一种用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器及其制备方法与流程

本发明属于功能材料和电化学传感领域，涉及一种用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器及其制备方法。

背景技术：

随着冶金工业和电子行业的发展，大量铜粉洗涤废水、电镀废水和印刷电路板生产过程的碱氨蚀刻液被排放到环境中，从而对生态系统和人类的健康产生危害。铜作为生命必须的有益元素，铜本身毒性较小，但人体吸入过量铜后反而对身体有害。水体中的铜元素通过食物链在动植物体内逐步富集，并将其转化为毒性更大的金属有机化合物，很容易通过水和食物进入人体。由于铜与人体中某些组织的亲和力较大，结合后会抑制酶的活性，从而对人体产生毒性作用。因此，从环境和食品安全现状以及存在的关键问题出发，建立适用于现场快速精准检测铜离子含量的新技术，及时有效地控制和预防铜污染引起的食源性疾病的发生具有重要的理论价值和现实意义。

与原子吸收法、离子色谱法等传统的铜离子的检测方法相比，电化学传感器分析技术具有快速、准确、高选择性、可以即时和在线检测等特点，成为重金属污染检测的重要发展趋势。敏感功能材料是电化学传感器的核心部件，其结构和物化性能直接决定传感器的功能与质量。

在发展重金属电化学生物传感器的过程中，基本采用基因探针(probedna)和特异脱氧核酶(specificdnazyme)作为生物识别元件。然而，在实际应用中，生物高分子(dna、dnazyme)存在固有的缺陷如脱离生物环境的不稳定性，易降解、失活、扩散和聚集等，使生物传感器对使用环境要求较高、难以长期保存，成本高且识别元件难以得到，这些成为限制重金属生物传感器进一步发展的关键因素。因此，如何合成出稳定的、抗恶劣环境能力强，具有类似天然抗体功能的识别元件是发展高性能重金属生物传感器所面临的严峻科学问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器及其制备方法，模仿抗体-抗原的特异性分子识别机制，以羧甲基壳聚糖为功能单体，铜离子为模板离子，戊二醛为交联剂，氨基功能化石墨烯作为导电增强剂，制备用于铜离子的快速定量检测的新型电化学传感器。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨通过超声处理分散于蒸馏水中，制成氧化石墨分散液；再向分散液中加入氨水，超声分散；然后将混合溶液置于反应釜中进行水热反应，冷却至室温，抽滤，依次用盐酸、无水乙醇、蒸馏水洗涤至中性，干燥，得到氨基功能化的石墨烯；

(2)将玻碳电极机械抛光至光滑镜面，超声清洗并用氮气吹干后，置于电解质溶液h2so4中进行循环伏安扫描得到准可逆的循环伏安峰，用二次蒸馏水将电极冲洗后于室温下晾干；

(3)在中性条件下，将羧甲基壳聚糖溶于蒸馏水中，室温下磁力搅拌至羧甲基壳聚糖完全溶解，配制成羧甲基壳聚糖溶液；将步骤(1)中制得的氨基功能化石墨烯加入到羧甲基壳聚糖溶液，室温超声分散得到羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液；

(4)在步骤(3)中制得的羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液中加入醋酸铜溶液，调节ph为酸性，磁力搅拌，得到均匀的混合溶液；

(5)将步骤(4)制得混合溶液滴涂在步骤(2)中预先处理好的玻碳电极表面，室温下自然晾干得到修饰玻碳电极；将所获得的修饰玻碳电极置于戊二醛溶液中进行交联，取出后用丙酮/水混合溶剂洗涤；将洗涤后的修饰电极置于乙二胺四乙酸二钠溶液中洗去模板离子，然后用蒸馏水洗涤干燥，得到羧甲基壳聚糖/石墨烯/铜离子印迹传感器。

进一步地，步骤(1)中，所述氧化石墨溶液的浓度为5～8mg/ml；氨水的浓度为20％；氧化石墨分散液和氨水体积比为1:1～1:3；水热反应温度为150～180℃，反应时间5～6h。

进一步地，步骤(2)中，所述玻碳电极直径为3mm；玻碳电极用al2o3粉进行机械抛光至光滑镜面，al2o3粉粒度为1.0μm、0.3μm或0.05μm；超声清洗时间为2～3min。

进一步地，步骤(2)中电解质溶液h2so4的浓度为1.0mol/l；循环伏安扫描速度为100mv/s，扫描范围-0.3～+1.5v。

进一步地，步骤(2)中准可逆循环伏安峰：峰电流比为1：1，峰电位差小于90mv。

进一步地，步骤(3)中，所述羧甲基壳聚糖溶液的浓度为0.5wt.％～0.8wt.％；氨基功能化石墨烯与羧甲基壳聚糖质量比为1:1～1:1.4。

进一步地，步骤(4)中，醋酸铜溶液浓度为5wt.％；混合溶液ph分别为4.9～5.3；氨基功能化石墨烯与羧甲基壳聚糖质量比为1:1～1:1.4；羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液与醋酸铜溶液体积比为1:1～1:1.5。

进一步地，步骤(5)中，所述戊二醛浓度为25vol.％，交联时间为1～3h；乙二胺四乙酸二钠溶液浓度为0.5mol/l，洗脱时间为2～4h。

所述的制备方法制备的用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器，该传感器的具有大量的配位原子o、n和丰富的螯合基团如羟基、氨基和羧基，增强了对金属离子的亲和力，并具有有序微孔型三维网状结构，提高了其对铜离子的选择识别能力。

离子印迹技术作为一种新型的敏感功能材料制备方法，具有选择性好、化学稳定性强和可重复利用的优点而成为重金属检测领域的重要方向。离子印迹技术是以离子为模板，通过静电、共价、配位等作用与功能单体或配位单体结合形成螯合物，交联聚合后去除模板离子便获得具有特定空间结构、能够选择性识别重金属离子的刚性印迹聚合物材料。本发明采用离子印迹技术有针对性地合成特异性识别铜离子的塑料抗体，利用羧甲基壳聚糖与铜离子形成强烈的金属螯合能力，通过混杂氨基功能化石墨烯提高材料的稳定性、导电性和力学性能，实现复杂水环境中低浓度、高毒性、难降解重金属污染物的高效选择性检测。

生物基材料质轻、体积疏松且选择性差，本发明通过复合材料的结构设计，充分利用羧甲基壳聚糖的配位基团，采用离子印迹和混杂法解决材料的相容性和特异性，构建性能优良、用于重金属离子检测的传感材料。

本发明制备的生物基离子印迹传感器用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器的制备方法简单、绿色环保、成本低廉，具有灵敏度高、稳定性好和抗干扰能力强的特点，在食品安全和环境监测领域具有潜在的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器的制备方法的制备流程示意图。

图2为本发明所述的用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器的表面形貌特征。

图3为本发明所述的用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器的dpv响应峰电流强度与cu²⁺浓度的线性关系图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的目的以及技术优势，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。应当理解，下面所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限制本发明的范围。基于本发明中实施例及任意组合，都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明所述的用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器的制备方法如图1所示。

(1)将350mg氧化石墨通过超声处理分散于40ml蒸馏水中，再向其中加入40ml20％氨水，继续超声分散0.5h；然后将混合溶液于反应釜中160℃下进行水热反应5h；冷却至室温，抽滤，依次用质量百分数45％的盐酸、无水乙醇、蒸馏水洗涤至中性，干燥，得到氨基功能化的石墨烯。

(2)将直径为3mm的玻碳电极用粒度为1.0μmal2o3粉进行机械抛光至光滑镜面，然后用二次蒸馏水超声清洗，每次2min，重复三次，再用无水乙醇、二次蒸馏水超声清洗3min，用氮气吹干，然后放入1.0mol/l电解质溶液h2so4中进行循环伏安扫描得到准可逆的循环伏安峰，循环伏安扫描速度为100mv/s，扫描范围-0.3～+1.5v，得到峰电流比为1：1、峰电位差小于90mv的准可逆的循环伏安峰，用二次蒸馏水将电极冲洗后于室温下晾干。

(3)将100mg羧甲基壳聚糖溶于20ml蒸馏水中，室温下磁力搅拌至羧甲基壳聚糖完全溶解，将100mg氨基功能化石墨烯加入羧甲基壳聚糖溶液中，室温下超声分散得到羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液。

(4)在羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液中加入20ml5％醋酸铜溶液，调节ph＝5，磁力搅拌得到均匀的混合溶液；

(5)将步骤(4)制得混合溶液滴涂在步骤(2)中预先处理好的玻碳电极表面，室温下自然晾干；将所获得的修饰玻碳电极置于25％戊二醛溶液中进行交联2h，取出后用丙酮/水混合溶剂洗涤；将洗涤后的修饰电极置于0.5mol/l乙二胺四乙酸二钠溶液中洗脱2h，洗去模板离子，然后用蒸馏水洗涤干燥，得到羧甲基壳聚糖/石墨烯/铜离子印迹传感器。

所制备的用于检测铜离子的生物基离子印迹传感器，该传感器的具有大量的配位原子o、n和丰富的螯合基团如羟基、氨基和羧基，增强了对金属离子的亲和力，并具有有序微孔型三维网状结构，提高了其对铜离子的选择识别能力。图2展示所述传感器电极表面的扫描电镜图，电极具有致密、粗糙、多孔的表面结构。图3结果表明cu²⁺的峰电流随其浓度增加而增大，在2.0×10^-9～9.0×10^-7mol/l浓度范围内峰电流与其浓度呈良好的线性关系，线性方程为ip(μa)＝0.04775+0.288c(mol/l)(r²＝0.9957)，方程中c为cu²⁺的浓度，ip为差分脉冲伏安法得到的还原峰电流值。

实施例2

(1)将350mg氧化石墨通过超声处理分散于40ml蒸馏水中，再向其中加入40ml20％氨水，继续超声分散0.5h；然后将混合溶液于反应釜中160℃下进行水热反应6h；冷却至室温，抽滤，依次用质量百分数45％的盐酸、无水乙醇、蒸馏水洗涤至中性，干燥，得到氨基功能化的石墨烯。

(2)将直径为3mm的玻碳电极用粒度为1.0μmal2o3粉进行机械抛光至光滑镜面，然后用二次蒸馏水超声清洗，每次3min，重复三次，再用无水乙醇、二次蒸馏水超声清洗3min，用氮气吹干，然后放入1.0mol/l电解质溶液h2so4中进行循环伏安扫描得到准可逆的循环伏安峰，循环伏安扫描速度为100mv/s，扫描范围-0.3～+1.5v，得到峰电流比为1：1，峰电位差小于90mv的准可逆的循环伏安峰，用二次蒸馏水将电极冲洗后于室温下晾干。

(3)将100mg羧甲基壳聚糖溶于20ml蒸馏水中，室温下磁力搅拌至羧甲基壳聚糖完全溶解，将140mg氨基功能化石墨烯加入羧甲基壳聚糖溶液中，室温下超声分散得到羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液。

(4)在羧甲基壳聚糖-氨基功能化石墨烯复合溶液中加入30ml5％醋酸铜溶液，调节ph＝5，磁力搅拌得到均匀的混合溶液；

(5)将步骤(4)制得混合溶液滴涂在步骤(2)中预先处理好的玻碳电极表面，室温下自然晾干；将所获得的修饰玻碳电极置于25％戊二醛溶液中进行交联3h，取出后用丙酮/水混合溶剂洗涤；将洗涤后的修饰电极置于0.5mol/l乙二胺四乙酸二钠溶液中洗脱3h，洗去模板离子，然后用蒸馏水洗涤干燥，得到羧甲基壳聚糖/石墨烯/铜离子印迹传感器。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。