一种SnO₂基电化学生物芯片及其制备方法和应用的制作方法

专利名称：一种SnO₂基电化学生物芯片及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学领域，具体涉及一种SnO2基电化学生物芯片，同时还涉及一种该SnO2基电化学生物芯片的制备方法，同时还涉及其在乙烯利残留检测方面的应用。
背景技术：
乙烯利(ethephon)在植物体内可分解产生乙烯，促进果实成熟，被作为催熟剂广泛用于蔬菜、水果等农作物中。根据农药毒性分级标准，乙烯利属于低毒植物生长调节剂(LD50为4290mg/kg，大鼠，经口)(何瑞，等，植物生长调节剂使用中的安全问题，2003)。临床医学研究表明，一定浓度的乙烯利可引起局部及脑、肾损害(陈裕盛，等，植物刺激剂乙烯利剂急性中毒三例报告，1989)。因此，长期食用含有乙烯利残留超标的果蔬，会起消费者慢性中毒或病变，对消费者具有潜在的致癌、致畸及其它多方面的不利影响。
尽管，国内外对果蔬中乙烯利的残留提出了严格的限量要求，并对催熟剂残留量的检测进行了大量的研究，但是我国截至目前还没有颁布相应的检测标准及检测手段。因此，难以对菜农使用催熟剂进行有效监控，造成滥用、盲目违规使用催熟剂，为尽快制定催熟剂检测国家标准，研究先进的催熟剂检测方法尤为必要。纳米SnO2是一种典型的n型半导体材料，具有比表面积大、高活性、低熔点、导热性好等特点，进而具有很好的电性能、催化性能和光学性能而被广泛应用于气敏元件、半导体元件、电极材料、催化剂以及太阳能电池等方面。近年来，纳米SnO2作为电化学传感器和生物传感器材料也有报道，如将SnO2涂覆在导电玻璃上可作为葡萄糖生物传感器进行使用(liao, C，etal, sensorrs and actuators B-chemical, 2007);而复合有 SnO2 纳米材料的石墨电极也可作为DNA芯片的敏感膜(Muti Mihrican, etal, colloids and surfacesB-biointerfaces, 2011);采用电化学沉积所制备出SnO2纳米薄膜具有良好的DNA固定性质(Chu Deffei, etal, chemical engineering journal, 2011)。但 SnO2 作为食品安全检测生物芯片方面的应用未见报道。

发明内容
为了解决上述乙烯利残留问题，本发明的目的在于提供一种SnO2基电化学生物芯片。本发明的目的还在于提供了一种SnO2基电化学生物芯片的制备方法及其应用。为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种SnO2基电化学生物芯片，其所述的生物芯片中的采用三电极体系，以制备的SnO2-硅复合电极作为工作电极，AgAgCl电极作为参比电极，Pt电极作为辅助电极。本发明的技术方案还采用了一种SnO2基电化学生物芯片的制备方法，包括以下步骤(I)液相直接沉淀法制备纳米SnO2将NaOH溶液和SnC14 5H20溶液进行水解反应，然后进行离心、干燥即得固体粉末的 SnO2 ； (2)采用旋涂法将SnO2纳米颗粒涂覆在硅片表面，作为乙烯利检测芯片敏感膜，组装为SnO2-硅复合电极，并完成SnO2基电化学生物芯片的组装。所述步骤(2)中乙烯利溶液配制浓度为3. 58X 10-12mol/L。本发明的技术还采用了一种生物芯片在对乙烯利残留检测中的应用；乙烯利的检测包括以下步骤(I)制备铁氰化钾-亚铁氰化钾电解质溶液作为溶剂，配制乙烯利溶液；
(2)乙烯利吸附行为通过电化学交流阻抗谱法对乙烯利吸附行为进行测试。本发明采用液相直接沉淀法制备出纳米SnO2材料，并通过旋涂法将纳米材料涂覆在硅电极上，而由电化学交流阻抗图谱得知，SnO2-硅复合电极在生物缓冲溶液具有良好的稳定性。当缓冲溶液中存在乙烯利时，由于乙烯利分子上带有磷酸基团，可与SnO2表面生 成稳定的共价键，进而牢固地吸附在SnO2表面上。因此，在乙烯利吸附后，XPS谱图出现了强烈的元素P信号。通过相关软件对电化学交流阻抗图谱进行模拟分析，结果表明，SnO2纳米改善了硅电极的导电性，导致Rct值的降低，而当吸附上乙烯利后，有机小分子覆盖在复合电极表面，阻碍了电荷的转移，致使Ret的增加。当乙烯利浓度低达3. 58pM时，采用电学交流阻抗法依然可以检测到Rrf的变化，从而实现了对催熟剂乙烯利分子的灵敏快速检测。这一结果为纳米材料作为食品安全检测传感器提供了理论和实验基础。


图I :Sn02纳米颗粒的XRD图谱；图2 :a为固体粉末SnO2的SEM图；b为固体粉末SnO2的TEM图；图3 :在硅电极上组装后在缓冲溶液中不同时间下的电化学交流阻抗图；图4 :硅电极、SnO2组装后复合电极以及乙烯利小分子吸附后复合电极在Fe (CN)6-/Fe (CN)6-氧化还原剂中的交流阻抗曲线；图5 :图a、图b和图c均为采用XPS对吸附有乙烯利的SnO2纳米材料表面化学成分分析图；图6 =SnO2电化学传感器构成简略图。
具体实施例方式下述为主要的试验试剂和仪器结晶四氯化锡(SnCl4 *5H20):分析纯，天津科密欧化学试剂公司；氢氧化钠(NaOH):分析纯，天津试剂三厂；无水乙醇(C2H5OH):分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；乙烯利(2-氯乙基膦酸，C2H6ClO3P) :90%，Alfa Aesar ;去离子水电阻率大于18. 2MQ cm,自制；集热式恒温加热磁力搅拌器DF_101D,巩义市予华仪器有限公司；低速管式离心机TDL80-2C，上海安亭仪器公司；电热恒温鼓风干燥机DHG-9146A，上海精宏实验设备有限公司；电子天平EL104，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；台式匀胶机Kw-4A，中国科学院微电子中心；马弗炉SRJS41-13，北京中兴伟业仪器有限公司。下面结合以下实施例做进一步的说明。实施例I(I)液相直接沉淀法制备纳米SnO2
称取2. 698g NaOH，加75ml去离子水配置成0. 9mol/L的NaOH溶液，标记为溶液A ；称取5. 522g SnCl4 5H20，加25ml去离子水配制成0. 63mol/L的SnCl4 5H20溶液，标记为溶液B ;把B溶液用滴管逐滴滴加到A溶液中，在滴加时候把A溶液放入恒温磁力水浴锅，80°C水解45min，期间不停的磁力搅拌，使其更好的混合均匀和水解反应，待水解完成后取出烧杯，室温自然冷却至30°C左右，取下层乳白色悬浊液装入离心管，离心机离心，4000r/min，离心5min ;取下层乳白色沉淀于小烧杯中，用无水乙醇清洗至少5次，直到检测不到Cl-离子的存在；然后把乳白色沉淀放入干燥箱中，60°C真空干燥IOh得白色粉末，取出白色粉末，在高温室马弗炉内700°C高温煅烧180min，得到白色粉末，即SnO2 ；2)采用旋涂法将SnO2纳米颗粒涂覆在硅片表面，作为乙烯利检测芯片敏感膜，组装为Sn02-硅复合电极，并完成SnO2基电化学生物芯片的组装。乙烯利的检测首先，制备出磷酸盐缓冲溶液，分别将23. 88g Na2HPO4 12H20，9. 08g KH2PO4溶解于IOOOmL去离子水中，作为母液待用；用作电解质溶液时，在IOOmLPBS溶液中再加入0. 08gNaCl和0. 02g KCl即可；制备出铁氰化钾-亚铁氰化钾电解质溶液，将6. 59gK3Fe (CN) 6，8. 45g K4Fe(CN)6 3H20,1. 17g NaCl 溶解于上述 IOOmL PBS 溶液中。其次，用铁氰化钾-亚铁氰化钾电解质溶液作为溶剂，配制浓度为3.58X10_12mol/L的乙烯利溶液。乙烯利吸附行为通过电化学交流阻抗谱法(EIS)测试。用铁氰化钾-亚铁氰化钾溶液为电解质，测试的频率范围为采用三电极体系，以制备的SnO2-硅复合电极作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt电极作为辅助电极。下述为试验中跟踪测试的仪器及材料性能说明
实验中所用到的XRD仪器为德国制造的D8 Advance型X射线衍射仪，扫描2 0角为1(T80°，通过扫描得到波形图。而所采用的扫描电子显微镜为日本产的JSM-6490LV型扫描电子显微镜，分辨率小于3. 0nm(30kV,高真空，钨灯丝，二次电子)；小于4. Onm(钨灯丝，背散射电子)；加速电压最小范围:0. 5 30KV，IOV/步；放大倍数范围:20 300，000倍;高真空度1. 5 X KT3Pa ;低真空度:6 270Pa ;能谱仪Si (Li)探测器分辨率优于133eV ;能谱探测器的有效面积10mm2 ;能谱元素分析范围B5 U92。实验所采用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)为日本JEOL生产的JEM-2100 (UHR)型HRTEM ;加速电压80-200KV ;最高放大倍数150万倍；分辨率点分辨率为0. 19nm,晶格分辨率为0. 14nm。实验所采用电化学阻抗测试CHI600D电化学平台，三电极体系；数据分析采用ZvieW解析软件；正弦波电位幅值为±10mV，测试频率Im Hz IOOkHz ;电化学阻抗测试在恒定电位下进行，配置好的铁氰化钾-亚铁氰化钾溶液为电解质。跟踪测试的试验结果I. SnO2纳米颗粒的晶格结构和形貌分析从SnO2纳米颗粒的XRD图谱用以分析SnO2纳米颗粒的相组成(图I)，结果显示在26.7°、33.9°、38。、51. 8。四个主要峰值，分别对应于四方金红石的(110)、(101)、(200)和(211)四个晶面。从固体粉末SnO2的SEM图(图2a)，放大倍数为5000倍，可以看出，粒子大量聚集在一起形成泡沫状蓬松有孔结构。而从TEM图中则能看出(图2b)，纳米SnO2粒子成不规则球晶结构，向不同的面非定向生长，其平均粒子大概在20nm。2. SnO2-硅复合电极在缓冲溶液的稳定性图3表示旋涂有SnO2纳米材料的娃电极在缓冲溶液中其交流阻抗谱图,从图中可以看出，图中曲线半径虽然在IOh内有所增加，但并不明显。这说明SnO2纳米层在硅基体能够很好的吸附。实际上，SnO2纳米粒子和硅片直接有可能产生共价键结合，从而使SnO2能够稳定地固定在娃电极表面，而在溶液中也表现较好的稳定性。3.采用电化学交流阻抗法测试乙烯利在SnO2纳米颗粒表面的吸附电化学交流阻抗法可以灵敏地测试出小分子吸附前后复合电极界面电荷转移常数的变化，经常在电化学生物芯片的检测方面使用。可以看出图4中曲线半圆半径在SnO2纳米颗粒组装上之后变小了，而在乙烯利吸附后，则又变大。这种变化说明了复合电极和溶液之间界面电子转移常数(RJ发生了变化。其数值的大小可以通过修改的Randles和Ershler模型对实验数据进行等效电路图模拟得到，如图中所示，等效电路图包括溶液电阻 (Rs)、常相位元素(CPE)和界面转移电阻(Ret)。表列出硅电极在SnO2组装后以及乙烯利吸附前后的各个模拟参数值。对于硅电极，Ret为83. 9K Q，而组装上SnO2后，其值减少为4KQ,乙烯利吸附后，又增加至15. 8KQ。这是因为在硅电极上组装上SnO2纳米材料后，其复合电极的导电性增强，增强了电荷之间的转移，导致Rct降低，而在吸附乙烯利后，有机小分子覆盖在复合电极表面，阻碍了电荷的转移，致使Rrf的增加，正是由于界面电荷转移常数的变化可以对溶液中乙烯利的存在进行灵敏地检测，此实验中所采用的乙烯利浓度为
3.58pM0表I图4中所示交流阻抗曲线各个模拟参数值
RsCPElnlRctl
Si-628.044. 38E-08 0. 79153 83864
Si-SnO2-Il13717.45E-06 0.886324012
Si-SnO2-乙烯利 -6380. II. 57E-06 0. 7417157574.吸附乙烯利后SnO2纳米颗粒表面化学结构分析采用XPS对吸附有乙烯利的SnO2纳米材料表面进行化学成分分析，如图5所示。乙烯利小分子在SnO2吸附后，会引起材料表面化学组成的变化。乙烯利分子结构中含有P元素，因此可将材料表面是否含有P元素作为乙烯利吸附的证据。在图(a)中所显示出的两个峰486. 96 eV和495. 5 eV分别对应于Sn(IV)的Sn 3d5/2和Sn 3d3/2。而在(b)中，Cls图谱可以分解为284. 8 eV、285. 65 eV和288 eV三个峰，分别对应于C_C、C-OH和C=O键和方式。而在图(c)中，可以看出有明显的元素P信号，对其图谱进行分解，则可分解成133. 4eV和134. 5 eV，分别对应于P元素的2p3/2和2p1/2电子峰值。因此，结果表明，低浓度的乙烯利小分子可以成功吸附在SnO2纳米材料表面。5.乙烯利吸附机理分析小分子在材料表面的吸附作用力主要包括共价键结合力、静电吸附力和范德华作用力等类型，其中以共价键结合力最为稳定，我们也以此为依据来设计SnO2电化学传感器。将SnO2纳米颗粒分散后旋涂在硅基体上时，SnO2和硅基体之间产生共价键，使SnO2分子能够稳定在硅基体上，这可从SnO2稳定的电化学性质得到证实(见图6)。而当溶液中存在 乙烯利小分子时，乙烯利分子上的磷酸基团可能以两种键合方式固定在SnO2表面上(如图6(b)和(c))，使得小分子能够稳定吸附在纳米表面。
权利要求
1.一种SnO2基电化学生物芯片，其特征在于，所述的生物芯片中的采用三电极体系，以制备的SnO2-硅复合电极作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt电极作为辅助电极。
2.根据权利要求I所述的SnO2基电化学生物芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)液相直接沉淀法制备纳米SnO2 将NaOH溶液和SnC14 5H20溶液进行水解反应，然后进行离心、干燥即得固体粉末的SnO2 ； (2)采用旋涂法将SnO2纳米颗粒涂覆在硅片表面，作为乙烯利检测芯片敏感膜，组装 为SnO2-娃复合电极,并完成SnO2基电化学生物芯片的组装。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中乙烯利溶液配制浓度为 3. 58Xl(T12mol/L。
4.一种如权利要求I所述的SnO2基电化学生物芯片在对乙烯利残留检测中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，乙烯利的检测为(I)制备铁氰化钾-亚铁氰化钾电解质溶液作为溶剂，配制乙烯利溶液；(2)乙烯利吸附行为通过电化学交流阻抗谱法对乙烯利吸附行为进行测试。
全文摘要
本发明涉及一种SnO2基电化学生物芯片及其制备方法和应用，本发明采用液体直接沉淀法制备出球状SnO2纳米材料，采用旋涂法将SnO2纳米颗粒涂覆在硅片表面形成SnO2-硅复合电极，并将其作为敏感膜组装成乙烯利残留检测的生物检测芯片。在过程中采用电化学交流阻抗法(EIS)考察了SnO2纳米薄膜在缓冲溶液中的稳定性和乙烯利吸附前后电化学性质的变化，又采用了光电子能谱(XPS)考察了乙烯利吸附前后的材料组成变化。结果表明，SnO2-硅复合电极具有良好的稳定性，且乙烯利能成功地吸附在SnO2纳米涂层上，由于界面电荷转移常数的变化可以对溶液中乙烯利的存在进行灵敏地检测，当乙烯利浓度低达3.58pM时，采用电学交流阻抗法依然可以检测到Rct的变化。
文档编号G01N27/02GK102749372SQ20121018401
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者张治红 申请人:张治红