[發(fā)明專利]一種基于血紅蛋白和硼摻雜石墨烯量子點修飾電極的電化學(xué)生物傳感器件的制備與應(yīng)用研究

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• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107290420A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫偉;陳瑋;牛學(xué)良;李小寶;李曉燕;門永玲;李光九
• 申請（專利權(quán)）人: 海南師范大學(xué)
• 主分類號: G01N27/48
• 分類號: G01N27/48;G01N27/327;G01N27/30
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物電化學(xué)與電化學(xué)傳感領(lǐng)域，以及電化學(xué)分析領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳納米材料具有不同的形態(tài)和獨有的性質(zhì)，是近年來各學(xué)科的研究熱點；石墨烯(Graphene，GR)是由碳六元環(huán)組成的二維碳納米片，表現(xiàn)為周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu), 厚度為單原子層。 它可以翹曲成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管或堆疊成三維的石墨。由于其獨特的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，而且可以通過化學(xué)反應(yīng)改變其大小、形狀和相對sp²雜化范圍，因此可以用于進(jìn)行GR的衍生化與功能化，進(jìn)而調(diào)控其結(jié)構(gòu)與性能。GR及其衍生物在材料、能源、傳感器、轉(zhuǎn)換器和生物醫(yī)藥等方面有著廣泛的應(yīng)用。

石墨烯量子點(Graphene Quantum Dots, GQDs)通常定義為由單原子層的納米石墨片構(gòu)成的小尺寸石墨烯，為橫向尺寸小于100 nm，縱向為單層、雙層或多層的石墨納米材料。它具有強(qiáng)烈的量子限制效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，可以表現(xiàn)出獨特的結(jié)構(gòu)和光電化學(xué)性質(zhì)，以及與波長相關(guān)的熒光現(xiàn)象，使其在生物成像、醫(yī)療診斷、催化和光電池設(shè)備具有潛在的應(yīng)用價值；GODs擁有石墨烯的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點和碳量子點相比，它還具有獨有的優(yōu)異性質(zhì)，如大的比表面積、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、易于化學(xué)修飾等理化性質(zhì)。異原子摻雜是一種常用的調(diào)控納米材料性能的方法，通過化學(xué)摻雜異原子后可以有效的調(diào)節(jié)石墨烯共軛平面的電荷密度和帶寬能隙，進(jìn)而改變電子的流動密度和躍遷方式，達(dá)到調(diào)節(jié)其理化性能的目的；由于硼（B）原子的原子半徑與碳原子相接近，易于嵌入到石墨烯的結(jié)構(gòu)之中，而且B原子比C原子外層少了一個電子，表現(xiàn)出一定的缺電子性，因此會改變GODs的光電化學(xué)性質(zhì)。摻雜上異原子或功能化基團(tuán)可以賦予GQDs更優(yōu)異的理化性質(zhì)，并且不同元素?fù)诫s可以改變GQDs的結(jié)構(gòu)缺陷和表面功能基團(tuán)，調(diào)控碳原子與其相鄰的C、O和摻雜原子之間的相互作用。

血紅蛋白（Hb）是一種水溶性氧化還原型蛋白質(zhì)，其主要生物功能是儲存和運輸氧氣。它是由肽鏈、珠蛋白和血紅素組成的，相對分子質(zhì)量約為64500，其肽鏈繞成一個近似于球形的三維宏觀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的孔洞包埋著血紅素；每個血紅素又由4個吡咯環(huán)組成，環(huán)中間存在著電化學(xué)活性中心Fe^2+/3+，所以Hb經(jīng)常被選來當(dāng)作研究蛋白質(zhì)直接電化學(xué)和電化學(xué)傳感器的模型分子。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明構(gòu)建了一種新型第三代電化學(xué)酶傳感器件，克服了前兩代酶傳感器的諸多問題，例如線性范圍窄、受測定體系的限制、使用媒介體制作電極過程復(fù)雜，且介體有可能污染電極等；利用B-GQDs為電子轉(zhuǎn)移促進(jìn)劑，通過將Hb固定在B-GQDs修飾電極表面，制備出一種新型電化學(xué)生物傳感器。

為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

1.一種基于Hb在B-GQDs修飾電極上的電化學(xué)生物傳感器件的制備與應(yīng)用研究，其特征在于，包括以下步驟：

(1) 將1.6 g石墨粉和0.8 g HPPF₆混合，用研缽研磨均勻后填入玻璃電極管(Φ = 4 mm)中并壓實，插入銅線作為電極的導(dǎo)線，制得的電極即為碳離子液體電極(CILE)，使用前將電極表面在稱量紙上打磨成鏡面；

(2) 修飾電極的制備

取B-GQDs超聲分散液涂到表面已經(jīng)處理好的CILE上，自然晾干后將Hb溶液涂布到B-GQDs/CILE上，自然晾干后再涂Nafion溶液，晾干后就制得了修飾電極Nafion/Hb/B-GQDs/CILE。同樣方法制備Nafion/CILE、Nafion/Hb/CILE、Nafion/B-GQDs/CILE等修飾電極。

所述的碳離子液體電極，其特征在于，離子液體為1-己基吡啶六氟磷酸鹽(HPPF₆) 用量為0.8 g，石墨粉的用量為1.6 g。

所述的修飾電極，其特征在于，修飾材料B-GQDs的用量和濃度分別為6.0 μL和0.6 mg·mL^-1 ; Hb的用量和濃度分別為8.0 μL和15 mg·mL^-1 ；Nafion的用量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.0 μL 和 0.5 %。

所述的Hb/B-GQD復(fù)合膜，利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）研究Hb的二級結(jié)構(gòu)是否發(fā)生構(gòu)象變化。

所述的修飾電極，利用電化學(xué)交流阻抗圖譜（EIS）考察了不同修飾電極的界面電阻。

所述的Hb/B-GQDs復(fù)合膜修飾電極，采用循環(huán)伏安法（CV）考察了修飾電極表面Hb的直接電化學(xué)行為。