034ng/l，是目前报道的测定多氯联苯77最为灵敏的分析方法之一。

(3)本发明采用高灵敏度的光电化学分析方法与适配体结合，由于适配体对待测物多氯联苯77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。使得该光电化学适配体传感器能够在100倍浓度且结构相似的干扰物质中选择性的识别出多氯联苯77，具有极好的选择性，可用于复杂环境体系中多氯联苯77的检测。

附图说明

图1为本发明制备的二氧化钛纳米棒电极的sem图，碳量子点和碳量子点-tio2纳米棒的tem图；

图2为本发明制备的基于碳量子点-tio2纳米棒电极构建的光电化学传感器在0.1mol/ltris-hcl缓冲溶液中的电流-时间曲线图；

图3为本发明制备的光电化学适配体传感器对多氯联苯77和不同干扰物的选择性图。

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作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

本实施例提供了基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备方法

一、tio2纳米棒电极的制备方法：

(1)fto电极依次在丙酮，乙醇，二次水中超声清洗15min后，自然干燥；超声清洗的频率为2000hz；

(2)将0.1ml钛酸四丁酯加入到稀盐酸溶液中，(浓盐酸和二次水的体积比为1:1)搅拌5min，转移到高压反应釜中，然后将清洗干燥后的fto电极导电面朝下30°倾斜靠在内胆壁上，在温度为180℃的条件下，反应6h。取出电极，用二次水彻底冲，干燥后，放入马弗炉中，在500℃高温煅烧1h，制得tio2纳米棒电极；如图1a所示，可以看到在fto上原位直立生长的tio2纳米棒，且tio2纳米棒呈柱状阵列均匀分布在fto电极表面，直径约为200nm。

二、碳量子点的制备方法：

(1)将两根石墨棒平行放置于装有500ml纯水的烧杯中，两个棒之间的距离为5cm，在直流电源下，施加60v的电压，连续搅拌120h后，所得的溶液用慢速定量滤纸过滤；

(2)所得到的溶液在22000rpm下离心处理30min，滤去氧化石墨沉淀和石墨颗粒；

(3)将步骤(2)处理的碳量子点通过旋转蒸发仪在80℃浓缩到0.1mg/ml，制备得到了碳量子点。如图1b所示，尺寸为10nm左右的碳量子点成功地合成了。

三、基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备

将合成的tio2纳米棒电极置于0.1mg/ml的碳量子点的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，在电位为-1.1v，通过恒电位沉积法将碳量子点电沉积在tio2纳米棒电极表面，沉积时间为20min。如图1c，可见在tio2纳米棒电极表面负载了大量的碳量子点，尺寸约为10nm左右，由此，制备得到了碳量子点-tio2纳米棒电极。

实施例2

本实施例提供了基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备方法

一、tio2纳米棒电极的制备方法：

(1)fto电极依次在丙酮，乙醇，二次水中超声清洗18min后，自然干燥；超声清洗的频率为3500hz；

(2)将0.26ml钛酸四丁酯加入到稀盐酸溶液中，(浓盐酸和二次水的体积比为1:1)搅拌10min，转移到高压反应釜中，然后将清洗干燥后的fto电极导电面朝下50°倾斜靠在内胆壁上，在温度为170℃的条件下，反应7h。取出电极，用二次水彻底冲，干燥后，放入马弗炉中，在480℃高温煅烧1.5h，制得tio2纳米棒电极。

二、碳量子点的制备方法：

(1)将两根石墨棒平行放置于装有500ml纯水的烧杯中，两个棒之间的距离为7.5cm，在直流电源下，施加55v的电压，连续搅拌123h后，所得的溶液用慢速定量滤纸过滤；

(2)所得到的溶液在21000rpm下离心处理35min，滤去氧化石墨沉淀和石墨颗粒；

(3)将步骤(2)处理的碳量子点通过旋转蒸发仪在75℃浓缩到0.15mg/ml，制备得到了碳量子点。

三、基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备

将合成的tio2纳米棒电极置于0.15mg/ml的碳量子点的水溶液中，在电位为-1.1v，通过恒电位沉积法将碳量子点电沉积在tio2纳米棒电极表面，沉积时间为20min。

实施例3

本实施例提供了基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备方法

一、tio2纳米棒电极的制备方法：

(1)fto电极依次在丙酮，乙醇，二次水中超声清洗20min后，自然干燥；超声清洗的频率为4000hz；

(2)将0.3ml钛酸四丁酯加入到稀盐酸溶液中，(浓盐酸和二次水的体积比为1:1)搅拌15min，转移到高压反应釜中，然后将清洗干燥后的fto电极导电面朝下70°倾斜靠在内胆壁上，在温度为160℃的条件下，反应8h。取出电极，用二次水彻底冲，干燥后，放入马弗炉中，在450℃高温煅烧2h，制得tio2纳米棒电极。

二、碳量子点的制备方法：

(1)将两根石墨棒平行放置于装有500ml纯水的烧杯中，两个棒之间的距离为8cm，在直流电源下，施加50v的电压，连续搅拌125h后，所得的溶液用慢速定量滤纸过滤；

(2)所得到的溶液在20000rpm下离心处理45min，滤去氧化石墨沉淀和石墨颗粒；

(3)将步骤(2)处理的碳量子点通过旋转蒸发仪在70℃浓缩到0.2mg/ml，制备得到了碳量子点。

三、基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的制备

将合成的tio2纳米棒电极置于0.2mg/ml的碳量子点的水溶液中，在电位为-1.1v，通过恒电位沉积法将碳量子点电沉积在tio2纳米棒电极表面，沉积时间为20min。

实施例4

本实施例基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的多氯联苯适配体传感器的制备

(1)取一裸露面积为1cm²的碳量子点-tio2纳米棒电极,将壳聚糖溶液40μl滴在其表面，在40℃恒温下干燥。之后，用0.1mol/lnaoh冲洗数次，并干燥。再将50μl的3％戊二醛溶液滴在上述涂有壳聚糖的电极表面，在室温下反应40min，用高纯水冲洗并干燥；

(2)将30μl3.0μmol/l末端氨基修饰的dna互补链，滴到醛基功能化的碳量子点-tio2纳米棒电极表面上，在4℃下反应12h以上，用0.1mol/ltris-hcl(ph7.41)的缓冲溶液冲洗掉物理吸附的dna；

(3)取30μl3.0μmol/l的多氯联苯77适配体滴于步骤(2)处理的电极上。在4℃下反应10h以上，用0.1mol/ltris-hcl(ph7.41)的缓冲溶液冲洗掉未杂交的适配体。之后，取10μl1％(w/v)牛血清蛋白堵塞未键合的醛基位点，制备得到了基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学传感器。

实施例5

本实施例基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的多氯联苯适配体传感器的制备

(1)取一裸露面积为1cm²的碳量子点-tio2纳米棒电极,将壳聚糖溶液20μl滴在其表面，在40℃恒温下干燥。之后，用0.1mol/lnaoh冲洗数次，并干燥。再将60μl的3％戊二醛溶液滴在上述涂有壳聚糖的电极表面，在室温下反应40min，用高纯水冲洗并干燥；

(2)将30μl3.0μmol/l末端氨基修饰的dna互补链，滴到醛基功能化的碳量子点-tio2纳米棒电极表面上，在4℃下反应12h以上，用0.1mol/ltris-hcl(ph7.41)的缓冲溶液冲洗掉物理吸附的dna；

(3)取20μl3.0μmol/l的多氯联苯77适配体滴于步骤(2)处理的电极上。在4℃下反应10h以上，用0.1mol/ltris-hcl(ph7.41)的缓冲溶液冲洗掉未杂交的适配体。之后，取15μl1％(w/v)牛血清蛋白堵塞未键合的醛基位点，制备得到了基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学传感器。

实施例6

本实施例基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的多氯联苯适配体传感器的制备

(1)取一裸露面积为1cm²的碳量子点-tio2纳米棒电极,将壳聚糖溶液50μl滴在其表面，在40℃恒温下干燥。之后，用0.1mol/lnaoh冲洗数次，并干燥。再将80μl的3％戊二醛溶液滴在上述涂有壳聚糖的电极表面，在室温下反应40min，用高纯水冲洗并干燥；

(2)将30μl3.0μmol/l末端氨基修饰的dna互补链，滴到醛基功能化的碳量子点-tio2纳米棒电极表面上，在4℃下反应12h以上，用0.1mol/ltris-hcl(ph7.41)的缓冲溶液冲洗掉物理吸附的dna；

(3)取40μl3.0μmol/l的多氯联苯77适配体滴于步骤(2)处理的电极上。在4℃下反应10h以上，用0.1mol/ltris-hcl(ph7.41)的缓冲溶液冲洗掉未杂交的适配体。之后，取20μl1％(w/v)牛血清蛋白堵塞未键合的醛基位点，制备得到了基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学传感器。

实施例7

本实施例中提供了基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的光电化分析方法，该方法选择性考察步骤如下：

光电化学分析方法，所述的选择性考察步骤如下：

(1)配制1ng/l多氯联苯77和浓度为多氯联苯77浓度100倍的多氯联苯81、多氯联苯126、双酚a、阿特拉津、西玛津、2,4-d；

(2)以所述用于基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学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的pbs(ph7.41)电解质溶液构成三电极体系；

(3)向所述的三电极体系中分别加入1ng/l多氯联苯77和100倍多氯联苯77浓度的多氯联苯81、多氯联苯126、双酚a、阿特拉津、西玛津、2,4-d干扰物；同时加入20u的核酸外切酶1作为信号辅助放大元件，分别对这些结构类似物和环境共存物质进行光电流响应测定，且该光电化学分析方法对多氯联苯77和其它干扰物测定的选择性如图2所示，可以看到该光电分析方法对多氯联苯77测试(第1条柱状图)，其次，该传感器对干扰物一一测试(第2～7条柱状图)。结果显示，该方法只有对多氯联苯77检测时光电流相对变化明显。其他6种干扰物的光电流相对变化均小于10％，表明本发明提供的一种基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电分析方法对多氯联苯77具有好的选择性和专一性识别能力。

实施例8

本实施例中提供了基于碳量子点-二氧化钛纳米棒电极的光电化分析方法，该方法稳定性考察步骤如下：

以所述的种基于碳量子点-tio2纳米棒电极的光电化学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的pbs(ph7.41)电解质溶液构成三电极体系，电位为0v，在420nm的光照下，通过多次开关光源对传感器稳定性进行测试，如图3所示，可以看到在1700s内对传感器连续激发下，其光电流密度基本维持不变，表明该光电分析方法具有较好的光电稳定性，该结果表明，本发明所述的光电分析方法具有较好的稳定性。

上述内容对实施例做了详细的说明，但本发明不受上述实施方式和实施例的限制，在不脱离本发明宗旨的前提下，在本领域技术人员所具备的知识范围内还可以对其进行各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明要保护的范围之内。