一种生物传感器用复合材料的制备方法与用途与流程

本发明属于生物传感器
技术领域：
，更具体的涉及一种生物传感器用复合材料及其制备方法与用途。
背景技术：
：生物传感器是一种利用生物因子或生物学原理来检测或计量化合物的仪器，具有高度自动化、集成化、微型化的特点。生物传感器分为酶生物传感器和无酶生物传感器，酶生物传感器具有高度的专一性和选择性，但由于生物酶的活性易受温度、ph等外界环境的影响，难以有效地固定到电极表面等问题。纳米材料具有包括类过氧化物酶、类超氧化物歧化酶、类核糖核酸酶、类氧化酶等在内的类酶活性，可作为分子识别原件的生物传感器，能够有效避免因生物物质活性的下降而带来的信号衰减问题，另一方面能够有效的避免外界环境因素带来的影响。为了提高传感器的灵敏度和选择性，大多采用化学修饰的方法对生物传感器所用的纳米材料进行改性。文献1(measurement，2015,62：88-96)采用交替沉积自主装的方法对玻璃电极进行表面修饰，首先制备出金纳米颗粒的溶液，然后涂布于玻璃电极上干燥得金纳米颗粒修饰的电极，最后浸渍于2-(2,3-二羟基苯基)苯并噻唑中与金纳米颗粒进行分子自组装形成最终电极；虽然该文献中可以实现同步测量异丙肾上腺素和尿酸，但是该复合材料中使用了贵金属金。cn103102491b中公开了一种壳聚糖6-oh固载环糊精衍生物，并用在h2o2检测电化学传感器膜材料，但是材料的制备方法过于复杂，容易导致由于材料制备过程中产生的差异会传递至多批次检测过程中，实际应用性差。石墨烯量子点作为新兴纳米材料，本身对过氧化氢具有电催化性能，可用于构建过氧化氢无酶检测的电化学生物传感器。虽然石墨烯量子点对过氧化氢具有电催化性能，但其活性较差，往往采用贵金属金纳米粒子提高复合粒子的催化性能，如文献2(分析测试学报，2016,35(11):1416-1421)中采用过氧化氢刻蚀法制备石墨烯量子点(gqds)，再采用原位化学还原法制备金纳米粒子-石墨烯量子点纳米复合物(aunps-gqds)，最后以聚二甲基二烯丙基氯化铵(pdda)为交联剂将上述纳米复合物组装于多壁碳纳米管表面，制得金纳米粒子-石墨烯量子点-pdda-多壁碳纳米管复合材料(aunps-gqds-pdda-mwcnts)。所以，目前石墨烯量子点通常与贵金属金纳米粒子复合使用用于构建过氧化氢无酶检测的电化学生物传感器。非贵金属或过渡金属的氮化物具有优良的导电性、好的化学稳定性、耐腐蚀和类铂的催化性能等优异的特性，存在替代贵金属纳米粒子的可能；但是由于氮化物载体多为微米级比表面积小、且即使能制备出纳米级也存在纳米粒子团聚的固有缺陷。所以，如何选取氮化物种类并制备出尺寸、形貌、性质适宜可替代贵金属纳米粒子，然后与石墨烯量子点组成复合材料作为电极的改性剂，进一步用来构建过氧化氢无酶检测的电化学生物传感器具有一定的经济意义。技术实现要素：本发明提出了一种生物传感器用复合材料，本发明采用水热-氨化法制备出高比表面积的三维球状zn/cu双金属纳米氮化物，以其为载体对石墨烯量子点进行负载制备出zn/cu-gqd复合纳米材料，用于修饰电极，构建过氧化氢无酶检测的电化学生物传感器。本发明制备的三维球状zn/cu双金属氮化物材料可与石墨烯量子点复合对ito电极起到修饰作用，相比于单纯的石墨烯量子点修饰的ito导电电极，对过氧化氢表现出更高的催化活性。根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种高比表面积的三维球状zn/cu双金属纳米氮化物的制备方法，包括如下步骤：1)取10mmol锌盐、5-20mmol铜盐、0.1-0.5mmol沉淀剂和0.1-0.5mmol二乙烯三胺溶于水和氮氮二甲基甲酰胺的溶液中，搅拌均匀后转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中升温至130-150℃反应12-24h，然后降温至室温，过滤、丙酮洗涤后40-50℃下真空干燥至恒重得前驱体；2)将前驱体置于管式炉中，在氨气的氛围下，设置升温速率为10±2℃/min升温至250-350℃下氨化0.5-1.0h，然后以3℃±2℃/min的升温速率升温至450-500℃氨化1-2h，降温至室温得三维球状zn/cu双金属纳米氮化物。优选的，所述沉淀剂为尿素或环六亚甲基四胺；本发明采用二乙烯三胺与沉淀剂配合使用是为了调节zn/cu双金属氮化物的形貌和尺寸，使制备出的复合氮化物由无序的二维片状的堆积结构转变为有序的三维球状结构，可以有效增加复合氮化物的比表面积；而且球状结构能够避免复合氮化物纳米颗粒之间的聚集。优选的，所述锌盐和铜盐为其硝酸盐、氯化盐或其对应的水合物；例如硝酸锌、氯化锌、六水合硝酸锌、硝酸铜、氯化铜或二水和氯化铜。根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种zn/cu-gqd复合纳米材料，以高比表面积的三维球状zn/cu双金属纳米氮化物作为载体，负载石墨烯量子点形成；所述石墨烯量子点为未改性的石墨烯量子点(xf075)、氧化石墨烯量子点(xf074)、氮掺杂石墨烯量子点(xf241)、羧基化石墨烯量子点(xf090-1)、羟基化石墨烯量子点(xf091)、氨基化石墨烯量子点(xf092)、咪唑修饰的石墨烯量子点(xf203-2)，进一步优选为咪唑修饰的石墨烯量子点；所述zn/cu-gqd复合纳米材料的具体制备方法包括如下步骤：1)将三维球状zn/cu双金属氮化物置于无水甲醇中超声形成浓度为1-10mg/ml的分散体系；2)向步骤1)的分散体系中加入石墨烯量子点，20-40℃下超声24h以上，得含zn/cu-gqd复合纳米材料的醇溶液。优选的，步骤2)中加入的石墨烯量子点水溶液中石墨烯量子点的重量与分散体系中的三维球状zn/cu双金属氮化物的重量比为0.5-1.0:1。本发明制备的zn/cu-gqd复合纳米材料可用于构建过氧化氢无酶检测的电化学生物传感器。采用zn/cu-gqd复合纳米材料对ito导电电极修饰，相比于单纯的石墨烯量子点修饰的ito导电电极，对过氧化氢表现出更高的催化活性，可以替代贵金属制备的电极。另外，本领域技术人员可以采用有机导电聚合物如聚多巴胺、聚吡咯等将载体三维球状zn/cu双金属氮化物与石墨烯量子点连接起来，对修饰的电极做进一步稳定性改性。本发明具有如下有益效果：(1)本发明采用水热法-氨化煅烧法结合，水热制备前体材料时以二乙烯三胺为形貌调节剂首次制备出纳米结构的三维球状zn/cu双金属氮化物材料，较传统的片状或者棒状结构具有更大的比表面积。(2)本发明制备出的三维球状zn/cu双金属氮化物材料可与石墨烯量子点复合对ito电极起到了修饰作用，相比于单纯的石墨烯量子点修饰的ito导电电极，对过氧化氢表现出更高的催化活性。(3)本发明对石墨烯量子点的种类进行了优化，发现咪唑修饰的石墨烯量子点与三维球状zn/cu双金属氮化物制备出的复合材料修饰的电极，对过氧化氢分子催化还原的电流响应值最大，是石墨烯量子点(xf075)的4.3倍。附图说明图1为三维球状zn/cu双金属纳米氮化物(右侧1b)与棒状和/或片状zn/cu双金属纳米氮化物(左侧1a)的扫描电镜对比图。图2为zn/cu-gqd复合纳米材料的扫描电镜图。图3为不同修饰电极的循环伏安曲线对比图。具体实施方式实施例中石墨烯量子点来自于南京先丰纳米材料科技有限公司，其余原料均为市售实验室试剂。实施例中电化学测试条件：化学测量采用传统的三电极系统，以本发明修饰制得的电极、饱和甘汞电极(sce)和铂丝电极，分别为工作电极、参比电极和辅助电极。ito电极预处理方法：ito电极(1×1cm2)置于乙醇、丙酮和水中分别超声洗涤去除表面无机杂质，然后置于30％的过氧化氢、28％的氨水和去离子水(体积比1:1:5)的混合溶液中，90℃水浴60分钟后去除，去离子水洗涤，然后氮气吹干即得。实施例1不同种类氮化物载体的制备以现有技术(催化学报，2019，40(2):160-167)中水热-氨化法为模板并对氨化条件进行改进，设计制备不同种类氮化物载体，并测量氮化物载体的比表面积，方法如下：1)分别取10mmol不同种类的金属盐(fe(no3)3、cu(no3)2、ni(no3)2、zn(no3)2·6h2o)、0.3mmol沉淀剂环六亚甲基四胺加到100ml水和氮氮二甲基甲酰胺的溶液中(水/dmf＝1:1)，搅拌均匀后转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中升温至130-150℃反应12-24h，然后降温至室温，过滤、丙酮洗涤后40-50℃下真空干燥至恒重得前驱体；2)将前驱体置于管式炉中，在氨气的氛围下，设置升温速率为10±2℃/min升温至300℃下氨化0.5-1.0h，然后以3℃±2℃/min的升温速率升温至450-500℃氨化1-2h，降温至室温得氮化物载体。对不同金属盐制备出的氮化物进行比表面积测量sbet(m2/g)，结果如表1所示：表1不同金属源制备出的氮化物的比表面积sbet(m2/g)金属源fecuniznfe/cuzn/cuni/cu比表面积123108132121109197142注：fe/cu、zn/cu、ni/cu双金属氮化物制备过程中两种金属盐的用量各为10mmol。金属氮化物尺寸和比表面积的大小是衡量能否作为载体对石墨烯量子点能否有效负载的一个前提条件，本发明制备的zn/cu双金属氮化物具有较高的比表面积(高达197m2/g)，扫描电镜显示其尺寸达到了纳米级，但也表现出了纳米材料易集聚的缺陷，其形貌为无序堆积的二维片状和/或棒状结构。实施例2为了进一步解决zn/cu双金属氮化物纳米粒子容易聚集的缺陷，本发明尝试加入不同种类的添加剂(如经典的十六烷基三甲基溴化铵、油酸钠)对水热反应这一步条件进行优化，惊奇的发现二乙烯三胺的引入可以使zn/cu双金属氮化物由无序的二维片状的堆积结构转变为有序的三维球状结构，并可以进一步增加复合氮化物的比表面积。具体制备方法如下：1)分别取10mmolcu(no3)2和10mmolzn(no3)2·6h2o、0.3mmol沉淀剂环六亚甲基四胺和0.5mmol二乙烯三胺加到100ml水和氮氮二甲基甲酰胺的溶液中(体积比水/dmf＝1:1)，搅拌均匀后转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中升温至130-150℃反应12-24h，然后降温至室温，过滤、丙酮洗涤后40-50℃下真空干燥至恒重得前驱体；2)将前驱体置于管式炉中，在氨气的氛围下，设置升温速率为10±2℃/min升温至300℃下氨化0.5-1.0h，然后以3℃±2℃/min的升温速率升温至500℃氨化1-2h，降温至室温得三维球状zn/cu双金属纳米氮化物。图1中1a为未加入二乙烯三胺制备出的zn/cu双金属纳米氮化物的扫描电镜图，1b为加入二乙烯三胺制备出的zn/cu双金属纳米氮化物的扫描电镜图；二者对比可以明显看出，加入二乙烯三胺后制备出的zn/cu双金属纳米氮化物呈现三维球状结构，相比于之前的纳米片状或棒状结构，球状结构不易聚集；且有更大的比表面积(sbet为389m2/g)，提高了将近两倍。实施例3以实施例2中添加二乙烯三胺制备出的三维球状zn/cu双金属纳米氮化物作为载体，对石墨烯量子点进行负载制作电极，方法如下：取10mg三维球状zn/cu双金属纳米氮化物置于10ml无水甲醇中配置成1mg/ml的分散体系，然后加入10mg石墨烯量子点(xf075)室温超声24h以上，得含zn/cu-gqd复合纳米材料的醇溶液(取样干燥脱除甲醇后进行扫描电镜检测，如图2所示，可以看出石墨烯量子点均匀分布在三维球状zn/cu双金属纳米氮化物上)。取10微升的zn/cu-gqd复合纳米材料的醇溶液滴涂到预处理后的ito电极(1×1cm2)表面，室温晾干后，再修饰一层0.5wt％的d-520水溶液，待zn/cu-gqd复合纳米材料修饰电极(zn/cu-gqd/ito电极)的表面晾干后即可接入工作站用于电化学测试；为了对比，本发明参照上述方法制备了gqd/ito电极(即单纯以xf075型石墨烯量子点对ito电极改性)和zn/cu/ito电极(即以三维球状zn/cu双金属纳米氮化物对ito电极改性)。本发明对比了纯ito电极、zn/cu/ito电极、gqd/ito电极和zn/cu-gqd/ito电极在浓度为2μm的h2o2的磷酸缓冲溶液(ph＝7.0)中的循环伏安曲线，分别如图3中3a、3b、3c和3d所示，扫描速度为100mv/s，深颜色曲线是不含有过氧化氢的情形。由图中结果可以看出，无论是否含有过氧化氢，纯ito电极、zn/cu/ito电极均未观察到明显的还原峰；gqd/ito电极在未含有过氧化氢时也没有还原峰，添加过氧化氢后在-0.3v观察到一个微弱的还原峰；zn/cu-gqd/ito体系在未添加过氧化氢时出现一对氧化还原峰，并且在过氧化氢存在下出现一个明显的还原峰。以上结果表明，本发明制备三维球状zn/cu双金属纳米氮化物可极大改善石墨烯量子点对过氧化氢的电催化还原作用，可在低还原电势下检测过氧化氢。实施例4本发明对石墨烯量子点的种类进一步做了筛选，按照实施例3中的方法以石墨烯量子点的种类为单变量制备了不同zn/cu-gqd/ito电极，测试其循环伏安曲线，统计每种电极对过氧化氢分子催化还原的电流响应值；共计筛选了石墨烯量子点(xf075)、氧化石墨烯量子点(xf074)、氮掺杂石墨烯量子点(xf241)、羧基化石墨烯量子点(xf090-1)、羟基化石墨烯量子点(xf091)、氨基化石墨烯量子点(xf092)、咪唑修饰的石墨烯量子点(xf203-2)等七种石墨烯量子点。发现以咪唑修饰的石墨烯量子点(xf203-2)制备出的zn/cu-gqd/ito对过氧化氢分子催化还原的电流响应值最大，是石墨烯量子点(xf075)的4.3倍；可能是由于咪唑修饰的石墨烯量子点中引入的咪唑能够增强与过氧化氢之间的分子间相互作用；但是氨基化石墨烯量子点(xf092)反而较石墨烯量子点(xf075)制备出的zn/cu-gqd/ito对过氧化氢分子催化还原的电流响应值有约5％的下降，证明催化结果不仅与石墨烯量子点种类有关，载体和石墨烯之间也会发生相互作用，共同影响催化性能。通过循环伏安法测试咪唑修饰的石墨烯量子点(xf203-2)制备出的zn/cu-gqd/ito电极在2μm的h2o2的磷酸缓冲溶液(ph＝7.0)中平行测试5次，其氧化峰电流的平均标准偏差(rsd)为6.08％，相对较大。原因可能是由于载体三维球状zn/cu双金属纳米氮化物本身不稳定或者载体和量子点的结合作用力较弱，导致测试结果存在一定的差异，但本领域技术人员完全可以尝试采用有机导电聚合物如聚多巴胺、聚吡咯等将载体与石墨烯量子点连接起来，这样不仅可以起到对载体的保护作用，而且可以解决载体和石墨烯量子点结合力较弱的缺陷。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3