基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的制備及應(yīng)用，具體涉及一種基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極制備方法及其用于有機磷農(nóng)藥殘留快速檢測的方法。要解決的技術(shù)問題是硼摻雜金剛石（BDD）電極電催化活性低、表面再造困難，選擇性及靈敏性較差。本發(fā)明包括以下步驟：①在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層金納米點作為掩膜；②在Ar/H2氛圍中在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米結(jié)構(gòu)的形貌；③刻蝕硼摻雜金剛石表面，冷卻，得到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。采用這樣的技術(shù)方案后的本發(fā)明，改善電極性能，提高電極的靈敏度，并直接應(yīng)用于對硫磷、甲基對硫磷等具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥殘留的檢測。
【專利說明】基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電化學傳感器，具體涉及一種基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的制備方法及其用于有機磷農(nóng)藥殘留快速檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]民以食為天，食以安為先。食品安全關(guān)系到人民健康、生命安全及社會經(jīng)濟，是當今政府和社會各界廣為關(guān)注的焦點問題之一。食品安全問題中，初級農(nóng)產(chǎn)品源頭污染比較嚴重。其中，由于農(nóng)藥的濫用或使用不當，對環(huán)境污染日益加劇，水果、蔬菜被農(nóng)藥污染的情況有增無減，農(nóng)藥殘留尤其是有機磷農(nóng)藥超標問題一直比較突出，直接危害了人民健康安全，嚴重打擊了廣大民眾的消費心理。因此，加強有機磷農(nóng)藥殘留監(jiān)測/檢測技術(shù)，對保護生態(tài)環(huán)境、保證食品安全、保障人類健康有著重要而深遠的意義。現(xiàn)行常用的通用分析技術(shù)如色譜法、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和波譜法等，雖然具有既定性又定量、準確、靈敏度高、并且一次可以測定多種成分等優(yōu)點，但需要對樣品進行萃取分離等復雜預處理過程、需要專業(yè)技術(shù)人員、檢測成本高、檢測時間長，而且所需儀器大都昂貴且龐大笨重，不適用于現(xiàn)場檢測，難以對水果、蔬菜的生產(chǎn)、流通環(huán)節(jié)進行全面監(jiān)控。因此，發(fā)展便攜、快速、經(jīng)濟、可靠的現(xiàn)場檢測方法將是控制當前市場農(nóng)藥殘留的關(guān)鍵。
[0003]電化學傳感器獲得了長足的進步，測定的靈敏度越來越高，響應(yīng)的時間大大縮短，但它的選擇性差及納米材料的穩(wěn)定性差和壽命短是制約其市場化的主要問題。另外，基于電化學方法的檢測中，由于常規(guī)的工作電極表面易吸附、穩(wěn)定性和重復性差等缺點，使其在實際應(yīng)用時遇到困難。
[0004]作為新型電極材料，硼摻雜金剛石電極(BDD)具有許多常規(guī)電極所不可比擬的優(yōu)異性，如寬電化學勢窗、低背景電流、極好的電化學穩(wěn)定性及表面不易被污染等，在電化學領(lǐng)域發(fā)展迅速。但同時也存在著缺點，表現(xiàn)為電催化活性低、表面再造困難，選擇性及靈敏性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是硼摻雜金剛石(BDD)電極電催化活性低、表面再造困難，選擇性及靈敏性較差，提供一種電催化活性高，靈敏度好，避免表面材料修飾帶來的穩(wěn)定性低、重復性差的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的制備及應(yīng)用。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，它包括以下步驟:①首先在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層3-7nm的金納米點作為掩膜；②在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米結(jié)構(gòu)的形貌；③在200-600°C的溫度下刻蝕硼摻雜金剛石表面10-60分鐘，然后冷卻到室溫，取出，得到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。
[0007]還包括乙酰膽堿酯酶的固定步驟:將步驟③制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極分別用乙醇和去離子水超聲洗滌干凈，采用戊二醛法或溶膠-凝膠法來固定乙酰膽堿酯酶后即制得電化學生物傳感器。
[0008]所述的戊二醛法固定乙酰膽堿酯酶的步驟是:取5 μ L、質(zhì)量濃度為I %的牛血清白蛋白和5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合均勻后，再加入5 μ L、質(zhì)量濃度為0.5%的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到步驟③制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面進行修飾，之后將修飾好的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極在4°C進行干燥2-4h，即制得電化學生物傳感器。
[0009]所述的溶膠-凝膠法固定乙酰膽堿酯酶的步驟是:首先制備二氧化硅溶膠，根據(jù)需要，用移液槍取2-10 μ L 二氧化硅溶膠與5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合滴于用乙醇和去離子水洗滌干凈的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，在4°C干燥0.5-2 h，即可形成凝膠化固體膜。
[0010]所述的制備二氧化硅溶膠是將1.0-4.0mL正硅酸四乙酯、0.1-2.0mL去離子水和10-60 μ L的質(zhì)量濃度為0.1 mol/L的鹽酸溶液混合，然后超聲分散呈透明狀，即得到二氧化硅溶膠。
[0011 ] 基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的應(yīng)用，所述的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極用于具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥的檢測，檢出限為2.0X 10,mol/L。所述的具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥包括對硫磷、甲基對硫磷。
[0012]所述的乙酰膽堿酯酶固定于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極用于有機磷農(nóng)藥的檢測，檢出限為3X10—12 mol/L。所述的有機磷農(nóng)藥包括對氧磷、毒死蜱、敵敵畏、馬拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷。
[0013]本發(fā)明的將納米結(jié)構(gòu)引入電極材料，實現(xiàn)從微觀結(jié)構(gòu)人為設(shè)計、制作電極功能，既可以克服電極本身缺點，提高電極的電催化活性和靈敏度，又可以避免表面材料修飾帶來的穩(wěn)定性低、重復性差等缺點。本發(fā)明制備出納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極，旨在改善電極性能，提高電極的靈敏度，并直接應(yīng)用于對硫磷、甲基對硫磷等具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥殘留的檢測。對于其它有機磷農(nóng)藥的檢測可采用戊二醛法或溶膠-凝膠法固定乙酰膽堿酯酶構(gòu)建的酶生物傳感器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是硼摻雜金剛石電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是沉積有金納米點的硼摻雜金剛石電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)在沉積有金納米點的硼摻雜金剛石表面刻蝕納米結(jié)構(gòu)形貌的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是圖3刻蝕后在200-600°C的溫度下刻蝕硼摻雜金剛石表面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是圖4刻蝕后的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。
【具體實施方式】
[0019]如圖1至圖5所示，一種基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，它包括以下步驟:①首先在硼摻雜金剛石電極(BDD)上預沉積一層3-7nm的金(Au)納米點作為掩膜
在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米結(jié)構(gòu)的形貌；③在200-600°C的溫度下刻蝕硼摻雜金剛石表面10-60分鐘，然后冷卻到室溫，取出，得到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。
[0020]通過控制Au層聚集成不同直徑及密度的納米點，然后通過等離子刻蝕法可得到納米須、納米桿和納米柱等結(jié)構(gòu)的硼摻雜金剛石電極。利用刻蝕法得到不同納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極，大大克服了硼摻雜金剛石電極催化活性低的不足，降低氧化反應(yīng)過電位，提高檢測靈敏度，降低檢出限，提高了電極的選擇性和穩(wěn)定性。同時也克服了采用納米材料修飾硼摻雜金剛石電極使用過程中納米材料易脫落，不易清洗等缺點。
[0021]還包括乙酰膽堿酯酶的固定步驟:將步驟③制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極分別用乙醇和去離子水超聲洗滌干凈，采用戊二醛法或溶膠-凝膠法來固定乙酰膽堿酯酶后即制得電化學生物傳感器。利用不同方法將乙酰膽堿酯酶固定到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，建立基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學生物傳感器，實現(xiàn)有機磷農(nóng)藥的檢測。該傳感器對底物硫代乙酰膽堿具有一定靈敏度的電流響應(yīng)，當傳感器電極上的乙酰膽堿酯酶受有機磷農(nóng)藥抑制時，電流響應(yīng)會減小。因此，可以通過響應(yīng)電流的大小來衡量有機磷農(nóng)藥的抑制率，并確定其含量。其中乙酰膽堿酯酶的固定方法為戊二醛法或溶膠-凝膠法。
[0022]所述的戊二醛法固定乙酰膽堿酯酶的步驟是:取5 μ L、質(zhì)量濃度為I %的牛血清白蛋白和5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合均勻后，再加入5 μ L、質(zhì)量濃度為0.5%的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到步驟③制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面進行修飾，之后將修飾好的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極在4°C進行干燥2-4h，即制得電化學生物傳感器。
[0023]所述的溶膠-凝膠法固定乙酰膽堿酯酶的步驟是:首先制備二氧化硅溶膠，根據(jù)需要，用移液槍取2-10 μ L 二氧化硅溶膠與5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合滴于用乙醇和去離子水洗滌干凈的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，在4°C干燥0.5-2 h，即制得電化學生物傳感器。
[0024]所述的制備二氧化硅溶膠是將1.0-4.0mL正硅酸四乙酯、0.1-2.0mL去離子水和10-60 μ L的質(zhì)量濃度為0.1 mol/L的鹽酸溶液混合，然后超聲分散呈透明狀，即得到二氧化硅溶膠。
[0025]基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的應(yīng)用:所述的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極用于具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥的檢測，檢出限為2.0X 10,mol/L。所述的具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥包括對硫磷、甲基對硫磷。
[0026]所述的乙酰膽堿酯酶固定于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極用于有機磷農(nóng)藥的檢測，檢出限為3X10—12 mol/L。所述的有機磷農(nóng)藥包括對氧磷、毒死蜱、敵敵畏、馬拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷。
[0027]利用制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極，對本身具有電化學特性的對硫磷、甲基對硫磷等有機磷農(nóng)藥，直接進行電化學檢測。也可將乙酰膽堿酯酶固定到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，建立基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學生物傳感器，實現(xiàn)其它有機磷農(nóng)藥的檢測，其它有機磷農(nóng)藥包含對氧磷、毒死蜱、敵敵畏、馬拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷等。將乙酰膽堿酯酶固定到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極上來實現(xiàn)有機磷農(nóng)藥檢測，該電極小巧簡便、易批量生產(chǎn)，檢測靈敏度高，檢出限低等優(yōu)點。[0028]本發(fā)明利用刻蝕法制備納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極以及基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極固定乙酰膽堿酯酶，用于有機磷農(nóng)藥的檢測。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做具體說明:
實施例1
在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層5 nm的Au納米點作為掩膜，在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)于200°C，刻蝕30分鐘，在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米須結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。選用10-9-10_4mOl/L濃度范圍的對硫磷溶液進行定量測定，確定納米須結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的檢出限為2.0X 10_lclmol/L。
[0029]實施例2
在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層3 nm的Au納米點作為掩膜，在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)于300°C，刻蝕50分鐘，在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米桿結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。選用10-9-l(T4mOl/L濃度范圍的甲基對硫磷溶液進行定量測定，確定納米桿結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的檢出限為4.0X 10_lclmol/L。。
[0030]實施例3
在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層7 nm的Au納米點作為掩膜，在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)于500°C，刻蝕60分鐘，硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米柱結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。采用戊二醛法進行乙酰膽堿酯酶的固定，取5 μ L、質(zhì)量濃度為1%的牛血清白蛋白和5μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合均勻后，再加入5 μ L、質(zhì)量濃度為0.5%的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，之后將修飾好的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極在4°C進行干燥2-4h，即制得電化學生物傳感器。將制備好的傳感器在0.lmol/L的磷酸鹽緩沖溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰膽堿酯酶，然后含有濃度范圍為10-n-10-6mol/L的對氧磷溶液中，檢出限為6.0X10_12mOl/L。
[0031]實施例4
在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層5 nm的Au納米點作為掩膜，在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)，于300°C，刻蝕50分鐘，在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米桿結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。首先制備二氧化硅溶膠。將1.5ml正硅酸四乙酯、0.7ml去離子水和50 μ L 0.lmol/L的鹽酸溶液混合，然后超聲分散呈均勻透明狀，即得到二氧化硅溶膠。用移液槍取10 μ L 二氧化硅溶膠與5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合滴于納米桿結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面。該電極在4°C干燥I h，形成凝膠化固體膜。將制備好的傳感器在0.lmol/L的磷酸鹽緩沖溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰膽堿酯酶，然后含有濃度范圍為KT11-1O-6mol/L的對氧磷溶液中，檢出限為9X10_12mol/L。
[0032]實施案例5
在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層5nm的Au納米點作為掩膜，在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)于600°C，刻蝕20分鐘，硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米柱結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。采用戊二醛法進行乙酰膽堿酯酶的固定，取5yL、l%的牛血清白蛋白和5μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合均勻后，再加入5 μ L、0.5%的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，之后將修飾好的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極在4°C進行干燥2-4h，即制得電化學生物傳感器。將制備好的傳感器在緩沖溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰膽堿酯酶，然后含有濃度范圍為10_n-10_6mol/L的毒死蜱溶液中，檢出限為 3.0Xl(T12mol/L。
[0033]實施案例6
在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層7 nm的Au納米點作為掩膜，在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)，于500°C，刻蝕10分鐘，在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米桿結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。首先制備二氧化硅溶膠。將1.5ml正硅酸四乙酯、0.7ml去離子水和50 μ L 0.lmol/L的鹽酸溶液混合，然后超聲分散呈均勻透明狀，即得到二氧化硅溶膠。用移液槍取10 μ L 二氧化硅溶膠與5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合滴于納米桿結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面。該電極在4°C干燥I h，形成凝膠化固體膜。將制備好的傳感器在緩沖溶液中浸泡以除去未固定上的乙酰膽堿酯酶，然后含有濃度范圍為10_n-10_6mol/L的敵敵畏溶液中，檢出限為5X10_12mol/L。
【權(quán)利要求】
1.一種基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，其特征在于:它包括以下步驟:①首先在硼摻雜金剛石電極上預沉積一層3-7nm的金納米點作為掩膜；②在Ar/H2氛圍中，采用偏壓輔助的微波等離子體刻蝕技術(shù)在硼摻雜金剛石表面刻蝕成納米結(jié)構(gòu)的形貌；③在200-600°C的溫度下刻蝕硼摻雜金剛石表面10-60分鐘，然后冷卻到室溫，取出，得到納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，其特征在于:還包括乙酰膽堿酯酶的固定步驟:將步驟③制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極分別用乙醇和去離子水超聲洗滌干凈，采用戊二醛法或溶膠-凝膠法來固定乙酰膽堿酯酶后即制得電化學生物傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，其特征在于:所述的戊二醛法固定乙酰膽堿酯酶的步驟是:取5 μ L、質(zhì)量濃度為1%的牛血清白蛋白和5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合均勻后，再加入5 μ L、質(zhì)量濃度為0.5%的戊二醛溶液，迅速混合后滴加到步驟③制備的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面進行修飾，之后將修飾好的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極在4°C進行干燥2-4h，即制得電化學生物傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，其特征在于:所述的溶膠-凝膠法固定乙酰膽堿酯酶的步驟是:首先制備二氧化硅溶膠，根據(jù)需要，用移液槍取2-10 μ L 二氧化硅溶膠與5 μ L、60U/mL的乙酰膽堿酯酶溶液混合滴于用乙醇和去離子水洗滌干凈的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面，在4°C干燥0.5-2 h，即制得電化學生物傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的制備，其特征在于:所述的制備二氧化硅溶膠是將1.0-4.0mL正硅酸四乙酯、0.1-2.0mL去離子水和10-60 μ L的0.1mol/L的鹽酸溶液混合，然后超聲分散呈透明狀，即得到二氧化硅溶膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的應(yīng)用，其特征在于:所述的納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極用于具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥的檢測，檢出限為 2.0X 10,mol/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的應(yīng)用，其特征在于:所述的具有電化學特性的有機磷農(nóng)藥包括對硫磷、甲基對硫磷。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-5所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的應(yīng)用，其特征在于:所述的乙酰膽堿酯酶固定于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極用于有機磷農(nóng)藥的檢測，檢出限為3X10-12 mol/L。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于納米結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的電化學傳感器的應(yīng)用，其特征在于:所述的有機磷農(nóng)藥包括對氧磷、毒死蜱、敵敵畏、馬拉硫磷、克百威、久效磷、甲胺磷。
【文檔編號】G01N27/26GK104007157SQ201410231367
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】衛(wèi)敏, 金華麗, 謝巖黎 申請人:河南工業(yè)大學