一种基于二维全碳纳米材料石墨炔的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石墨炔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石墨炔表面，再与成膜材料混合后生成复合材料，将其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石墨炔这一新型的二维全碳纳米材料的优势，如与石墨烯等二维材料类似的平面结构，较大的比较面积，较好的水相分散性以及高共轭结构，作为传感器的酶载体制备生物传感器，制备过程简单，成本低；无需复杂的样品前处理过程，对双酚类化合物的检测灵敏度高、检出限低、重现性好；对目标化合物响应迅速，易于微型化，适合点现场检测和连续在线监测等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维全碳纳米材料石墨炔的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全碳纳米材料石墨炔固载模式酶的电化学生物传感器及应用。
技术介绍
双酚A，即2,2-二(4-羟基苯基)丙烷，简称BPA，是一种含有两个酚羟基的内分泌干扰物，能够影响人类和动物的大脑、甲状腺、卵巢和生殖器官等功能。双酚A是一种重要的有机化工原料，主要用于制备环氧树脂和聚碳酸酯等多种高分子材料。环氧树脂等主要用作与食品接触的罐头和金属瓶盖的保护层及内衬，而聚碳酸酯塑料则被广泛的用来生产食品打包袋和塑料瓶。生活中随处可见的含有双酚A的生活用品，无时无刻不影响着人们的身心健康，尤其是婴儿和孕妇。目前，美国、加拿大和中国等国家，已陆续出台了相关禁止或限制双酚A使用的法律法规。欧盟于2012年禁止双酚A在婴儿食品奶瓶中使用。而近年来，通过一系列的风险评估后，欧盟修改了塑料制品中双酚A的的特定迁移限量值(SML)，由原来的0.6mg/kg修订至0.05mg/kg食品，该SML值适用于欧盟食品接触材料或物品上的清漆或涂料，同时也适用于涂漆或涂膜的材料和制品。由于双酚类化合物的大量使用而对人体造成的潜在伤害，以及为满足双酚A低SML的检测需求，因此迫切需要发展可靠、高效、灵敏、快速、价格低廉的双酚A的检测分析方法。传统的双酚A检测方法主要是基于精密仪器的，如高效液相色谱、质谱以及液质联用等。尽管这些检测方法具有检测结果准确、灵敏度高等优点，但其也存在着样品前处理步骤繁琐且耗时，仪器设备昂贵且体积庞大，需要技术娴熟的专门人员操作，且不适于在点现场实时检测等缺点。电化学酶生物传感器作为一种新兴的分析检测手段，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是由酶分子(模式分子)做为物质识别元件固定在基体电极(信号转换器)上，利用基体电极将化学信号转变为电信号，从而加以检测。电化学酶生物传感器主要包含以下几个方面的优势：1.酶分子对催化底物的单一性决定了酶传感器具有良好的选择性；2.响应灵敏度高，检测速度快；3.成本低，易于长期保存，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。为了进一步提高电化学生物传感器的响应性能，酶的固载基质的选择至关重要。二维碳纳米材料受到越来越多的关注。石墨炔作为二维全碳纳米材料家族的一员，仅含有sp和sp2两种杂化态。由于其独特的杂化(sp和sp2杂化)形式、丰富的碳化学键、高度共轭结构、较大的比表面积、良好的导电性、较高的生物相容性以及水相分散性等特点，已经成为近年来材料领域的研究热点，并在催化、能源、气体存储、生物医学和化学传感器等领域广泛应用。迄今为止，国内外上还没有基于石墨炔-壳聚糖复合材料制备的酪氨酸酶电化学生物传感器应用于检测双酚类化合物的报道。
技术实现思路
基于以上
技术介绍
，本专利技术的目的是针对双酚类化合物的检测，专利技术了一种响应速度快、灵敏度高、检出限低且价格低廉的电化学生物传感器，并可直接用于水体样品中双酚类化合物的现场快速检测，同时也可用于塑料制品、食品包装及饮料瓶中双酚类化合物的检测。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于石墨炔固载酶分子修饰玻碳电极的电化学生物传感器，这种传感器具有选择性好、灵敏度高、检测限低、成本低、制备方法简单以及设备可靠便携等优点，并且能够用于现场筛查检测环境污染物，尤其是水体中的双酚类化合物。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术一方面提供二维全碳纳米材料在电化学生物传感器中的应用，所述二维全碳纳米材料为石墨炔。即提供一种电化学生物传感器，包括酶生物识别分子和酶的固载基质，所述电化学生物传感器的固载基质为石墨炔。基于以上技术方案，优选地，所述石墨炔为由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维平面碳同素异形体。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)将石墨炔与水混合后，经超声预处理，得分散体系1，所述分散体系1的浓度为0.8～4mg/mL；(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：石墨炔浓度为0.1～1.5mg/mL，模式酶浓度为0.5～5mg/mL，成膜材料浓度为0.1～2.0mg/mL；(4)取4～10uL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、漆酶、双酚氧化酶。作为优选的技术方案，所述缓冲盐溶液为Na2HPO4·12H2O和NaH2PO4·2H2O的20～100mmolL-1等摩尔浓度混合水溶液，并将pH调制6.0～7.0。优选地，所述成膜材料为壳聚糖，所述壳聚糖是从蟹壳和/或虾壳中所获得的直链高分子聚合物，其壳聚糖脱乙酰度为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1μm、0.3μm、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、塑料制品、食品包装及饮料瓶中双酚类化合物的检测。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双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双酚类化合物并同时确定双酚类化合物的浓度。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双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双酚类化合物浓度可知，通过电流-时间曲线中的电流响应信号I和双酚类目标物浓度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-时间曲线中的电流响应信号I和双酚类目标物浓度C组成的校正曲线来计算分析样品中双酚类化合物的浓度含量。优选地，所述的双酚类化合物包括双酚A、双酚B、双酚F、双酚E和双酚Z中的一种或二种以上。有益效果(1)石墨炔具有与石墨烯等二维材料类似的平面结构，丰富的碳化学键、良好的导电性、较大的比较面积、较高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。石墨炔具有高度共轭的结构，通过π-π作用，能够富集双酚类化合物，增加待测物的局部浓度，提高生物传感器的检测限。(2)壳聚糖是一种线性匀聚物，具有良好的成膜能力和生物相容性。(3)石墨炔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出限。(4)制备的电化学生物传感器价格低廉，对水体样品中双酚类化合物的检测不需要复杂的样品前处理，操作简单，反应速度快，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学生物传感器，包括酶的固载基质，其特征在于，所述固载基质为石墨炔。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学生物传感器，包括酶的固载基质，其特征在于，所述固载基质为石墨炔。


2.根据权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述石墨炔为由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维平面碳同素异形体。


3.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)将石墨炔与水混合后，经超声预处理，得分散体系1，所述分散体系1的浓度为0.8～4mg/mL；
(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：石墨炔浓度为0.4～2mg/mL，模式酶浓度为0.5～5mg/mL，成膜材料浓度为0.1～2.0mg/mL；
(4)取所述混合溶液2滴加到玻碳电极表面，在室温下静置、晾干，得到所述电化学生物传感器。


4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于：所述模式酶的缓冲盐溶液位为将模式酶溶于缓冲盐溶液中；所述缓冲盐溶液的pH为6.0～7.0；所述缓冲盐溶液为Na2HPO4·12H2O和NaH2PO4·2H2O的等摩尔浓度混合水溶液；所述缓冲盐溶液的浓度为20～100mmol/L；所述模式酶的缓冲盐溶液中，模式酶的浓度...

【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