專利名稱：一種SnO₂基電化學(xué)生物芯片及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種SnO2基電化學(xué)生物芯片，同時還涉及一種該SnO2基電化學(xué)生物芯片的制備方法，同時還涉及其在乙烯利殘留檢測方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
乙烯利(ethephon)在植物體內(nèi)可分解產(chǎn)生乙烯，促進(jìn)果實(shí)成熟，被作為催熟劑廣泛用于蔬菜、水果等農(nóng)作物中。根據(jù)農(nóng)藥毒性分級標(biāo)準(zhǔn)，乙烯利屬于低毒植物生長調(diào)節(jié)劑(LD50為4290mg/kg，大鼠，經(jīng)口)(何瑞，等，植物生長調(diào)節(jié)劑使用中的安全問題，2003)。臨床醫(yī)學(xué)研究表明，一定濃度的乙烯利可引起局部及腦、腎損害(陳裕盛，等，植物刺激劑乙烯利劑急性中毒三例報告，1989)。因此，長期食用含有乙烯利殘留超標(biāo)的果蔬，會起消費(fèi)者慢性中毒或病變，對消費(fèi)者具有潛在的致癌、致畸及其它多方面的不利影響。
盡管，國內(nèi)外對果蔬中乙烯利的殘留提出了嚴(yán)格的限量要求，并對催熟劑殘留量的檢測進(jìn)行了大量的研究，但是我國截至目前還沒有頒布相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)及檢測手段。因此，難以對菜農(nóng)使用催熟劑進(jìn)行有效監(jiān)控，造成濫用、盲目違規(guī)使用催熟劑，為盡快制定催熟劑檢測國家標(biāo)準(zhǔn)，研究先進(jìn)的催熟劑檢測方法尤為必要。納米SnO2是一種典型的n型半導(dǎo)體材料，具有比表面積大、高活性、低熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，進(jìn)而具有很好的電性能、催化性能和光學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于氣敏元件、半導(dǎo)體元件、電極材料、催化劑以及太陽能電池等方面。近年來，納米SnO2作為電化學(xué)傳感器和生物傳感器材料也有報道，如將SnO2涂覆在導(dǎo)電玻璃上可作為葡萄糖生物傳感器進(jìn)行使用(liao, C，etal, sensorrs and actuators B-chemical, 2007);而復(fù)合有 SnO2 納米材料的石墨電極也可作為DNA芯片的敏感膜(Muti Mihrican, etal, colloids and surfacesB-biointerfaces, 2011);采用電化學(xué)沉積所制備出SnO2納米薄膜具有良好的DNA固定性質(zhì)(Chu Deffei, etal, chemical engineering journal, 2011)。但 SnO2 作為食品安全檢測生物芯片方面的應(yīng)用未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述乙烯利殘留問題，本發(fā)明的目的在于提供一種SnO2基電化學(xué)生物芯片。本發(fā)明的目的還在于提供了一種SnO2基電化學(xué)生物芯片的制備方法及其應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案采用了一種SnO2基電化學(xué)生物芯片，其所述的生物芯片中的采用三電極體系，以制備的SnO2-硅復(fù)合電極作為工作電極，AgAgCl電極作為參比電極，Pt電極作為輔助電極。本發(fā)明的技術(shù)方案還采用了一種SnO2基電化學(xué)生物芯片的制備方法，包括以下步驟(I)液相直接沉淀法制備納米SnO2將NaOH溶液和SnC14 5H20溶液進(jìn)行水解反應(yīng)，然后進(jìn)行離心、干燥即得固體粉末的 SnO2 ； (2)采用旋涂法將SnO2納米顆粒涂覆在硅片表面，作為乙烯利檢測芯片敏感膜，組裝為SnO2-硅復(fù)合電極，并完成SnO2基電化學(xué)生物芯片的組裝。所述步驟(2)中乙烯利溶液配制濃度為3. 58X 10-12mol/L。本發(fā)明的技術(shù)還采用了一種生物芯片在對乙烯利殘留檢測中的應(yīng)用；乙烯利的檢測包括以下步驟(I)制備鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀電解質(zhì)溶液作為溶劑，配制乙烯利溶液；
(2)乙烯利吸附行為通過電化學(xué)交流阻抗譜法對乙烯利吸附行為進(jìn)行測試。本發(fā)明采用液相直接沉淀法制備出納米SnO2材料，并通過旋涂法將納米材料涂覆在硅電極上，而由電化學(xué)交流阻抗圖譜得知，SnO2-硅復(fù)合電極在生物緩沖溶液具有良好的穩(wěn)定性。當(dāng)緩沖溶液中存在乙烯利時，由于乙烯利分子上帶有磷酸基團(tuán)，可與SnO2表面生 成穩(wěn)定的共價鍵，進(jìn)而牢固地吸附在SnO2表面上。因此，在乙烯利吸附后，XPS譜圖出現(xiàn)了強(qiáng)烈的元素P信號。通過相關(guān)軟件對電化學(xué)交流阻抗圖譜進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，SnO2納米改善了硅電極的導(dǎo)電性，導(dǎo)致Rct值的降低，而當(dāng)吸附上乙烯利后，有機(jī)小分子覆蓋在復(fù)合電極表面，阻礙了電荷的轉(zhuǎn)移，致使Ret的增加。當(dāng)乙烯利濃度低達(dá)3. 58pM時，采用電學(xué)交流阻抗法依然可以檢測到Rrf的變化，從而實(shí)現(xiàn)了對催熟劑乙烯利分子的靈敏快速檢測。這一結(jié)果為納米材料作為食品安全檢測傳感器提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。


圖I :Sn02納米顆粒的XRD圖譜；圖2 :a為固體粉末SnO2的SEM圖；b為固體粉末SnO2的TEM圖；圖3 :在硅電極上組裝后在緩沖溶液中不同時間下的電化學(xué)交流阻抗圖；圖4 :硅電極、SnO2組裝后復(fù)合電極以及乙烯利小分子吸附后復(fù)合電極在Fe (CN)6-/Fe (CN)6-氧化還原劑中的交流阻抗曲線；圖5 :圖a、圖b和圖c均為采用XPS對吸附有乙烯利的SnO2納米材料表面化學(xué)成分分析圖；圖6 =SnO2電化學(xué)傳感器構(gòu)成簡略圖。
具體實(shí)施例方式下述為主要的試驗(yàn)試劑和儀器結(jié)晶四氯化錫(SnCl4 *5H20):分析純，天津科密歐化學(xué)試劑公司；氫氧化鈉(NaOH):分析純，天津試劑三廠；無水乙醇(C2H5OH):分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；乙烯利(2-氯乙基膦酸，C2H6ClO3P) :90%，Alfa Aesar ;去離子水電阻率大于18. 2MQ cm,自制；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF_101D,鞏義市予華儀器有限公司；低速管式離心機(jī)TDL80-2C，上海安亭儀器公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)DHG-9146A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電子天平EL104，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；臺式勻膠機(jī)Kw-4A，中國科學(xué)院微電子中心；馬弗爐SRJS41-13，北京中興偉業(yè)儀器有限公司。下面結(jié)合以下實(shí)施例做進(jìn)一步的說明。實(shí)施例I(I)液相直接沉淀法制備納米SnO2
稱取2. 698g NaOH，加75ml去離子水配置成0. 9mol/L的NaOH溶液，標(biāo)記為溶液A ；稱取5. 522g SnCl4 5H20，加25ml去離子水配制成0. 63mol/L的SnCl4 5H20溶液，標(biāo)記為溶液B ;把B溶液用滴管逐滴滴加到A溶液中，在滴加時候把A溶液放入恒溫磁力水浴鍋，80°C水解45min，期間不停的磁力攪拌，使其更好的混合均勻和水解反應(yīng)，待水解完成后取出燒杯，室溫自然冷卻至30°C左右，取下層乳白色懸濁液裝入離心管，離心機(jī)離心，4000r/min，離心5min ;取下層乳白色沉淀于小燒杯中，用無水乙醇清洗至少5次，直到檢測不到Cl-離子的存在；然后把乳白色沉淀放入干燥箱中，60°C真空干燥IOh得白色粉末，取出白色粉末，在高溫室馬弗爐內(nèi)700°C高溫煅燒180min，得到白色粉末，即SnO2 ；2)采用旋涂法將SnO2納米顆粒涂覆在硅片表面，作為乙烯利檢測芯片敏感膜，組裝為Sn02-硅復(fù)合電極，并完成SnO2基電化學(xué)生物芯片的組裝。乙烯利的檢測首先，制備出磷酸鹽緩沖溶液，分別將23. 88g Na2HPO4 12H20，9. 08g KH2PO4溶解于IOOOmL去離子水中，作為母液待用；用作電解質(zhì)溶液時，在IOOmLPBS溶液中再加入0. 08gNaCl和0. 02g KCl即可；制備出鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀電解質(zhì)溶液，將6. 59gK3Fe (CN) 6，8. 45g K4Fe(CN)6 3H20,1. 17g NaCl 溶解于上述 IOOmL PBS 溶液中。其次，用鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀電解質(zhì)溶液作為溶劑，配制濃度為3.58X10_12mol/L的乙烯利溶液。乙烯利吸附行為通過電化學(xué)交流阻抗譜法(EIS)測試。用鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀溶液為電解質(zhì)，測試的頻率范圍為采用三電極體系，以制備的SnO2-硅復(fù)合電極作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，Pt電極作為輔助電極。下述為試驗(yàn)中跟蹤測試的儀器及材料性能說明
實(shí)驗(yàn)中所用到的XRD儀器為德國制造的D8 Advance型X射線衍射儀，掃描2 0角為1(T80°，通過掃描得到波形圖。而所采用的掃描電子顯微鏡為日本產(chǎn)的JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡，分辨率小于3. 0nm(30kV,高真空，鎢燈絲，二次電子)；小于4. Onm(鎢燈絲，背散射電子)；加速電壓最小范圍:0. 5 30KV，IOV/步；放大倍數(shù)范圍:20 300，000倍;高真空度1. 5 X KT3Pa ;低真空度:6 270Pa ;能譜儀Si (Li)探測器分辨率優(yōu)于133eV ;能譜探測器的有效面積10mm2 ;能譜元素分析范圍B5 U92。實(shí)驗(yàn)所采用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)為日本JEOL生產(chǎn)的JEM-2100 (UHR)型HRTEM ;加速電壓80-200KV ;最高放大倍數(shù)150萬倍；分辨率點(diǎn)分辨率為0. 19nm,晶格分辨率為0. 14nm。實(shí)驗(yàn)所采用電化學(xué)阻抗測試CHI600D電化學(xué)平臺，三電極體系；數(shù)據(jù)分析采用ZvieW解析軟件；正弦波電位幅值為±10mV，測試頻率Im Hz IOOkHz ;電化學(xué)阻抗測試在恒定電位下進(jìn)行，配置好的鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀溶液為電解質(zhì)。跟蹤測試的試驗(yàn)結(jié)果I. SnO2納米顆粒的晶格結(jié)構(gòu)和形貌分析從SnO2納米顆粒的XRD圖譜用以分析SnO2納米顆粒的相組成(圖I)，結(jié)果顯示在26.7°、33.9°、38。、51. 8。四個主要峰值，分別對應(yīng)于四方金紅石的(110)、(101)、(200)和(211)四個晶面。從固體粉末SnO2的SEM圖(圖2a)，放大倍數(shù)為5000倍，可以看出，粒子大量聚集在一起形成泡沫狀蓬松有孔結(jié)構(gòu)。而從TEM圖中則能看出(圖2b)，納米SnO2粒子成不規(guī)則球晶結(jié)構(gòu)，向不同的面非定向生長，其平均粒子大概在20nm。2. SnO2-硅復(fù)合電極在緩沖溶液的穩(wěn)定性圖3表示旋涂有SnO2納米材料的娃電極在緩沖溶液中其交流阻抗譜圖,從圖中可以看出，圖中曲線半徑雖然在IOh內(nèi)有所增加，但并不明顯。這說明SnO2納米層在硅基體能夠很好的吸附。實(shí)際上，SnO2納米粒子和硅片直接有可能產(chǎn)生共價鍵結(jié)合，從而使SnO2能夠穩(wěn)定地固定在娃電極表面，而在溶液中也表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性。3.采用電化學(xué)交流阻抗法測試乙烯利在SnO2納米顆粒表面的吸附電化學(xué)交流阻抗法可以靈敏地測試出小分子吸附前后復(fù)合電極界面電荷轉(zhuǎn)移常數(shù)的變化，經(jīng)常在電化學(xué)生物芯片的檢測方面使用?？梢钥闯鰣D4中曲線半圓半徑在SnO2納米顆粒組裝上之后變小了，而在乙烯利吸附后，則又變大。這種變化說明了復(fù)合電極和溶液之間界面電子轉(zhuǎn)移常數(shù)(RJ發(fā)生了變化。其數(shù)值的大小可以通過修改的Randles和Ershler模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行等效電路圖模擬得到，如圖中所示，等效電路圖包括溶液電阻 (Rs)、常相位元素(CPE)和界面轉(zhuǎn)移電阻(Ret)。表列出硅電極在SnO2組裝后以及乙烯利吸附前后的各個模擬參數(shù)值。對于硅電極，Ret為83. 9K Q，而組裝上SnO2后，其值減少為4KQ,乙烯利吸附后，又增加至15. 8KQ。這是因?yàn)樵诠桦姌O上組裝上SnO2納米材料后，其復(fù)合電極的導(dǎo)電性增強(qiáng)，增強(qiáng)了電荷之間的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致Rct降低，而在吸附乙烯利后，有機(jī)小分子覆蓋在復(fù)合電極表面，阻礙了電荷的轉(zhuǎn)移，致使Rrf的增加，正是由于界面電荷轉(zhuǎn)移常數(shù)的變化可以對溶液中乙烯利的存在進(jìn)行靈敏地檢測，此實(shí)驗(yàn)中所采用的乙烯利濃度為
3.58pM0表I圖4中所示交流阻抗曲線各個模擬參數(shù)值
RsCPElnlRctl
Si-628.044. 38E-08 0. 79153 83864
Si-SnO2-Il13717.45E-06 0.886324012
Si-SnO2-乙烯利 -6380. II. 57E-06 0. 7417157574.吸附乙烯利后SnO2納米顆粒表面化學(xué)結(jié)構(gòu)分析采用XPS對吸附有乙烯利的SnO2納米材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，如圖5所示。乙烯利小分子在SnO2吸附后，會引起材料表面化學(xué)組成的變化。乙烯利分子結(jié)構(gòu)中含有P元素，因此可將材料表面是否含有P元素作為乙烯利吸附的證據(jù)。在圖(a)中所顯示出的兩個峰486. 96 eV和495. 5 eV分別對應(yīng)于Sn(IV)的Sn 3d5/2和Sn 3d3/2。而在(b)中，Cls圖譜可以分解為284. 8 eV、285. 65 eV和288 eV三個峰，分別對應(yīng)于C_C、C-OH和C=O鍵和方式。而在圖(c)中，可以看出有明顯的元素P信號，對其圖譜進(jìn)行分解，則可分解成133. 4eV和134. 5 eV，分別對應(yīng)于P元素的2p3/2和2p1/2電子峰值。因此，結(jié)果表明，低濃度的乙烯利小分子可以成功吸附在SnO2納米材料表面。5.乙烯利吸附機(jī)理分析小分子在材料表面的吸附作用力主要包括共價鍵結(jié)合力、靜電吸附力和范德華作用力等類型，其中以共價鍵結(jié)合力最為穩(wěn)定，我們也以此為依據(jù)來設(shè)計SnO2電化學(xué)傳感器。將SnO2納米顆粒分散后旋涂在硅基體上時，SnO2和硅基體之間產(chǎn)生共價鍵，使SnO2分子能夠穩(wěn)定在硅基體上，這可從SnO2穩(wěn)定的電化學(xué)性質(zhì)得到證實(shí)(見圖6)。而當(dāng)溶液中存在 乙烯利小分子時，乙烯利分子上的磷酸基團(tuán)可能以兩種鍵合方式固定在SnO2表面上(如圖6(b)和(c))，使得小分子能夠穩(wěn)定吸附在納米表面。
權(quán)利要求
1.一種SnO2基電化學(xué)生物芯片，其特征在于，所述的生物芯片中的采用三電極體系，以制備的SnO2-硅復(fù)合電極作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，Pt電極作為輔助電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的SnO2基電化學(xué)生物芯片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)液相直接沉淀法制備納米SnO2 將NaOH溶液和SnC14 5H20溶液進(jìn)行水解反應(yīng)，然后進(jìn)行離心、干燥即得固體粉末的SnO2 ； (2)采用旋涂法將SnO2納米顆粒涂覆在硅片表面，作為乙烯利檢測芯片敏感膜，組裝 為SnO2-娃復(fù)合電極,并完成SnO2基電化學(xué)生物芯片的組裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中乙烯利溶液配制濃度為 3. 58Xl(T12mol/L。
4.一種如權(quán)利要求I所述的SnO2基電化學(xué)生物芯片在對乙烯利殘留檢測中的應(yīng)用。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征在于，乙烯利的檢測為(I)制備鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀電解質(zhì)溶液作為溶劑，配制乙烯利溶液；(2)乙烯利吸附行為通過電化學(xué)交流阻抗譜法對乙烯利吸附行為進(jìn)行測試。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種SnO2基電化學(xué)生物芯片及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明采用液體直接沉淀法制備出球狀SnO2納米材料，采用旋涂法將SnO2納米顆粒涂覆在硅片表面形成SnO2-硅復(fù)合電極，并將其作為敏感膜組裝成乙烯利殘留檢測的生物檢測芯片。在過程中采用電化學(xué)交流阻抗法(EIS)考察了SnO2納米薄膜在緩沖溶液中的穩(wěn)定性和乙烯利吸附前后電化學(xué)性質(zhì)的變化，又采用了光電子能譜(XPS)考察了乙烯利吸附前后的材料組成變化。結(jié)果表明，SnO2-硅復(fù)合電極具有良好的穩(wěn)定性，且乙烯利能成功地吸附在SnO2納米涂層上，由于界面電荷轉(zhuǎn)移常數(shù)的變化可以對溶液中乙烯利的存在進(jìn)行靈敏地檢測，當(dāng)乙烯利濃度低達(dá)3.58pM時，采用電學(xué)交流阻抗法依然可以檢測到Rct的變化。
文檔編號G01N27/02GK102749372SQ20121018401
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者張治紅 申請人:張治紅