一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用，碳基电化学传感器的制备方法包括以下步骤：1)对疏水碳纸进行预处理，之后利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，得到CP/rGO电极；2)在CP/rGO电极的表面滴涂dsDNA溶液，之后进行烘干，得到CP/rGO/DNA碳基电化学传感器，该碳基电化学传感器用于检测水环境中重金属铅离子的浓度。与现有技术相比，本发明专利技术利用DNA与铅离子之间能够特异性结合的特性，提高了传感器的灵敏度和选择性，并利用rGO与DNA之间的π

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用


[0001]本专利技术属于环境污染物分析及重金属离子检测
，涉及一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用。

技术介绍

[0002]重金属离子污染在当今世界已经引起了广泛的关注，尤其是铅离子，含铅材料被广泛应用于各种日常生活与工业生产用品的制造中，例如颜料、铅蓄电池、煤炭燃烧等。我国《生活饮用水卫生标准》中规定饮用水中铅含量不超过0.01mg/L，与世界卫生组织的规定一致。铅不仅会对环境造成严重污染，也会损害人体健康，尤其是儿童。联合国儿童基金会联合Pure Earth组织在2020年7月发布的报告中提到，大约有三分之一的儿童(以全球范围来看高达八亿)血铅含量达到或超过5μg/dL，这会导致儿童智力低下，有行为、学习障碍，并对脑和神经系统造成不可逆转的伤害。因此，探究对于铅离子的高灵敏度、高选择性的检测与控制具有重要的研究意义和应用价值。
[0003]目前，铅离子的分析检测方法主要包括光谱法、比色法、质谱法等，但他们都有一定的缺点，例如需要专业的仪器、复杂的样品预处理过程、分析周期较长等不足之处。而电化学方法具有成本更低、便携性好、稳定性好、响应时间短等优点，适合用于实时检测。同时，基于DNA和DNAzyme的生物分子适合用于重金属离子的检测，因为它们具有良好的生物降解性和对重金属离子的高选择性。然而，如何增大检测信号和灵敏度，成为了电化学方法检测铅离子的瓶颈。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用。本专利技术对铅离子具有高灵敏度、高选择性，且操作简单。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0007]1)对疏水碳纸进行预处理，之后利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，得到CP/rGO电极；
[0008]2)在CP/rGO电极的表面滴涂dsDNA溶液，之后进行烘干，得到CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。
[0009]其中，CP为疏水碳纸，rGO为还原氧化石墨烯。
[0010]进一步地，步骤1)中，所述的疏水碳纸的预处理过程为：依次用乙醇、水对疏水碳纸进行超声清洗(分别清洗5min)，干燥后再用绝缘胶对疏水碳纸的非沉积区域进行封闭。
[0011]进一步地，步骤1)中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯的过程为：将预处理后的疏水碳纸浸入氧化石墨烯悬浮液中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，之后洗去疏水碳纸表面粘附的不稳定的氧化石墨烯，并进行干燥。
[0012]进一步地，电沉积过程中，扫描范围为
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0.96V至0.78V，扫速为0.05
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0.15V/s，扫描4
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6圈。
[0013]进一步地，所述的氧化石墨烯悬浮液的配制过程为：向磷酸缓冲液(PBS)中加入氧化石墨烯，之后超声分散1
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2h，得到0.4
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0.6mg/mL的均匀悬浮液，即为所述的氧化石墨烯悬浮液。
[0014]进一步地，步骤2)中，所述的dsDNA溶液的浓度为80
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100μg/mL，所述的烘干为红外烘干。dsDNA溶液优选为dsDNA的水溶液。
[0015]一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器，该碳基电化学传感器采用所述的方法制备而成。
[0016]一种碳基电化学传感器的应用，所述的碳基电化学传感器用于检测水环境中重金属铅离子的浓度。
[0017]一种检测水环境中重金属铅离子浓度的方法，该方法基于所述的碳基电化学传感器，所述的方法为：使用三电极体系，将碳基电化学传感器作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极，采用差分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)对水环境中的铅离子进行检测。
[0018]进一步地，先在搅拌条件下恒电位沉积一系列不同浓度的铅离子标准缓冲液(沉积电位
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0.1V，沉积时间360s)，之后在不含铅离子的空白缓冲液中溶出(溶出电位扫描范围为
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0.8V至0V)，得到阳极溶出峰电流，根据阳极溶出峰电流的大小与铅离子标准缓冲液中的铅离子浓度绘制工作曲线，利用绘制的工作曲线，对水环境中的铅离子进行检测。
[0019]对本专利技术中的碳基电化学传感器进行选择性测定，方法为：将其他含干扰离子的溶液加入到含有铅离子的PBS缓冲溶液中，采用上述同样方法、在相同条件下进行DPASV测定，研究铅离子阳极溶出特征峰电位和峰电流的变化，考察简便碳基电化学传感器的选择性能。其中，干扰离子为镍离子、钴离子、锌离子、铜离子、镉离子、镁离子、钙离子、铁离子或铬离子。
[0020]差分脉冲阳极溶出伏安法通过在阶梯波基准电势中加入短脉冲，并以脉冲前后的电流差值作为信号，降低了背景电流，提高了灵敏度。阳极溶出伏安法中各金属离子的溶出峰电位不同，溶出峰电流与离子浓度成正比，为目标物的实时检测提供了有效快捷的平台。
[0021]研究发现，使用普通的dsDNA就能特异性吸附铅离子使信号增强，不需要借助特殊的DNA序列，这样可以减少修饰的步骤和成本。因此，增大检测信号和灵敏度的关键因素便在于如何实现DNA分子在电极基底上高通量、高稳定的负载。本专利技术在疏水碳纸表面采用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯(rGO)以提高碳纸的导电性并促进后续DNA的负载，再通过DNA与rGO之间的π
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π堆积和疏水作用将DNA稳定组装到CP/rGO电极上，制得CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。本专利技术既利用了DNA与铅离子之间能够特异性结合的特性，提高了传感器的灵敏度和选择性，同时利用了rGO与DNA之间的π
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π堆积和疏水作用有效增大DNA的负载量。检测时，采用差分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)的阳极溶出峰电流为定量检测依据，能够有效增强检测的灵敏度，检测限低至1pM，检测方法快速简便，可用于痕量重金属铅离子的检测分析。因此，本专利技术将差分脉冲阳极溶出伏安法、rGO和dsDNA结合，构筑用于检测铅离子的碳基电化学传感器，获得了良好的检测灵敏度和选择性。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[0023]1)本专利技术将dsDNA作为识别原件，利用rGO与DNA之间的π
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π堆积和疏水作用增大DNA的负载量，通过滴涂法直接修饰DNA，操作过程简单、不需要对电极进行额外处理，在检测过程中能够实现对目标铅离子的特异性结合，有效提高了传感器的选择性和灵敏度，检测限低至1pM，可用于环境中水样的实时分析及定性定量检测。
[0024]2)本专利技术以碳纸作为基底材料，碳纸是一种由碳纤维交错排列而形成的三维网状材料，能够提供稳定的负载性能，可以用于制备成本低、构筑简单、一次性使用的电极。
[0025]3)引入差分脉冲阳极溶出伏安法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)对疏水碳纸进行预处理，之后利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，得到CP/rGO电极；2)在CP/rGO电极的表面滴涂dsDNA溶液，之后进行烘干，得到CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。2.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的疏水碳纸的预处理过程为：依次用乙醇、水对疏水碳纸进行超声清洗，干燥后再用绝缘胶对疏水碳纸的非沉积区域进行封闭。3.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯的过程为：将预处理后的疏水碳纸浸入氧化石墨烯悬浮液中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，之后洗去疏水碳纸表面粘附的不稳定的氧化石墨烯，并进行干燥。4.根据权利要求3所述的一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，其特征在于，电沉积过程中，扫描范围为
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0.96V至0.78V，扫速为0.05
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0.15V/s，扫描4
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6圈。5.根据权利要求3所述的一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯悬浮液的配制过程为：向磷酸缓冲液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘梅川，张紫薇，袁禁，郑慧玲，孙欢欢，赵国华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：