一种碳纤维布基电化学复合物、分子印迹传感器及其制备方法和用途

1.本发明涉及药物检测领域，特别涉及一种碳纤维布基电化学复合物、分子印迹传感器及其制备方法和用途。


背景技术：

2.随着现代电子及生物技术的飞速发展，生物传感技术已经形成了一个独立的、新兴的高科技领域。它涉及到生物学、化学、物理学、材料学、医学、电子技术以及微机电系统等多个学科交叉领域的多种技术。同时，生物传感器中的分子识别元件能与生物信息发生特意性结合，包括蛋白质、细胞器、活细胞、微生物以及组织等，并通过换能器将这些生物信息转换为分析信号，经过电子仪表的二次放大及输出就变成了我们所熟知的光、电等信号。同时，生物传感器具有极高的灵敏度，它的性能更稳定、适用面广、特异性好、所需样品量少而且不需要进行前处理，操作安全简便，这使得生物传感器能够通过快速有效的分析手段代替传统的实验室技术，为实验研究提供便利，因而成为近年来的研究热点，并在生物医学、环境监测、食品医药检测等领域具有广阔的应用前景。
3.电化学生物传感器是将获取到的生物信息通过换能器转变成电化学信息的传感器。作为传感器的一个重要分支，电化学生物传感器在检验医学中，特别是即时检验中具有非常好的应用前景。该技术一般具有较高的灵敏度，但对目标物质的选择性不高，难以排除测试过程中其他干扰物质的影响。
4.分子印迹聚合物(mip)是一种对目标分子具有靶向识别作用的人工合成生物模拟材料，其对目标分子的选择性识别与传统电化学传感器相比有大幅度的提高。利用电化学聚合方法制备mip是目前制备用于识别尺寸较大的印记分子的mip最有潜力的方法，但用该方法制备mip用于阿司匹林的检测却鲜有报道，因而开展利用电化学聚合方法制备mip修饰电极构建电化学分子印迹生物传感器的研究具有重要的科学价值。同时，电极修饰材料的选择将会对分子印迹传感器的稳定性和对目标分子的选择性产生较大的影响。
5.茶碱是松弛支气管类药物中的一种，它可以让细胞里面钙离子的浓度下降，在临床上一般应用于支气管哮喘的患者、慢阻肺的患者甚至支气管扩张以后出现喘息的患者。茶碱在血液中安全含量的范围非常小，血药浓度为10～20μg/ml时其药用效果最佳，超过20μg/ml或低于10μg/ml时起到相反的效果。关于茶碱中毒的案例国际上有很多，其中的年龄分布大概在婴幼儿和老年人。就中国目前出现的茶碱中毒案例里，其中有11例都是因为误诊导致婴幼儿误食用茶碱超过正常剂量的10倍甚至更多。另有4例是因为肌肉注射和静脉注射中茶碱浓度超标。而因口服过量茶碱导致死亡的案例就有2例。关于老年人茶碱中毒案例还有8例，几乎常见症状都是心脏意外。虽然茶碱有很独特的药理作用，但也因为其严格的安全范围导致很多突发情况的发生。所以茶碱的浓度检测一直以来都是各类研究人员很为关注的一大方面。基于此，对茶碱的含量检测就显得尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一是针对现有技术的不足，提供一种碳纤维布基电化学复合物，具有优异的离子及电子转移速率和良好的化学稳定性。
7.本发明的目的之二是提供一种分子印迹传感器，具有较强的电子、离子流动传输性，同时对茶碱的靶向识别性较高，通过电子的流动实现对茶碱的电化学检测，检测范围达到4μm-150μm，检测限达到10-7
m。
8.实现本发明目的之一的技术方案是：一种碳纤维布基电化学复合物，包括碳纤维布和氢氧化铜晶体，通过水热法和焙烧法在碳纤维布表面生长出氢氧化铜晶体而成晶体交织状结构。
9.进一步的，碳纤维布和氢氧化铜晶体的质量比为1：0.6。
10.上述电化学复合物的制备方法，包括以下步骤：
11.1)取碳纤维布，经清洗后烘干；
12.2)取硫酸铜溶液，加入氨水、氢氧化钠，搅拌至溶解，然后加入十六烷基三甲基氯化铵，继续搅拌至溶解；
13.3)加入步骤1)处理后的碳纤维布，在165-185℃条件下反应至结束，烘干待用；
14.4)在400-550℃条件下焙烧，得到目标产品。
15.优选的，步骤1)所述清洗，依次采用丙酮、二次水、乙醇进行超声波清洗25min，所述烘干，在50℃条件下真空烘干。
16.优选的，步骤2)中先用丙酮对碳纤维布进行超声波清洗，目的是除去碳纤维布表面的胶质，以免影响后续工艺，而后为了进一步除去残留表面的丙酮依次利用二次水和乙醇对其进行超声清洗。
17.进一步的，步骤2)中，分别取cuso4·
5h2o、第一氨水、十六烷基三甲基氯化铵和naoh溶解于去离子水中，cuso4·
5h2o、十六烷基三甲基氯化铵和naoh的质量比为1：1.6：5.3，去离子水与第一氨水的体积比为95:1，搅拌溶解后得到的溶液中再加入第二氨水调节体系oh-浓度，第二氨水与第一氨水的体积比为3.5:1。
18.进一步的，步骤3)反应时间为12h，所述烘干为在60℃条件下烘干，步骤4)所述焙烧的时间为4h。
19.实现本发明目的之二的技术方案是：一种分子印迹传感器，包括修饰电极，以及分子印迹膜，所述修饰电极由玻碳电极经上述的电化学复合物修饰得到，所述分子印迹膜聚合在修饰电极的表面。
20.上述分子印迹传感器的制备方法，在保护气氛下，包括以下步骤：
21.1)取权利要求1或2电化学复合物，溶解于水中，配成浓度为0.1g/ml的溶液，滴于玻碳电极表面，烘干，得到修饰电极；
22.2)配置ph＝6的pbs缓冲溶液，配置nacl电解液，电解液中溶解邻苯二胺，配置茶碱甲醇溶液；
23.3)取电解池置于磁力搅拌器上；
24.4)向电解池中加入步骤2)配置的pbs缓冲溶液、配置的电解液、配置的茶碱甲醇溶液，且搅拌；
25.5)将步骤1)制备得到的修饰电极加入电解池中，作为工作电极，以饱和甘汞电极
作为参比电极，以铂片电极作为辅助电极构成三电极体系，以扫描速率40mv/s，扫描电压为-0.5v～1.0v下扫描10圈；
26.6)取出修饰电极，冲洗后进行洗脱，得到分子印迹传感器。
27.进一步的，步骤1)所述溶解，采用超声溶解，所述水为去离子水，所述玻碳电极经抛光预处理，所述烘干采用红外线烘干；步骤2)所述pbs缓冲溶液的浓度为0.1mol/l，电解液的浓度为0.5mol/l，邻苯二胺的浓度为3mol/l，所述茶碱甲醇溶液的浓度为1g/l。
28.本发明还提供了上述分子印迹传感器在用于检测茶碱的用途。
29.采用上述技术方案具有以下有益效果：
30.1、本发明提供的碳纤维布基电化学复合物，以碳纤维布(cfs)作为模板，通过水热法和焙烧法在碳纤维布表面生长出氢氧化铜(cu(oh)2)晶体，碳纤维是一种分散活性部位的理想基体材料，碳纤维布是由碳纤维材料交织而成，具有良好的化学稳定性的同时，其上可供晶体生长的活性位点也非常丰富，生长在碳纤维布表面的氢氧化铜晶体呈晶体交织状结构，具有较大的比表面积，其表层原子与内层原子数目所占比例接近，使其表层原子活性急剧增大，可以游离到体系中的离子数目随之成倍增加，进而具有较高的电子转移速率的功能。以碳纤维布为模板生长氢氧化铜晶体交织状结构，控制氢氧化铜晶体形貌实现优化离子和电子传输路径，可消除氢氧化铜晶体在生长过程中受诸多因素影响而造成的离子及电子传输难以达到最大程度发挥等缺陷。
31.2、本发明提供的碳纤维布基电化学复合物，碳纤维布和氢氧化铜晶体的质量比为1：0.6，若碳纤维布的质量过高，即可供氢氧化铜晶体生长的活性位点较多，晶体在相互交织的众多活性位点上生长，使得氢氧化铜晶体生长不完全，产物得到的线状晶体长径比不理想、比表面积不足；若碳纤维的质量过低，则可供氢氧化铜晶体生长的活性位点不足，氢氧化铜晶体在有限的线性活性位点上恣意生长，并且由于碳纤维布中所含碳纤维是相互交织的，则氢氧化铜晶体生长过程中，彼此成为对方生长的位阻，难以控制其产物的线状形貌，会使得产物成为棒状或颗粒状。
32.3、本发明提供的制备碳纤维布基电化学复合物的方法，通过在硫酸铜溶液中依次加入氨水、氢氧化钠，并搅拌溶解完全，这期间体系中cu
2+
首先和nh3·
h2o反应，生成cu2(oh)
22+
中间产物，然后cu2(oh)
22+
和nh3发生反应生成[cu(nh3)4]
2+
和oh-，[cu(nh3)4]
2+
进一步分解为cu
2+
和nh3。在整个溶解及反应过程中，nh3·
h2o作为原料参与化学反应，而naoh维持体系中的oh-的平衡，使体系中的游离oh-足以使第二步反应向正向进行，同时保证体系中oh-足量，可以在接下来的模板上生长氢氧化铜晶体。将上述溶液磁力搅拌10分钟后向烧杯中加入0.25ml氨水和1.14g十六烷基三甲基，继续搅拌30分钟使其充分混合溶解；将溶液转移到100ml水热反应釜中，同时放入上述处理好的碳纤维布，然后在180℃中，烘箱中持续加热12小时，待冷却到室温后，取出，即可得到预聚体。在此过程中氢氧化铜晶体的生长过程为1)cu
2+
与nh
4+
生成规范的络合物，oh-的碱性环境使得cu(oh)2的溶液过饱和，逐渐沿着络合物的生成规范的cu(oh)2晶核；2)晶核由于预处理后碳纤维布表面的吸引，依附于表面；
[0033]
3)晶核吸附于表面并组建向着浓度更高的液体内部生长，达到促进生长的情况，但是表面覆盖到一定厚度的cu(oh)2将会使得在低温下不能够进行物质的迁移从而是反应终止于第一反应脱活期之前；4)生成的产物在第一反应活化期，使得反应活性十分优异。水热反应结束后，经烘干后，在450℃条件下焙烧预聚体即可得到晶体交织状结构。
[0034]
4、本发明提供的分子印迹传感器，以玻碳电极作为主体，经上述电化学复合物修饰，得到的修饰电极电阻大幅降低，也即，电化学复合物显著增加了玻碳电极的电子流动性。修饰电极的表面聚合分子印迹膜，得到分子印迹传感器，具有较强的电子、离子流动传输性，且对茶碱具有较高的靶向识别性，可通过电子的流动实现对茶碱的电化学检测，检测范围达到0.1μm-150μm，检测限达到10-7
m。
[0035]
5、本发明提供的制备分子印迹传感器的方法，全程在保护气氛下进行操作，可有效避免氧气在电聚合过程中攻击电极表面产生的自由基。具体制备过程为：用0.5mol/l的nacl配置50ml的电解液，将电解池置于磁力搅拌器上搅拌，快速通过n
2 15min；在电解池中加入30ml的0.1mol/l的pbs缓冲溶液，快速搅拌同时通过n2除去o215 min；将3mol/l的邻苯二胺溶解在刚配置好的电解液中；将0.02g的茶碱超声溶解在20ml甲醇中充分搅拌，另配置0.5％的戊二醛的溶液用作电化学聚合的交联剂，配置好的溶液与配置好的电解液充分混合后通过n2，除去o215 min制得电极；降低n2流速，在低速下继续搅拌。将上步所得的电极放入电解池中，利用循环伏安法使以茶碱分子为模板分子的功能单体邻苯二胺充分聚合制备茶碱分子印迹膜。此处注意，当功能单体未交联或交联剂用量过低时，会导致邻苯二胺分子结合松散，在后面的洗脱模板分子的操作中会引起聚合膜结构的破坏；加入的戊二醛浓度大，交联程度过高，得到的聚合膜过于致密，导致洗脱操作中的茶碱分子无法扩散出，无法得到茶碱分子空位。在戊二醛浓度为0.5％时，适度交联保护了聚合膜结构使其在茶碱分子被洗脱之后可以顺利扩散出聚合膜表面，得到茶碱分子空位。整个实验需要在n2氛围下进行；以扫描速率40mv/s，扫描电压为-0.5v～1.0v下扫描10圈，得到cv曲线，保存所得数据；将电极拿出后用去离子水冲洗，在甲醇溶液中用循环伏安法进行洗脱，即可得到具有茶碱分子空位的分子印迹传感器。
[0036]
经申请人试验验证，本发明制备得到的分子印迹传感器，表现出良好的选择性和稳定性，在ph为6.0的pbs缓冲溶液作为溶剂，分别配置不同浓度的茶碱溶液，利用分子印迹传感器在三电极体系中检测不同浓度的茶碱溶液，将不同浓度茶碱溶液中检测到的氧化还原峰值电流与浓度对应形成标准曲线，即可用于对茶碱的浓度检测，检测范围达到0.1μm-150μm，检测限达到10-7
m，且经长时间放置仍可以保持初始值94％以上的稳定性。
[0037]
下面结合附图和具体实施方式作进一步的说明。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例1制备的电化学复合物的扫描电镜图；
[0039]
图2为本发明实施例1制备的电化学复合物的投射电镜图；
[0040]
图3为本发明实施例2制备得到的分子印迹传感器(b)与普通玻碳电极(a)的阻抗谱；
[0041]
图4为本发明实施例3对茶碱电化学检测的dpv曲线图；
[0042]
图5为本发明实施例3茶碱电化学检测的峰值电流和茶碱浓度的标准曲线图。
具体实施方式
[0043]
本发明中所用到的实验试剂及相关仪器详细信息如表1和表2所示。
[0044]
表1实验试剂
[0045][0046]
表2实验仪器
[0047][0048]
实施例1
[0049]
将碳纤维布(2cm
×
1cm)分别用丙酮、二次水、无水乙醇进行超声清洗25min，然后在50℃的条件下在真空烘箱中烘干。
[0050]
取0.216g cuso4·
5h2o溶于80ml去离子水中，搅拌15min；加入0.84ml25％的氨水，搅拌15min；再加入0.384g的naoh，搅拌15min，至完全溶解；再加入0.25ml氨水和1.14g十六烷基三甲基氯化铵，继续搅拌30min，使其完全溶解；将上述溶液倒入100ml水热反应釜中，再加入处理好的碳纤维布，在180℃的烘箱中反应12h，反应结束后待样品冷却至室温取出，在60℃烘箱中烘干待用；将上述得到的样品放在马弗炉中以450℃焙烧4h，得到的产物即为电化学复合物(cu(oh)2/cfs)。
[0051]
电化学复合物(cu(oh)2/cfs)的扫描电镜图和投射电镜图分别如图1、图2所示，结果显示，制备得到的cu(oh)2/cfs具有晶体交织状结构，可以清楚地发现生长的氢氧化铜为纳米短纤维状，直径约为200nm。这些纳米纤维相互分离交错，形成了一个具有大量开放空间的三维结构。这种特殊的结构为电解质溶液的渗透提供了方便的扩散通道且缩短了扩散
路径，从而可以有效地提高离子的运输效率，使cu(oh)2/cfs具有良好的电化学活性。
[0052]
实施例2
[0053]
取实施例1制备得到的电化学复合物，先通过磁力搅拌30min将其打散，再通过超声分散20min，得到浓度为0.1m的修饰液。取玻碳电极，抛光处理，用微量进样器取0.1μl修饰液，滴于抛光处理后的玻碳电极，然后在红外灯下烘干，得到修饰电极。
[0054]
在氮气氛围中进行。配置ph＝6的pbs缓冲溶液(0.1mol/l)；用0.5mol/l的nacl配置50ml的电解液，电解液中加入3mol/l的邻苯二胺，至完全溶解，取0.02g茶碱，超声溶解在20ml甲醇中。
[0055]
取电解池置于磁力搅拌器上搅拌，快速通过n
2 15min；在电解池中加入30ml的pbs缓冲溶液，快速搅拌同时通过n2除去氧气15min；将3mol/l的邻苯二胺溶解在刚配置好的电解液中；另配置0.5％的戊二醛的溶液用作电化学聚合的交联剂与之混合充分，将0.02g的茶碱超声溶解在20ml甲醇中充分搅拌，配置得到茶碱甲醇溶液。
[0056]
配置好的茶碱甲醇溶液与配置好的电解液充分混合后通过n2，除去氧气15min，降低n2流速，在低速下继续搅拌。取修饰电极，放入电解池中，以扫描速率40mv/s，扫描电压为-0.5v～1.0v下扫描10圈，得到cv曲线；将电极拿出后用去离子水冲洗，在甲醇溶液中用循环伏安法进行洗脱，即可得到分子印迹传感器。
[0057]
制备得到的分子印迹传感器(b)与普通玻碳电极(a)的阻抗谱如图3所示，由图3可知，普通玻碳电极(a)的电阻达到252ω，而分子印迹传感器的电阻大幅度减小，只有75ω，可见本发明制备得到的分子印迹传感器的电子流动性显著增加。
[0058]
实施例3
[0059]
取实施例2制备得到的分子印迹传感器用于三电极体系中，用于对不同浓度茶碱进行检测：
[0060]
检测过程中配置13种不同浓度的茶碱溶液，分别以其为电解液，以分子印迹膜修饰的玻碳电极为工作电极，与甘汞电极和铂片电极组成三电极系统，分别对每种电解液进行dpv曲线，以“峰值电流值”和溶液“茶碱浓度值”分别为纵坐标和横坐标绘制曲线，即可得到茶碱浓度的标准曲线。扫描检测结果如图4、图5所示。
[0061]
由图4、图5可知，不同茶碱含量下体系的dpv曲线和拟合c-i标准曲线表示，当茶碱的浓度由0.1μm增加到150μm时，体系中氧化电流强度也随之明显增加，将茶碱的浓度与峰值电流相对应的提取出来得到。将峰值电流与茶碱的浓度拟合直线，r2值达到0.99547，说明茶碱浓度(c)与体系中氧化电流强度(i)存在线性关系，即可以通过未知体系中氧化电流强度的数值借助上述标准曲线得到体系中茶碱的含量，从而达到对茶碱的痕量检测。并且测试结果表明该复合电化学传感器对茶碱具有高度的选择性和稳定性。
[0062]
实施例4
[0063]
取实施例2制备得到的分子印迹传感器用于三电极体系中，用于氨茶碱注射液的浓度检测：
[0064]
将实施例2制备得到的分子印迹传感器对茶碱的检测性能与现有检测方法的检测性能进行了对比，结果列于表2中。从表2所列数据中可以看出，分子印迹传感器对茶碱比现有检测方法之一的mip-ano电化学传感器展现出了更宽的线性浓度范围。除此之外，分子印迹传感器与mofs和rgo/aunps相比，具有更低的检出限。而且，mofs在可逆性检测过程中，可
以经过20.77次反复测试而不会出现较大误差，这也比分子印迹传感器的可逆性稍差。而cuo-gce虽具有较低的检出限，但在制备cuo过程中要经过350℃高温煅烧，制备条件比分子印迹传感器制备过程中采用的室温固相聚合方法更为苛刻。同时，作为可以用来检测低浓度茶碱的生物传感器，分子印迹传感器具有性质温和、无毒无害等突出的优势。通过表2比较得出，分子印迹传感器对茶碱的检测具有更宽的检测浓度范围和更低的检出限，这使分子印迹传感器与前期报道的检测方式相比，成为更理想的检测方法。
[0065]
表2 cmc/cu(oh)
2-gce对茶碱与现有茶碱检测方法对比
[0066]