一种基于二维钛碳化合物的电化学生物传感器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于MXene‑Ti3C2的电化学生物传感器及其制备方法和应用。首先将模式酶固载在表面带有‑OH官能团的MXene‑Ti3C2表面上，再与成膜材料混合形成复合材料，固定在玻碳电极表面制得电化学生物传感器。本发明专利技术充分利用了MXene‑Ti3C2这种二维纳米材料作为传感器的酶载体，具有特定片状结构、大的比表面积、优良的金属导电性和极好的水相分散性；制备过程简单，研制的传感器对酚类化合物的灵敏度高、检出限低、重现性好；检测过程无需复杂的样品前处理过程，对目标化合物响应迅速，易于微型化，适合现场检测和连续在线监测等。

An electrochemical biosensor based on two-dimensional titanium carbide and its application

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维钛碳化合物的电化学生物传感器及其应用
本专利技术属于生物传感器领域，特别是涉及一种新型二维晶体材料MXene-Ti3C2固载模式酶的电化学生物传感器，及其应用于检测水体环境样品或塑料制品、食品饮料中酚类化合物的方法。
技术介绍
酚类化合物是一种重要的化工原料，在工业制造过程中，如不及时处理工厂排放废水中的酚类化合物，将会对自然环境造成十分严重的危害。如今，含酚废水是当今世界上危害最大、污染范围最广的工业废水之一，是环境中水污染的重要来源。其中，这类污水中的酚类物质以苯酚最为常见。苯酚作为化工、焦化、煤气、制药、石油、油漆等行业排放的污水中最主要的酚类物质，因其本身具有挥发性，所以更容易造成空气污染，通过人类的呼吸系统进入人体内部，从而危害人们的身体健康。因此在我国制定的居民生活饮用水的水质标准(GB5749-2006)中就有很明确的规定：具有挥发性的酚类物质浓度应当小于0.001mg/L。由于酚类污染物对水环境具有极大的危害，对其进行准确检测的需求也日益迫切。目前，应用于检测酚类污染物的方法主要有色谱分析法、色谱-质谱联用法、分光光度法和荧光法等。然而这些传统的检测方法存在着前处理要求严格且耗时，仪器设备体积庞大且费用高，对操作人员的技术也要求非常高，而且不能实现现场快速检测等缺点。而作为新兴的电化学酶生物传感器正好可以弥补上述缺点，实现现场快速检测的需求。电化学酶生物传感器利用酶分子作为模式分子，依靠电化学信号的变化来指示检测结果。总体来说，包括以下几个方面的优势：1.酶传感器具有良好的选择性，酶分子对催化反应底物具有专一性；2.电化学酶传感器响应速度快，灵敏度高；3.传感器成本低，便于长期存储，重复使用；4.设备易于微型化，适合现场检测和连续在线监测。固载基质的选择对生物传感器的性能起着至关重要的作用。近年来，二维纳米材料作为酶的固载基质越来越受到广泛关注。其中由碳组成的纳米材料(如石墨烯、碳纳米管、介孔碳等)虽然具有较大的比表面积、良好的导电性和生物相容性，但却不易分散在水相中，导致电化学酶生物传感器的重现性较差，从而限制其应用发展。而MXene-Ti3C2作为一种新型的二维晶体纳米材料，具有类似于石墨烯的多层片状结构，较大的比表面积和良好的生物相容性，以及良好的金属导电性，此外，MXene-Ti3C2表面带有-OH官能团使其具有良好的亲水性，能够均匀的分散在水中。这些优势使其成为近年来材料领域的研究热点，并在储能储氢、催化、吸附和生物传感器等领域广泛应用。迄今为止，国内外上还没有基于MXene-Ti3C2-壳聚糖复合材料制备的酪氨酸酶电化学生物传感器用于检测酚类化合物的报道。所以针对酚类化合物的检测，专利技术了一种灵敏度高、检测限低、响应速度快、稳定性好且价格低廉的电化学酶生物传感器，可直接应用于水体样品中酚类化合物的现场快速检测，也可用于塑料制品、食品饮料中酚类化合物的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于MXene-Ti3C2修饰玻碳电极的电化学生物传感器，这种传感器具有灵敏度高、检测限低、选择性高、可靠便携、成本低、制备方法简单和长期存储稳定性好等优点，并且能够用于现场筛查检测环境污染物，尤其是水体中的酚类化合物。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：二维钛碳化合物在电化学生物传感器中的应用，所述二维钛碳化合物为MXene-Ti3C2。本专利技术还提供上述电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)将MXene-Ti3C2与水混合后，经超声预处理，得分散体系1；(2)将分散体系1与模式酶缓冲盐溶液混合，在室温下震荡混匀，得混合溶液1；(3)将成膜材料加入到所述的混合溶液1中充分混匀，得混合溶液2；所述混合溶液2中：MXene-Ti3C2浓度为0.1～2mgmL-1，模式酶浓度为1.0～5.0mgmL-1；成膜材料浓度为0.1～3.0mgmL-1；(4)取4～10μL所述混合溶液2滴加到经抛光处理的玻碳电极表面，在室温下静置晾干，得到所述电化学生物传感器。本专利技术所述的模式酶包括但不限于酪氨酸酶、双酚氧化酶、漆酶。本专利技术所述的成膜材料包括但不限于壳聚糖、琼脂糖凝胶、海藻酸钠、硅溶胶。优选地，所述MXene-Ti3C2表面带有-F，＝O或-OH。作为优选的技术方案，所述缓冲盐溶液为Na2HPO4和NaH2PO4的20～50mmol/L等摩尔浓度混合水溶液，并将pH调至6.0～7.0。优选地，所述成膜材料为壳聚糖，所述壳聚糖的脱乙酰度为75％～85％。优选地，所述玻碳电极表面的抛光处理过程为：依次用粒径分别为1、0.3、0.05μm的三氧化二铝粉末中的一种或几种将玻碳电极表面抛光，然后依次在无水乙醇和去离子水中反复超声清洗，之后用高纯氮气将电极表面吹干待用。本专利技术还提供上述任意制备方法得到的电化学生物传感器的应用，用于检测水体环境样品或塑料制品、食品饮料中的酚类化合物。优选地，所述应用通过所述电化学生物传感器检测的电流强度与酚类目标物浓度关系而得到的标准曲线，来确定样品中是否含有酚类化合物并同时确定酚类化合物的浓度。优选所述检测包括以下步骤：将所述电化学生物传感器放入空白检测溶液中，在工作电压下将已知浓度的酚类化合物中的一种或二种以上作为目标分析物连续加入到上述检测溶液中，同时进行电化学扫描并记录响应的电流-时间曲线；由于电流-时间曲线中固定时间点上检测溶液中的酚类化合物浓度可知，通过电流-时间曲线中的电流强度I和酚类目标物浓度C组成校正曲线；在工作电压下将分析水体样品加入到检测溶液中，同时进行电化学扫描并记录响应的电流强度；通过电流-时间曲线中的电流强度I和酚类目标物浓度C组成的校正曲线来计算分析样品中酚类化合物的浓度含量。优选地，所述酚类化合物包括苯酚、儿茶酚、双酚A和双酚E等酚类化合物中的一种或二种以上。本专利技术的有益效果如下：1、MXene-Ti3C2具有类似于石墨烯的二维多层片状结构，较大的比表面积和良好的生物相容性能够为酶分子的附着提供更多的活性位点以及提供保护酶分子活性的微环境，有效的提高了酪氨酸酶的生物催化活性和长期稳定性。2、壳聚糖是一种线性匀聚糖，具有良好成膜能力和生物相容性。3、MXene-Ti3C2表面带有的-OH官能团，使其具有良好的水相分散性，能够提高生物传感器的重现性和检测限。4、制备的电化学生物传感器制备价格低廉，对水样中酚类化合物的检测不需要复杂的样品前处理，操作方法简单，检测速度快，设备便携，适合现场检测。5、制备的电化学生物传感器对环境样品中尤其是水体中的酚类化合物的检测具有超高的灵敏度，能够快速、灵敏、准确、高效地评价环境水样中酚类化合物的浓度水平，与常规的色谱-质谱联用法相比，具有检出限低、检测速度快和样品前处理简单等优势。附图说明图1-1为本专利技术实施例1制备的MXene-Ti3C2的扫描电子显微镜(SEM)图；图1-2为本专利技术实施例1制备的MXene-Ti3C2的X射线衍射(XRD)图；图2为本专利技术实施例3中的不同修饰电极的电化学阻抗图谱；图3-1为本专利技术实施例4中的苯酚响应电流-时间关系曲线；图3-2为本专利技术实施例4中的苯酚响应电流强度与苯酚浓度的线性相关曲线。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。酪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.二维钛碳化合物在电化学生物传感器中的应用，所述二维钛碳化合物为MXene‑Ti3C2。

【技术特征摘要】
1.二维钛碳化合物在电化学生物传感器中的应用，所述二维钛碳化合物为MXene-Ti3C2。2.权利要求1所述电化学生物传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将MXene-Ti3C2与水混合后，经超声预处理，得分散体系1；(2)将分散体系1与模式酶的缓冲盐溶液混合，在室温下震荡混匀，得混合溶液1；(3)将成膜材料加入到所述的混合溶液1中充分混匀，得混合溶液2；所述混合溶液2中：MXene-Ti3C2浓度为0.1～2mgmL-1，模式酶浓度为1.0～5.0mgmL-1；成膜材料浓度为0.1～3.0mgmL-1；(4)取4～10μL所述混合溶液2滴加到经抛光处理的玻碳电极表面，在室温下静置晾干，得到所述电化学生物传感器。3.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述MXene-Ti3C2表面带有-F，＝O或-OH。4.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述缓冲盐溶液为Na2HPO4和NaH2PO4的20～50mmol/L等摩尔浓度混合水溶液，并将pH调至6.0～7.0。5.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述的成膜材料为壳聚糖，所述壳聚糖的脱乙酰度为75％～85％。6.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴令霞，卢宪波，陈吉平，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21