本發(fā)明涉及生物傳感器及酶生物燃料電池，具體涉及一種氮摻雜的碳納米管空心多面體材料、雙功能電極及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、過氧化氫(h2o2)屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，是世界衛(wèi)生組織公布的致癌物之一，經(jīng)常作為漂白劑、殺菌劑和防腐劑廣泛用于食品領(lǐng)域。然而，高濃度h2o2的運(yùn)輸和貯存具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其應(yīng)用造成了重大阻礙。h2o2可以攻擊中樞神經(jīng)系統(tǒng)，干擾遺傳分子dna的合成，并引起神經(jīng)精神疾病。在生物系統(tǒng)中，h2o2屬于活性氧(ros)的一類，主要來自于細(xì)胞呼吸、蛋白質(zhì)折疊以及各種新陳代謝的產(chǎn)物，對(duì)于維持細(xì)胞正常功能至關(guān)重要。然而，高濃度的ros會(huì)引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致器官和組織功能衰退。過量的h2o2具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，是氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)疾病的常見標(biāo)記物。因此，開發(fā)一種簡單、綠色和節(jié)能的高性能催化劑用于準(zhǔn)確、快速、靈敏地檢測h2o2具有重要意義。此外，h2o2是葡萄糖氧化酶(gox)、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶和膽固醇氧化酶等酶催化反應(yīng)的副產(chǎn)物。眾所周知，人體血糖濃度是衡量人體代謝狀態(tài)和健康的重要指標(biāo)，且高血糖癥狀是糖尿病患者最典型的特征之一。因此，開發(fā)一種靈敏度高、選擇性好且線性范圍寬的葡萄糖傳感器對(duì)于相關(guān)疾病的診斷和預(yù)防具有現(xiàn)實(shí)意義。

2、目前酶生物燃料電池的研究主要集中在新型載體材料的制備和燃料的深度氧化等方面用以改善酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移效率和提高電池的能量密度。因此，合理設(shè)計(jì)具有高導(dǎo)電性、三維多孔結(jié)構(gòu)的載體材料有利于改善酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移速率和提高酶載量，這是提高酶生物燃料電池功率密度的關(guān)鍵。同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)有利于酶分子捕獲，從而改善酶生物燃料電池的穩(wěn)定性。

3、目前，酶和電極之間的電荷轉(zhuǎn)移效率低、電極比表面積小、酶的固定難等問題是阻礙電化學(xué)傳感器和酶生物燃料電池發(fā)展的重要因素，這間接導(dǎo)致了傳統(tǒng)的h2o2和葡萄糖傳感器以及酶生物燃料電池存在穩(wěn)定性差、壽命短和成本高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種氮摻雜的碳納米管空心多面體材料、雙功能電極及其應(yīng)用，包括檢測h2o2、葡萄糖和構(gòu)建酶生物燃料電池。基于該材料的雙功能電極作為傳感器具有良好的檢出限、寬線性范圍和高靈敏度，解決了傳感器穩(wěn)定性差和成本高等問題；構(gòu)建的酶生物燃料電池具有良好的性能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種氮摻雜的碳納米管空心多面體材料，所述材料由如下方法制得：

4、(1)將具有十二面體結(jié)構(gòu)的zif-8和鈷鹽在溶劑中均勻混合，之后緩慢加入2-甲基咪唑溶液反應(yīng)，得到具有核殼結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料zif-8@zif-67；zif-8、2-甲基咪唑、鈷鹽的用量比為0.2～0.5g:5～10g:9～27mmol；最優(yōu)選為0.25g:5.634g:27mmol；

5、(2)將所述前驅(qū)體材料zif-8@zif-67在惰性氣體中高溫?zé)峤猓笏嵯?，再洗至中性，即得所述氮摻雜的碳納米管空心多面體材料(ncnhp)。

6、本發(fā)明所使用的氮摻雜的碳納米管空心多面體材料，其前驅(qū)體材料具有核殼結(jié)構(gòu)，并保留了原料zif-8的十二面體結(jié)構(gòu)，具有高度對(duì)稱性、較強(qiáng)的晶格和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，并且高孔隙率和多介孔使得ncnhp與酶結(jié)合時(shí)具有良好的生物相容性。同時(shí)，由于采用了特定的配體2-甲基咪唑與鈷元素的配比，在保持了十二面體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提供了更多的活性位點(diǎn)，從而使得制得的氮摻雜的碳納米管空心多面體材料表面產(chǎn)生更多和更長的氮摻雜碳納米管，這有利于提升電極表面的電子傳遞速率和增加反應(yīng)活性位點(diǎn)，同時(shí)中空狀的材料和大量存在的氮摻雜碳納米管提高了傳質(zhì)效率。此外，氮摻雜的碳納米管空心多面體材料表面分布的氮摻雜碳納米管還有利于葡萄糖氧化酶的負(fù)載，氮摻雜碳納米管作為納米導(dǎo)線促進(jìn)了酶活性中心位點(diǎn)與電極表面的電子傳遞，吡啶n、吡咯n和co-nx的存在有利于促進(jìn)氧分子的吸附，強(qiáng)化非酶陰極的氧還原反應(yīng)。因此，基于本發(fā)明的氮摻雜的碳納米管空心多面體材料構(gòu)建的電極，在檢測h2o2、葡萄糖和構(gòu)建酶生物燃料電池方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

7、優(yōu)選的，步驟(1)中所述的具有十二面體結(jié)構(gòu)的zif-8由如下方法制得：

8、(0)將2-甲基咪唑和鋅鹽在溶劑中均勻混合反應(yīng)，獲得zif-8。

9、優(yōu)選的，步驟(0)中2-甲基咪唑、鋅元素和溶劑的用量比為50～100mmol:5～50mmol:80～100ml；更優(yōu)選的用量比為80mmol:5mmol:100ml。

10、優(yōu)選的，步驟(0)中所述鋅鹽為醋酸鋅。

11、優(yōu)選的，步驟(0)中所述溶劑為水。

12、優(yōu)選的，步驟(0)還包括將反應(yīng)產(chǎn)物離心、干燥的步驟。干燥的溫度為50～70℃。

13、優(yōu)選的，步驟(1)中所述的溶劑為甲醇。

14、優(yōu)選的，步驟(1)中所述的2-甲基咪唑溶液的溶劑為甲醇。

15、優(yōu)選的，步驟(1)中所述的鈷鹽為硝酸鈷。

16、優(yōu)選的，步驟(1)中所述均勻混合的方法為超聲處理。超聲的時(shí)間優(yōu)選為3～6min。

17、優(yōu)選的，步驟(1)中所述的反應(yīng)的溫度為20～30℃。

18、優(yōu)選的，步驟(1)還包括將所述前驅(qū)體材料zif-8@zif-67離心、烘干的步驟。

19、優(yōu)選的，步驟(2)中所述的惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

20、優(yōu)選的，步驟(2)中所述的高溫?zé)峤鉃椋?/p>

21、以2～10℃/min的加熱速率升溫至900～960℃，熱解1.5～2.5h。更優(yōu)選的，所述的高溫?zé)峤鉃椋阂?℃/min的加熱速率升溫至920℃，熱解2h。

22、優(yōu)選的，步驟(2)中所述的酸洗為用1m?h2so4浸泡1～5h。更優(yōu)選的，所述的浸泡時(shí)間為2h。

23、本發(fā)明第二目的在于提供一種雙功能電極，所述雙功能電極表面修飾上述氮摻雜的碳納米管空心多面體材料。

24、所述雙功能電極由如下方法制得：

25、(a)將氮摻雜的碳納米管空心多面體材料(ncnhp)在水中制成混懸液，之后滴涂于清潔、干燥的玻碳電極(gce)表面，干燥后再向電極表面滴涂nafion溶液，干燥后即得所述雙功能電極(ncnhp/gce)。

26、優(yōu)選的，所述nafion溶液的濃度為0.5wt％。

27、本發(fā)明第三目的在于提供所述雙功能電極在h2o2檢測中的應(yīng)用。

28、本發(fā)明第三目的在于提供一種葡萄糖傳感器，所述葡萄糖傳感器為表面修飾有上述氮摻雜的碳納米管空心多面體材料和葡萄糖氧化酶(gox)的電極。

29、所述葡萄糖傳感器由如下方法制得：

30、(b)將氮摻雜的碳納米管空心多面體材料(ncnhp)在水中制成混懸液，之后滴涂于清潔、干燥的玻碳電極(gce)表面，干燥后，再將葡萄糖氧化酶(gox)溶液滴涂至電極表面，干燥后再向電極表面滴涂nafion溶液，干燥后即得所述葡萄糖傳感器(ncnhp/gox/gce)。

31、本發(fā)明第四目的在于提供一種酶生物燃料電池，所述酶生物燃料電池的陽極為修飾有上述氮摻雜的碳納米管空心多面體材料和葡萄糖氧化酶(gox)的親水碳材料，或所述酶生物燃料電池的陰極為修飾有上述氮摻雜的碳納米管空心多面體材料的親水碳材料。

32、所述陽極由如下方法制得：

33、(c)將氮摻雜的碳納米管空心多面體材料(ncnhp)在水中制成混懸液，之后滴涂于清潔、干燥的親水碳材料表面，干燥后，再將葡萄糖氧化酶(gox)溶液滴涂至親水碳材料表面，干燥后再向親水碳材料表面滴涂nafion溶液，干燥后即得所述陽極。

34、所述陰極由如下方法制得：

35、(d)將氮摻雜的碳納米管空心多面體材料(ncnhp)在水中制成混懸液，之后滴涂于清潔、干燥的親水碳材料表面，干燥后再向親水碳材料表面滴涂nafion溶液，干燥后即得所述陰極。

36、優(yōu)選的，所述親水碳材料為親水碳紙(cp)。更優(yōu)選的，所述親水碳紙為1×1cm的規(guī)格。

37、優(yōu)選的，所述酶生物燃料電池的陰陽極室之間采用nafion?211膜分隔，陽極液為n2飽和的含有葡萄糖的緩沖溶液，陰極液為o2飽和的緩沖溶液。陽極液中葡萄糖的濃度為100mm。

38、優(yōu)選的，所述緩沖溶液為0.1m?pbs緩沖液ph＝7.4。

39、優(yōu)選的，ncnhp的混懸液濃度為4～6mg/ml，滴涂在電極或親水碳材料表面的修飾體積為10μl；nafion溶液滴涂在電極或親水碳材料表面的修飾體積為5μl；優(yōu)選的ncnhp混懸液濃度為5mg/ml。

40、優(yōu)選的，所述的葡萄糖氧化酶(gox)溶液濃度為20mg/ml，滴涂在電極或親水碳材料表面的修飾體積為4～10μl；優(yōu)選的葡萄糖氧化酶溶液滴涂體積為6μl。

41、葡萄糖傳感器或酶生物燃料電池的計(jì)時(shí)-電流法測試過程中使用ph為7.4的0.1mpbs溶液，工作電位為0.6v，對(duì)電極為鉑絲電極，參比電極為ag/agcl電極。

42、線性掃描伏安法測試酶生物燃料電池性能時(shí)掃速為10mv/s。

43、本發(fā)明制得的雙功能電極作為h2o2傳感器的檢測范圍為0.02～15.1mm，靈敏度為364.18μamm-1cm-2，檢出限為0.12μm；葡萄糖傳感器檢測范圍為0.02～46.6mm，靈敏度為95.64μamm-1cm-2，檢出限為0.54μm；酶生物燃料電池最大開路電壓為0.423v，最大功率密度為3.70μw/cm-2。

44、本發(fā)明采用zif-8@zif-67核殼結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料高溫?zé)峤庵苽鋘cnhp納米材料，ncnhp表面分布著大量的碳納米管，有利于提升電極的電子轉(zhuǎn)移速率，并且ncnhp具有大比表面積、高孔隙率和豐富的活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，對(duì)提升傳感器的靈敏度和線性范圍以及構(gòu)建高性能酶生物燃料電池起著重要作用。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：

46、本發(fā)明采用核殼結(jié)構(gòu)的zif-8@zif-67作為前驅(qū)體，其含有豐富的碳和氮配體，在高溫?zé)峤膺^程中co催化促進(jìn)生成碳納米管，形成n摻雜的碳納米管空心多面體(ncnhp)。并且ncnhp還具備著一定的氧還原能力。因此，基于該核殼結(jié)構(gòu)的mof衍生碳構(gòu)筑傳感器和酶生物燃料電池，可以在很大程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

47、(1)本發(fā)明制備的ncnhp納米材料表面分布著大量的碳納米管，在提供大量活性位點(diǎn)的同時(shí)極大促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移速率。

48、(2)基于ncnhp納米材料構(gòu)建的h2o2傳感器和葡萄糖傳感器具有很寬的線性范圍，其線性范圍分別為0.02～15.1mm和1～54mm。

49、(3)基于ncnhp納米材料構(gòu)建的h2o2傳感器對(duì)h2o2和葡萄糖具有很高的靈敏度，得到的電流響應(yīng)與h2o2濃度線性相關(guān)方程為y＝25.49227ch2o2+6.72505，r2＝0.997，檢出限為0.12μm；葡萄糖傳感器得到的電流響應(yīng)與葡萄糖濃度線性相關(guān)方程為y＝5.50038cglucose+2.05339，r2＝0.999，檢出限為0.54μm。

50、(4)本發(fā)明制備的ncnhp納米材料可同時(shí)用于陰陽極材料構(gòu)建酶生物燃料電池，得到的最大開路電壓為0.423v，最大功率密度為3.70μw/cm-2。

51、(5)相比其他金屬摻雜的基于mof的表面修飾碳納米管材料，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)單金屬co的比例獲得n錨定的分散單原子，制造了足夠可用的單金屬活性位點(diǎn)，相比多金屬而言，單金屬co摻雜的材料除了具有吡啶n、吡咯n和石墨n，還生成更多的co-nx，而co-nx是氧還原反應(yīng)最有效的活性位點(diǎn)之一。此外，還具備合成簡便易控制且原料成本更低等優(yōu)點(diǎn)。

52、(6)本發(fā)明并未采用昂貴的貴金屬納米材料，具有原材料低廉、制備簡單和使用簡便等優(yōu)點(diǎn)，具備良好的應(yīng)用前景。