一种抗坏血酸检测光电化学酶传感器及制备方法和应用

1.本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种抗坏血酸检测光电化学酶传感器及制备方法和应用。


背景技术：

2.抗坏血酸(aa)是一种典型的水溶性维生素，通常存在于蔬菜和水果中。aa在食品、医药、化妆品等行业发挥着重要作用。体内aa水平较低可导致免疫力下降、坏血病、帕金森病、类风湿关节炎、心血管疾病甚至癌症，而过量摄入aa可导致尿结石、腹泻、胃痉挛。因此，准确检测aa对工业生产和人体健康具有重要意义。aa作为食品质量评价中标记化学品和疾病发生的重要表观因素。目前用于检测药品、化妆品、食品和体液中aa浓度的方法主要有分光光度法、荧光法、色谱法、化学发光法、固相碘标记法、毛细管电泳。由于这些方法受到检测耗时长、设备昂贵、过程复杂等特点的影响，限制了方法的应用。


技术实现要素：

3.为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种抗坏血酸检测光电化学酶传感器及制备方法和应用，该传感器具有优良的电子传递能力，对抗坏血酸检测具有良好的检出限和灵敏度，检测方便快速，传感器的重现性和稳定性良好。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.一种抗坏血酸检测光电化学酶传感器，采用三电极体系，包括以铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，利用氮元素掺杂的纳米氧化锌、fe@fe2o3纳米线和金纳米复合制备得到的qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料电极作为工作电极。
6.一种抗坏血酸检测光电化学酶传感器的制备方法，将fe@fe2o3纳米线、aunps和氮元素掺杂的纳米氧化锌层层组装，制备得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料电极；
7.通过化学交联法将槲皮素连接在fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米电极材料上，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极；
8.以铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，以qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极作为工作电极，组成抗坏血酸检测光电化学酶传感器。
9.本发明进一步的改进在于，qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极通过以下过程制得：
10.将草酸氨溶液和醋酸锌溶液混合，得到n-zno溶液，将n-zno溶液滴涂于ito玻璃片表面，退火，得到n-zno/ito电极；
11.将au纳米溶液滴于n-zno/ito电极后，干燥，得到aunps/n-zno/ito电极；
12.将fe@fe2o3悬浊液滴于aunps/n-zno/ito电极上，干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极；
13.将槲皮素溶液滴加在qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极表面，静置，得到qr/fe@
fe2o3/aunps/n-zno/ito电极。
14.本发明进一步的改进在于，将fe@fe2o3悬浊液滴于aunps/n-zno/ito电极上，干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料电极；
15.将槲皮素溶液滴加在fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料电极表面，静置，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极。
16.本发明进一步的改进在于，草酸氨溶液浓度为0.1-0.3mol/l，醋酸锌溶液浓度为1-3mol/l。
17.本发明进一步的改进在于，草酸氨溶液和醋酸锌溶液的体积比为1:1。
18.本发明进一步的改进在于，退火的温度为440-460℃，时间为2-3小时。
19.本发明进一步的改进在于，au纳米溶液通过以下过程制得：将0.25mmol/l的haucl4溶液和20mg/ml柠檬酸三钠溶液在40-45℃下加热30-40min，得到au纳米溶液；其中，haucl4溶液与柠檬酸三钠溶液的体积比为100-110ml：5ml。
20.本发明进一步的改进在于，fe@fe2o3悬浊液通过以下过程制得：高氯酸铁溶液和硼氢化钠溶液混合，制得fe@fe2o3悬浮溶液，静置后抽滤，得到粉末，将粉末干燥，得到fe@fe2o3粉末；将fe@fe2o3粉末加入到水中，混合均匀，制得fe@fe2o3悬浊液。
21.本发明进一步的改进在于，高氯酸铁与硼氢化钠物质的量的比为2：1。
22.一种抗坏血酸检测光电化学酶传感器在抗坏血酸检测中的应用。
23.与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
24.本发明利用化学交联法将槲皮素连接在fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito纳米材料电极上，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito作为酶工作电极。本发明选用的材料n-zno，因其具有介孔的结构，使得电极的比表面积大大的增加，增强了电极表面的电子传递效率；fe@fe2o3纳米线可以通过金属铁的富集作用增加槲皮素在电极表面的含量，从而促进qr与aa发生催化反应。而且，在光照条件下，利用槲皮素的电子受体特性，在氮元素、三氧化二铁包裹的铁纳米线和金纳米颗粒的协同作用下，提高材料对可见光的吸收，通过诱导光生电子从氧化锌的能带转移到槲皮素上，提高了槲皮素修饰电极对抗坏血酸的催化氧化能力。
25.进一步的，本发明选用氧化铟锡(ito)作为工作电极的基底，首先，选用n元素掺杂的氧化锌纳米颗粒(n-zno)，其在马弗炉退火之后具有较好的介孔结构，可以增大电极材料的比表面积；接着，将金纳米(aunps)颗粒加入在n-zno/ito上，进一步提高电极的导电能力；然后，制备的铁@三氧化二铁纳米线(fe@fe2o3)是具有核壳结构的纳米线。通过层层组装的方式，将n-zno、aunps和fe@fe2o3修饰在ito表面，得到纳米材料电极fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito。
26.本发明制备的fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料电极具有优良的电子传递能力，对抗坏血酸检测具有良好的检出限和灵敏度，检测方便快速的优点，并且传感器的重现性和稳定性良好。
附图说明
27.图1为n-zno/ito(a)、aunps/n-zno/ito(b)和fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito(c)电极的能斯特图谱；
28.图2为qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito和aa/qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极的
能斯特图谱；
29.图3为不同电极上的电流-时间图，其中，(a)为n-zno/ito；(b)为aunps/n-zno/ito；(c)为fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito；(e)为aa/qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito；(d)为qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito；
30.图4为溶液中有无aa的电流-时间图，其中(a)qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito；(b)aa/qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito；
31.图5为aa浓度随着光电流变化的i-t曲线图；
32.图6为aa不同浓度下峰电流的变化趋势图；
33.图7为aa浓度与峰电流值的线性关系图。
具体实施方式
34.下面结合附图通过实施例对本发明进行详细描述。
35.本发明一种半导体纳米材料电极和光电化学传感器，可用于抗坏血酸的检测，通过将fe@fe2o3纳米线、aunps和n元素掺杂的氧化锌三个材料层层组装，制备得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米电极材料。通过化学交联法将槲皮素(酶)连接在fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料电极上，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito酶工作电极，从而实现对抗坏血酸的检测。本发明是第一次将氧化铁包裹的零价铁、金纳米颗粒和氮元素用来实现对纳米氧化锌材料改性，用来检测抗坏血酸。在光催化仪的照射下，该电极具有优良的电子传递效果，对抗坏血酸的检测具有较好的稳定性和重现性，检测限低至0.1μm。
36.本发明的一种抗坏血酸检测光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
37.首先，制备qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，包括以下步骤：
38.(1)电极的清洗：在25-35℃下，将ito玻璃片分别放于10-30ml丙酮、异丙醇、无水乙醇中超声波清洗15-25分钟，最后用去离子水冲洗干净，烘箱100-200℃下烘干，放到密闭、干燥的容器中待用。
39.(2)n-zno/ito的制备：称取草酸铵，加入去离子水溶解，配制成0.1-0.3mol/l的草酸氨溶液；
40.称取醋酸锌粉末，加入去离子水溶解，配制成1.0-3.0mol/l的醋酸锌溶液；
41.将上述草酸氨溶液和醋酸锌溶液按照1：1体积的比例混合，得到n-zno溶液。将n-zno溶液滴涂于清洗后的ito玻璃片表面，控制滴涂面积为0.5*0.5cm2，马弗炉中440-460℃退火2-4小时，得到n-zno/ito电极。
42.(3)fe@fe2o3的制备：0.012mol/l高氯酸铁溶液和0.4mol/l硼氢化钠溶液在0.5ml/s搅拌速度下混合，制得fe@fe2o3悬浮溶液，静置3-4h，抽滤，清洗三次，得到粉末，将粉末在红外灯下干燥，得到fe@fe2o3粉末。其中，高氯酸铁与硼氢化钠的物质的量的比为2：1。
43.(4)au纳米材料的制备
44.将100-110ml 0.25mmol/l的haucl4溶液和5ml 20mg/ml柠檬酸三钠溶液置于40-45℃水浴锅中加热30-40min，制得au纳米溶液。
45.(5)aunps/n-zno/ito的制备：将制备得到的au纳米溶液取50μl滴于步骤(2)的n-zno/ito电极后，干燥，得到aunps/n-zno/ito电极。
46.(6)fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：称取0.0004g fe@fe2o3粉末放入5ml离心
管中，加入去离子水，置于超声波清洗机中，在20-30℃下超声约3-5分钟，使其混合均匀，即可制得fe@fe2o3悬浊液。将fe@fe2o3悬浊液滴于步骤(5)的aunps/n-zno/ito电极上，干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极。
47.(7)qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：取50ul 1.0
×
10-3
mm的槲皮素溶液(溶剂为无水乙醇)滴加在步骤(6)中的fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极表面，置于4℃冰箱过夜放置后，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
48.本发明的一种检测抗坏血酸的电化学传感器，采用的是三电极系统，以纳米氧化锌、fe@fe2o3和金纳米复合制备得到的qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料酶电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极。
49.以下为具体实施例。
50.实施例1
51.qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极的制备，包括以下步骤：
52.ito(氧化铟锡)导电玻璃的规格为75*15*1.1mm。
53.(1)电极的清洗：在25℃下，将ito导电玻璃片分别放于20ml丙酮、异丙醇、无水乙醇中超声波清洗15分钟，最后用去离子水冲洗干净，烘箱中100℃烘干，放到密闭、干燥的容器中待用。
54.(2)n-zno/ito的制备：称取草酸铵0.1927g，加入25ml去离子水溶解，配制成0.1mol/l的草酸氨溶液；称取醋酸锌粉末4.587g，加入25ml去离子水溶解，配制成1mol/l的醋酸锌溶液，将上述两者溶液按照1：1体积的比例混合，得到n-zno溶液。将n-zno溶液取50μl滴涂于ito表面，控制涂覆材料面积为0.5*0.5cm2，在马弗炉中450℃退火4h，得到n-zno/ito电极。
55.(3)fe@fe2o3的制备：0.012mol/l高氯酸铁和0.4mol/l硼氢化钠在0.5ml/s速度下搅拌混合制得fe@fe2o3悬浮溶液，静置3h，抽滤，清洗，在红外灯照射下干燥粉末，得到fe@fe2o3粉末。其中，高氯酸铁与硼氢化钠的物质的量的比为2：1。
56.(4)au纳米材料的制备
57.将100ml 0.25mmol/l的haucl4溶液和5ml 20mg/ml柠檬酸三钠置于40℃水浴锅中加热30min，制得au纳米溶液。
58.(5)aunps/n-zno/ito的制备：将步骤(4)制得au纳米溶液取50μl滴于步骤(2)的n-zno/ito电极电极后，于烘箱中干燥，得到aunps/n-zno/ito电极。
59.(6)fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：称取fe@fe2o3粉末0.0004g放入5ml离心管中，加入去离子水，置于超声波清洗机中超声约3min，使其混合均匀，即可制得fe@fe2o3悬浊液。取悬浊液10μl滴于步骤(5)的aunps/n-zno/ito电极上，在烘箱中干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
60.(7)qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：取50ul1.0
×
10-3
mm的槲皮素溶液滴加在步骤(6)的fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极表面，置于4℃冰箱过夜放置，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
61.以qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料酶电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极。
62.实验结果与分析：
63.1.电极上电子传递分析
64.实验利用三电极体系，选用制备的半导体纳米材料酶电极作为工作电极，pt为辅助电极，ag/agcl为参比电极，在1mm铁氰化钾溶液中测定。实验选用以下参数：最大频率10000hz，最小频率0.2hz，电压0v，电流量程100μa，实验测定50个点数。
65.为了分析不同电极层上电子传递的变化，实验用交流阻抗的方法检测了电极的阻抗。如图1是不同电极的能斯特图谱，从图1中可以看出，材料不同电极的阻抗差异较大，曲线an-zno/ito阻抗值最大；其次是曲线b，aunps/n-zno/ito阻抗值小于氮元素掺杂的氧化锌电极层；曲线c，fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极的阻抗值最小。这说明在材料上加入了fe@fe2o3纳米线之后，三氧化二铁包裹的铁纳米线材料、金纳米颗粒和氮元素成功实现了对氧化锌材料的改性，协同提高了氧化锌的导电能力，使电极的光电流达到最大。
66.从图2可以看到，相对于槲皮素酶电极的阻抗值，加入了抗坏血酸之后电极上的阻抗值变大，具有更小的光电流。
67.2.电极上的光电催化分析
68.实验选用制备的半导体纳米材料酶电极作为工作电极，pt为辅助电极，ag/agcl为参比电极，在0.1m ph＝7.0的pbs缓冲溶液中进行测定。实验选用以下参数：灵敏度100μa，电压0v，开关光时间间隔为开光20s闭光10s，扫描速率0.1v/s，光催化仪电流为25a。
69.从图3可以看出，在光照条件下，n-zno/ito的光电流最小，在3μa左右，参见图3中(a)；电极材料上加入金纳米后，光电流增大7μa左右，参见图3中(b)；当fe@fe2o3加入之后，电极光电流增大到10μa左右，参见图3中(c)；当qr修饰到电极上时，电极光电流增大到约40μa，参见图3中(e)，在溶液中加入aa后，光电流迅速下降至约20μa，参见图3中(d)。
70.如图4中(a)和(b)所示，可以看出溶液中不存在抗坏血酸和存在抗坏血酸的情况下光电流变化，依据光电流值的变化实现aa的检测。
71.3.aa浓度与电流之间的关系分析
72.为了分析浓度与光电流信号之间的变化关系，本发明选用aa浓度范围为0.1μm-4000μm，考察了光电流信号的变化。实验结果发现，峰电流大小随着抗坏血酸浓度的增加而增大(如图5所示)；当浓度达到1mm时，浓度曲线出现拐点，随后峰电流值随抗坏血酸的浓度变化较小，逐渐趋势平稳(如图6所示)；在aa浓度为0.1μm-10μm之间，抗坏血酸与峰电流存在线性关系(如图7所示)，线性方程为i＝0.284c+4.244，r2＝0.978(c为抗坏血酸的浓度，单位为mol/l，i为开光时电流值，单位为μa)，经计算得出灵敏度为0.284。实验结果表明本发明制备的半导体纳米材料酶电极具有良好的线性关系和检出限为0.013μm。
73.实施例2
74.(1)电极的清洗：在35℃下，将ito导电玻璃片分别放于10ml丙酮、异丙醇、无水乙醇中超声波清洗20分钟，最后用去离子水冲洗干净，烘箱中170℃烘干，放到密闭、干燥的容器中待用。
75.(2)n-zno/ito的制备：称取草酸铵0.1927g，加入去离子水溶解，配制成0.2mol/l的草酸氨溶液；称取醋酸锌粉末4.587g，加入去离子水溶解，配制成2.5mol/l的醋酸锌溶液，将上述两者溶液按照1：1体积的比例混合，得到n-zno溶液。将n-zno溶液取50μl滴涂于ito表面，控制涂覆材料面积为0.5*0.5cm2，在马弗炉中440℃退火4h，得到n-zno/ito电极。
76.(3)fe@fe2o3的制备：0.012mol/l高氯酸铁和0.4mol/l硼氢化钠在0.5ml/s速度下
搅拌混合制得fe@fe2o3悬浮溶液，静置3h，抽滤，清洗，在红外灯照射下干燥粉末，得到fe@fe2o3粉末。其中，高氯酸铁与硼氢化钠的物质的量的比为2：1。
77.(4)au纳米材料的制备
78.将102ml 0.25mmol/l的haucl4溶液和5ml 20mg/ml柠檬酸三钠置于45℃水浴锅中加热30min，制得au纳米溶液。
79.(5)aunps/n-zno/ito的制备：将步骤(4)制得au纳米溶液取50μl滴于步骤(2)的n-zno/ito电极极后，于烘箱中干燥，得到aunps/n-zno/ito电极。
80.(6)fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：称取fe@fe2o3粉末0.0004g放入5ml离心管中，加入去离子水，置于超声波清洗机中在20℃下超声约3min，使其混合均匀，即可制得fe@fe2o3悬浊液。取悬浊液10μl滴于步骤(5)的aunps/n-zno/ito电极上，在烘箱中干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
81.(7)qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：取50ul1.0
×
10-3
mm的槲皮素溶液滴加在步骤(6)的fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极表面，置于4℃冰箱过夜放置，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
82.以qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料酶电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极。
83.实施例3
84.(1)电极的清洗：在30℃下，将ito导电玻璃片分别放于30ml丙酮、异丙醇、无水乙醇中超声波清洗25分钟，最后用去离子水冲洗干净，烘箱中150℃烘干，放到密闭、干燥的容器中待用。
85.(2)n-zno/ito的制备：称取草酸铵0.1927g，加入去离子水溶解，配制成0.3mol/l的草酸氨溶液；称取醋酸锌粉末4.587g，加入去离子水溶解，配制成2mol/l的醋酸锌溶液，将上述两者溶液按照1：1体积的比例混合，得到n-zno溶液。将n-zno溶液取50μl滴涂于ito表面，控制涂覆材料面积为0.5*0.5cm2，在马弗炉中460℃退火2h，得到n-zno/ito电极。
86.(3)fe@fe2o3的制备：0.012mol/l高氯酸铁和0.4mol/l硼氢化钠在0.5ml/s速度下搅拌混合制得fe@fe2o3悬浮溶液，静置4h，抽滤，清洗，在红外灯照射下干燥粉末，得到fe@fe2o3粉末。其中，高氯酸铁与硼氢化钠的物质的量的比为2：1。
87.(4)au纳米材料的制备
88.将105ml 0.25mmol/l的haucl4溶液和5ml 20mg/ml柠檬酸三钠置于40℃水浴锅中加热40min，制得au纳米溶液。
89.(5)aunps/n-zno/ito的制备：将步骤(4)制得au纳米溶液取50μl滴于步骤(2)的n-zno/ito电极电极后，于烘箱中干燥，得到aunps/n-zno/ito电极。
90.(6)fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：称取fe@fe2o3粉末0.0004g放入5ml离心管中，加入去离子水，置于超声波清洗机中在20℃下超声约5min，使其混合均匀，即可制得fe@fe2o3悬浊液。取悬浊液10μl滴于步骤(5)的aunps/n-zno/ito电极上，在烘箱中干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
91.(7)qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：取50ul1.0
×
10-3
mm的槲皮素溶液滴加在步骤(6)的fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极表面，置于4℃冰箱过夜放置，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
92.以qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料酶电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极。
93.实施例4
94.(1)电极的清洗：在28℃下，将ito导电玻璃片分别放于25ml丙酮、异丙醇、无水乙醇中超声波清洗20分钟，最后用去离子水冲洗干净，烘箱中200℃烘干，放到密闭、干燥的容器中待用。
95.(2)n-zno/ito的制备：称取草酸铵0.1927g，加入去离子水溶解，配制成0.2mol/l的草酸氨溶液；称取醋酸锌粉末4.587g，加入去离子水溶解，配制成3mol/l的醋酸锌溶液，将上述两者溶液按照1：1体积的比例混合，得到n-zno溶液。将n-zno溶液取50μl滴涂于ito表面，控制涂覆材料面积为0.5*0.5cm2，在马弗炉中450℃退火3h，得到n-zno/ito电极。
96.(3)fe@fe2o3的制备：0.012mol/l高氯酸铁和0.4mol/l硼氢化钠在0.5ml/s速度下搅拌混合制得fe@fe2o3悬浮溶液，静置3h，抽滤，清洗，在红外灯照射下干燥粉末，得到fe@fe2o3粉末。其中，高氯酸铁与硼氢化钠的物质的量的比为2：1。
97.(4)au纳米材料的制备
98.将110ml 0.25mmol/l的haucl4溶液和5ml 20mg/ml柠檬酸三钠置于42℃水浴锅中加热35min，制得au纳米溶液。
99.(5)aunps/n-zno/ito的制备：将步骤(4)制得au纳米溶液取50μl滴于步骤(2)的n-zno/ito电极电极后，于烘箱中干燥，得到aunps/n-zno/ito电极。
100.(6)fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：称取fe@fe2o3粉末0.0004g放入5ml离心管中，加入去离子水，置于超声波清洗机中在25℃下超声约5min，使其混合均匀，即可制得fe@fe2o3悬浊液。取悬浊液10μl滴于步骤(5)的aunps/n-zno/ito电极上，在烘箱中干燥，得到fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
101.(7)qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito的制备：取50ul1.0
×
10-3
mm的槲皮素溶液滴加在步骤(6)的fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极表面，置于4℃冰箱过夜放置，得到qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito电极，待用。
102.以qr/fe@fe2o3/aunps/n-zno/ito半导体纳米材料酶电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极。