专利名称：一种有机无机杂化材料修饰电极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种有机无机杂化材料修饰电极及其制备方法，所制备的修饰电极可 以应用在化工、食品安全或者医药卫生中DNA、蛋白质、氨基酸、重金属离子等检测。
背景技术：
1953年，Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构，自此掀起了各学科的对DNA研 究热潮。DNA作为大多数生物的遗传物质，是生命化学的中心，同时也是研究生命现象的关 键，因此对DNA等生物质传感的研究在疾病诊断，药物开发，基因测序，食品监测等领域具 有重大的意义和巨大商业价值，如何提高其检测灵敏度以及解决选择性问题成为当今科学 研究的前沿与热点。
在DNA传感器件的构建过程中，通常需要先将DNA探针分子固定到基底材料上，其 中常用的基底材料包括贵金属金、银、钼、钯等，以及碳纳米管、石墨烯等。以贵金属基底材 料为例，经过巯基接枝的DNA探针分子，通过巯基与贵金属间强的化学键相结合，固定在金 属基底上，进而实现与目标链分子的杂化。然而，在探针分子的固定过程中，由于无法控制 其在贵金属基底表面的分布，导致探针分子在基底上分布的不均匀性，进而在检测过程中， 阻碍了目标链分子有效的到达基底表面并与探针分子相结合，最终造成检测性能的下降。 针对这一问题，目前通常的解决方法是在DNA探针分子固定后，用6-巯基己醇等试剂对基 底表面进行后处理，以优化表面DNA探针的分布密度及其表面构象。但是这种方法并不能 从根本上解决探针的分布问题，同时还需要额外的操作步骤，无法满足实际检测中方便、快 捷以及经济的需求。因此，如何有效解决探针分布问题已成为进一步提高检测灵敏度和选 择性的关键所在。发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的不足而提供一种有机无机杂化材料修饰电 极，本发明的另一目的是提供上述有机无机杂化材料修饰电极的制备方法。首次以有机无 机杂化材料作为探针分子的固定基底，利用杂化材料金属位点均匀分布的特点，通过巯基 与金属位点的相互作用，将DNA探针分子均匀固定到杂化材料表面，从而有效的解决了探 针分子的分布不均的问题。该修饰电极性能可靠，制备方法简便可控，适用于化工、食品安 全或者医药卫生中DNA、蛋白质、氨基酸、重金属离子等的检测，可多只电极同时制备，具有 良好的应用前景。
本发明的技术方案为一种有机无机杂化材料修饰电极，其特征在于由基底电极 和有机无机杂化材料基质薄膜组成，其中所述的基底电极为贵金属电极；所述的有机无机 杂化材料基质薄膜的化学组成为X(en)3Ag2Y4，其中X为N1、Co、Zn、Cd, Fe或Cu ;en为乙二 胺；Y为1、Cl或Br，薄膜厚度在500nm-100um之间。优选所述的贵金属为金、银、钯或钼。
本发明还提供了上述有机无机杂化材料修饰电极的制备方法，其具体步骤如下
I)将基底电极进行表面预处理；
2)将预处理后的基底电极浸泡在表面改性溶液中，改性溶液浓度为O. 01-0. 1M，改性时间控制在5-30h ；
3)分别配制阴离子为[Ag2Y4F以及阳离子为[X(en)3]2+的N，N_甲基甲酰胺(DMF) 溶液其中 Y=1、Cl 或 Br ；X 为 N1、Co、Zn、Cd、Fe 或 Cu ；
4)将配制好的[Ag2Y4]2-和[X(en)3]2+的N，N- 二甲基甲酰胺溶液按[Ag2Y4]2与 [X(en)3]2+摩尔比为2 10:1混合后，放入501 _90°C烘箱中加热保温30h_80h后，升温至 900C _120°C加热保温10h-30h后取出，冷却后过滤，得到滤液；
5)将表面改性后的电极垂直插入到滤液中，静置5h_15h后取出，得到修饰电极。
步骤I中所述的表面预处理为将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗。
优选所述的表面改性溶液为4-巯基苯胺、2-巯基苯胺、3-氨基苯硫酚、1，3-苯二硫酚、1，3_ 二硫醇、2-氨基苯硫醇、1，2-乙二硫醇、1，6-己二硫醇或2-氨基乙硫醇的乙醇溶液。
步骤3)配制的[Ag2Y4F和 (的)3]2+的队^二甲基甲酰胺溶液中[Ag2Y4F和 [X(en)3]2+的浓度优选均为O. 01-2M。
有益效果
本发明提出一种新型有机无机杂化材料修饰电极及其制备方法。该修饰电极在 DNA的检测中，采用了一种无标签方法，对DNA的检测极限达到了 IOpM ;对重金属离子Hg2+ 的检测极限达到O.1nM ;对凝血酶蛋白的检测极限达到ΙΟηΜ，同时具有很好的选择性。该修饰电极的制备过程简便可控，可同时制备多只电极，具有良好的应用前景。
图1为实施例1母液经过60°C的烘箱中恒温72h后升温至90°C恒温保存24h处理后，生长IOh的Ni (en)3Ag2I4薄膜修饰电极的扫描电子显微镜(SEM)的表征图2为实施例1所制得Ni (en) 3Ag2I4薄膜的X射线衍射(XRD)图谱；
图3为实施例2母液经过80°C的烘箱中恒温40h后升温至100°C恒温保存IOh处理后，生长14h的Ni (en)3Ag2I4薄膜修饰电极的扫描电子显微镜(SEM)的表征图4为实施例2所制得薄膜的X射线衍射(XRD)图谱；
图5为实施例3母液经过50°C的烘箱中恒温32h后升温至120°C恒温保存28h处理后，生长8h的Cu(en)3Ag2I4薄膜修饰电极的扫描电子显微镜(SEM)的表征图6为实施例3所制得薄膜的X射线衍射(XRD)图谱。
具体实施方式
实施例1
I)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于O. 01M4-巯基苯胺表面改性溶液中6h ；
3)配制浓度为O.1M的[Ag2I4]2-溶液，具体操作如下称取1. 75g的AgNO3溶于 IOmLDMF溶液中，向其中加入20mLKI的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度为 O.1M的[Ni(en)3]2+溶液，具体操作如下:称取O. 087gNi (NO3) 2 ·6Η20溶于2mL DMF中，同时加入ImL乙二胺；
4)将配置好的[Ag2I4F 和[Ni(en)3]2+溶液按[Ag2I4F 和[Ni (en) 3]2+摩尔比 2:1 均匀混合后，将溶液置于60°C的烘箱中恒温72h后升温至90°C恒温保存24h，随后取出溶液，冷却后过滤；
5)将置于O. 01M4-巯基苯胺中修饰的电极垂直插入滤液中，放置IOh后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约20 μ m，表面形貌如图1所示，从图1中可见薄膜由高度定向的微阵列组成，从图2中XRD图谱可知，制得的薄膜高度定向于
晶面，且其XRD中主峰的位置与标准谱相应峰的位置一致(说明为同一晶体材料)。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极，在DNA的检测中采用了一种无标签检测方法，对DNA的检测极限达到了 ΙΟρΜ， 同时具有良好的选择性。
实施例2
I)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于O. 1M2-氨基苯硫醇表面改性溶液中20h ；
3)配制浓度为O. 5M的[Ag2I4]2-溶液，具体操作如下称取8. 75g的AgNO3溶于 IOmLDMF溶液中，向其中加入20mLKI的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度为 O. 05M的[Ni (en)3]2+溶液，具体操作如下称取O. 044gNi (NO3)2 ·6Η20溶于2mLDMF中，同时加入ImL乙二胺。
4)将配置好的[Ag2I4]2-和[Ni(en)3]2+溶液按[Ag2I4]2-和[Ni (en)3]2+ 的摩尔比 4:1均匀混合后，将溶液置于80°C的烘箱中恒温40h后升温至100°C恒温保存10h，随后取出溶液冷却后过滤；
5)将置于O. 1M2-氨基苯硫醇中修饰的电极垂直插入滤液中，室温中放置14h后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约50 μ m，表面形貌如图3所示，从图3中可见薄膜高度密堆，从图4的XRD图谱可知，制得薄膜的XRD主峰位置与标准谱相应峰的位置一致(说明为同一晶体材料)。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极，在DNA的检测中采用了一种无标签检测方法，对DNA的检测极限达到InM。
实施例3
I)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于O. 02M1, 3_苯二硫酚表面改性溶液中29h ；
3)配制浓度为2M的[Ag2I4] 2_溶液，具体操作如下称取35g的AgNO3溶于IOmLDMF 溶液中，向其中加入20mLKI的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度为1. 5M的 [Cu(en)3]2+溶液，具体操作如下称取1. 09gCu (NO3)2 · 3H20溶于2mLDMF中，加入ImL乙二胺。
4)将配置好的[Ag2I4F 和[Cu(en)3]2+溶液按[Ag2I4F 和[Cu (en) 3]2+按摩尔比 9:1均匀混合后，将溶液置于50°C的烘箱中恒温32h后升 温至120°C恒温保存28h，随后取出溶液冷却后过滤；
5)将置于O. 02M1, 3_苯二硫酚中修饰的电极垂直插入滤液中，室温中放置5h后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约5 μ m，表面形貌如图5所示，从图5中可知该薄膜呈多棱角状。从图6的XRD图谱可知，所制得薄膜XRD出峰的位置与标准谱相应峰的位置一致(说明为同一晶体材料)。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极，在对重金属离子Hg2+的检测极限达到0.1nM,同时表现了很好的选择性。
实施例4
1)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于O. 05M1, 2_乙二硫醇表面改性溶液中18h ；
3)配制浓度为O.1M的[Ag2Br4]2-溶液，具体操作如下称取1. 75g的AgNO3溶于 IOmLDMF溶液中，向其中加入15mLKBr的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度为O.1M的[Cd(en)3]2+溶液，具体操作如下:称取O. 094gCd (NO3) 2 · 4H20溶于2mLDMF中，加入ImL乙二胺。
4)将配置好的[Ag2Br4][Cd(en)3]2+溶液按[Ag2Br4][Cd(en)3]2+的摩尔比5:1均匀混合后，将溶液置于50°C的烘箱中恒温68h后升温至110°C恒温保存20h，随后取出溶液冷却后过滤；
5)将置于O. 05M1, 2_乙二硫醇中修饰过的电极垂直插入滤液中，室温中放置8h后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约500nm。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极， 在对重金属离子Hg2+的检测极限达到InM，同时表现了很好的选择性。
实施例5
I)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于O. 04M2-氨基乙硫醇表面改性溶液中IOh ；
3 )配制浓度为IM的[Ag2I4] &溶液，具体操作如下称取17. 5g的AgNO3溶于 IOmLDMF溶液中，向其中加入20mLKI的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度为 2M的[Zn(en)3]2+溶液，具体操作如下称取1. 785gZn (NO3)2 ·6Η20溶于2mLDMF中，加入ImL 乙二胺。
4)将配置好的[Ag2I4F 和[Zn(en)3]2+溶液按[Ag2I4F 和[Zn(en)3]2+ 的摩尔比 5:1均匀混合后，将溶液置于65°C的烘箱中恒温54h后升温至105°C恒温保存18h，随后取出溶液冷却后过滤；
5)将置于0.04M2-氨基乙硫醇中修饰过的电极垂直插入滤液中，室温中放置6h后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约ΙΟΟμπι。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极，在对凝血酶蛋白的检测中，可达到IOnM的检测极限，同时具备很好的抗干扰性能。
实施例6
I)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于0.02Μ1, 6_己二硫醇表面改性溶液中5h ；
3)配制浓度为0.5M的[Ag2I4]2-溶液，具体操作如下称取8. 75g的AgNO3溶于 IOmLDMF溶液中，向其中加入20mLKI的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度为 IM的[Cd(en)3]2+溶液，具体操作如下:称取0.926gCd (NO3)2 ·4Η20溶于2mLDMF中，加入ImL 乙二胺。
4)将配置好的[Ag2I4F 和[C(Ken)3]2+溶液按[Ag2I4F 和[Cd(en)3]2+ 的摩尔比比4:1均匀混合后，将溶液置于75°C的烘箱中恒温54h后升温至115°C恒温保存24h，随后取出溶液冷却后过滤；
5)将置于0.02M1, 6_己二硫醇中修饰过的电极垂直插入滤液中，室温中放置Ilh 后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约60 μ m。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极，在对凝血酶蛋白的检测中，可达到50nM的检测极限，同时具备一定的抗干扰性能。
实施例7
I)将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗IOmin ；
2)将预处理后的电极置于O. 02M1, 6_己二硫醇表面改性溶液中5h ；
3)配制浓度为O. OlM的[Ag2Cl4]2_溶液，具体操作如下称取O. 175g的AgNO3溶于 IOmLDMF溶液中，向其中加入20mLKCl的DMF饱和溶液，同时用DMF稀释到50mL ;配制浓度 % O. OlM 的[Fe (en) 3]2+ 溶液，具体操作如下称取 O. 0086gFe (NO3) 2 ·6Η20 溶于 2mLDMF 中， 加入ImL乙二胺。
4)将配置好的[Ag2Cl4]2-和[Fe(en)3]2+ 溶液按[Ag2Cl4]2_ 和[Fe(en)3]2+ 的摩尔比比6:1均匀混合后，将溶液置于90°C的烘箱中恒温54h后升温至110°C恒温保存24h，随后取出溶液冷却后过滤；
5)将置于O. 02M1, 6_己二硫醇中修饰过的电极垂直插入滤液中，室温中放置IOh 后取出，得到杂化材料修饰电极，其膜厚约80 μ m。基于上述条件下获得的杂化材料修饰电极，在对凝血酶蛋白的检测中，可达到60nM的检测极限，同时具备一定的抗干扰性 能。
权利要求
1.一种有机无机杂化材料修饰电极，其特征在于由基底电极和有机无机杂化材料基质薄膜组成，其中所述的基底电极为贵金属电极；所述的有机无机杂化材料基质薄膜的化学组成为父(611)4&￥4，其中父为附、(0、211、〇(1、卩6或(11 ;en为乙二胺；Y为1、Cl或Br，薄膜厚度在500nm-100um之间。
2.根据权利要求1所述的有机无机杂化材料修饰电极，其特征在于所述的贵金属为金、银、钮或钼。
3.一种制备如权利要求1所述的有机无机杂化材料修饰电极的方法，其具体步骤如下 1)将基底电极进行表面预处理； 2)将预处理后的基底电极浸泡在表面改性溶液中，改性溶液浓度为0.01-0. 1M，改性时间控制在5-30h ； 3)分别配制阴离子为[Ag2Y4]2_以及阳离子为》(611)3]2+的队^甲基甲酰胺溶液其中 Y=KCl 或 Br ;X 为 N1、Co、Zn、Cd、Fe 或 Cu ； 4)将配制好的[Ag2Y4]2-和[X(en)3]21AN，N-甲基甲酰胺溶液按[Ag2Y4]2与[X(en)3]2+摩尔比为2 10:1混合后，放入50°C _90°C烘箱中加热保温30h-80h后，升温至90°C _120°C加热保温10h-30h后取出，冷却后过滤,得到滤液； 5)将表面改性后的电极垂直插入到滤液中，静置5h-15h后取出，得到修饰电极。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤I)中所述的表面预处理为将基底电极用金相砂纸打磨后并在去离子水中进行超声清洗。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤2)中所述的表面改性溶液为4-巯基苯胺、2-巯基苯胺、3-氨基苯硫酹、1，3-苯二硫酹、I, 3- 二硫醇、2-氨基苯硫醇、1，2-乙二硫醇、1，6-己二硫醇或2-氨基乙硫醇的乙醇溶液。
6.根据权利要求3所述的制法，其特征在于[Ag2YJ2IP (611)3]2+的队^二甲基甲酰胺溶液中[Ag2Y4F和[X(en)3]2+的浓度均为0. 01-2M。
全文摘要
本发明涉及一种有机无机杂化材料修饰电极及其制备方法，该修饰电极由基底电极和有机无机杂化薄膜组成，其中基底电极为贵金属电极，优选金、银、钯或铂；杂化薄膜材料的化学组成为X(en)3Ag2Y4，其中X=Ni、Co、Zn、Cd、Fe或Cu；en为乙二胺；Y=I、Cl或Br，薄膜厚度在500nm-100μm之间。该修饰电极的制备包括以下步骤对基底电极进行表面预处理；将预处理后的电极浸泡于表面改性溶液中；配制杂化材料母液，并对该母液进行热处理；过滤母液，将修饰后的电极竖直插到滤液中，静置若干时间，得到杂化材料修饰电极。该修饰电极制备过程简便可控，可同时制备多只电极，具有良好的应用前景。
文档编号G01N27/30GK103033546SQ201210572318
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者金万勤, 石磊, 储震宇, 任小明 申请人:南京工业大学