以類石墨相g-C₃N₄-TiO₂納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳 ...的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以類石墨相g?C3N4?TiO2納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，其首先通過熱聚合法制備出g?C3N4,然后再通過水熱法制備g?C3N4?TiO2復(fù)合材料，最后將合成的g?C3N4?TiO2復(fù)合材料以Nafion作為粘合劑，和葡萄糖氧化酶（GOD）共同修飾在ITO電極表面，構(gòu)建GOD傳感器。采用本發(fā)明方法制備所得的光電化學(xué)葡萄糖傳感器能夠快速地測定葡萄糖，且具有靈敏度較高、線性范圍較大和檢測限較低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
以類石墨相g-C3N4-T i O2納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電化學(xué)酶傳感器構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以類石墨相g-C3N4-T12納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，該光電化學(xué)酶傳感器可用于檢測葡萄糖。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，光電化學(xué)因其具有靈敏度高、能耗低及重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)而被作為一種新型、有較大應(yīng)用潛能的分析技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)和生物化學(xué)分析等領(lǐng)域。在光電化學(xué)檢測過程中，光被用作激發(fā)源來激發(fā)光敏物質(zhì)在電極表面產(chǎn)生電子和空穴，同時施加電壓使光生電荷分離而產(chǎn)生光電流，而光電流的大小又與被分析物的濃度有著緊密關(guān)系。因而，以半導(dǎo)體光敏化物質(zhì)(如:Ti02、CdS、Sn02、Zn0和ZnS等)為基礎(chǔ)的光電化學(xué)傳感器表現(xiàn)出優(yōu)越的分析性能。比如:用SnO2納米粒子修飾ITO電極的光電化學(xué)傳感器由于其較高的靈敏度而被用于檢測在三磷酸腺苷(ATP)中提取的癌細(xì)胞。在前面已被提到的半導(dǎo)體材料中，納米T12由于其較好的生物兼容性、化學(xué)惰性、較好導(dǎo)電性以及無毒等特性，成為光電材料的最佳選擇之一。例如:Yan等通過在T12膜電極上組裝CdSe量子點(diǎn)和DNA生物分子構(gòu)建光電化學(xué)生物傳感器，組裝后所得電極在可見光的照射下對氨基酚(OAP)的檢測表現(xiàn)出較高的靈敏度。重要的是，單晶一維結(jié)構(gòu)的T12與T12納米粒子薄膜相比，具有較大的比表面積和較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力，這樣不僅顯著提高了光生電荷的分離，同時也提高了電極的光電化學(xué)催化能力。
[0003]然而，T12本身也存在一些缺陷，比如帶隙較寬，因而其對可見光的利用率較低，且光生電荷的復(fù)合率較高，導(dǎo)致了 T12在光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用受到限制。因此，我們需要找到一種合適的方式來使T12的帶隙變窄，同時抑制光生電子和空穴的復(fù)合，以此來提高T12的光電化學(xué)活性。迄今為止，相關(guān)學(xué)者們投入了巨大的精力來制備以T12為基礎(chǔ)的復(fù)合材料，使其能夠提高對可見光的有效吸收利用，降低光生電荷的復(fù)合，從而使T12復(fù)合材料所構(gòu)建的光電傳感器能將紫外光對生物分子的破壞降到最低，同時可以增加光電流。據(jù)報(bào)道，T12可以和其它材料形成具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，而這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效提高復(fù)合材料的光電化學(xué)效率。例如:用T12作為抗體固定支架的光電化學(xué)免疫傳感器對腫瘤標(biāo)志物α-甲胎蛋白的檢測有很好的靈敏度。在檢測時，可將α-甲胎蛋白及葡萄糖氧化酶(GOx)等生物分子標(biāo)記物與CdTe量子點(diǎn)相連接，這樣可以放大檢測信號，由于CdTe量子點(diǎn)和T12的能級相匹配，大大降低了電子-空穴對的復(fù)合，從而提高了此光電化學(xué)免疫傳感器對α-甲胎蛋白的檢測靈敏度。此外，葡萄糖氧化酶能夠使葡萄糖產(chǎn)生H2O2,而H2O2可以作為給電子供體消耗光生空穴，使光電流得到提高。該生物傳感器的檢測范圍為0.5 pg mL—1到10yg mL—S其檢出限可以低至0.13 pg mL-、
[0004]近幾年，聚合形成的類石墨相氮化碳(g_C3N4)作為一種非金屬光催化材料具有無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、制備簡單和吸收可見光等優(yōu)點(diǎn)，因而在光電化學(xué)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。在g-C3N4結(jié)構(gòu)中，C原子和N原子之間通過sp2雜化軌道形成共軛的石墨相結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能形成較窄的能帶寬度(2.7 eV)，導(dǎo)致g-C3N4可以直接被可見光激發(fā)。因此，g-C3N4被報(bào)道可以作為可見光非金屬催化劑，光解水產(chǎn)生出和02。然而，光生電荷的快速復(fù)合嚴(yán)重阻礙了 g-C3N4在光電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。為了提高g-C3N4的光催化活性，研究者們做了很大的努力來改良g_C3N4的光電性能，比如機(jī)械剝離，制成多孔結(jié)構(gòu)，摻雜金屬、導(dǎo)體氧化物、石墨烯或有機(jī)染料等方法。Dai等研究人員發(fā)現(xiàn)g_C3N4與碳納米角結(jié)合制成的復(fù)合材料大大提高了材料的光電流，運(yùn)用該復(fù)合材料成功制備出光電化學(xué)傳感器用于檢測檳榔素。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種以類石墨相g_C3N4-Ti02納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，該光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器可用于快速檢測葡萄糖，且靈敏度較高、線性范圍較大、檢測限較低。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種以類石墨相g-C3N4-Ti02納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，其包括如下步驟:
①類石墨相g_C3N4的制備:
取5.0 g三聚氰胺粉末于馬弗爐中以5°C/min的速度升溫至550°C，550°C保溫4 h，自然冷卻至室溫，然后將合成得到的黃色固體研磨至粉末即得到g-C3N4粉末；
②g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的制備:
將40 mg g_C3N4粉末分散于40 mL異丙醇(IPA)中，超聲30 111；[11，隨后加入0.03 mL 二亞乙基三胺(DETA)并攪拌5 min，然后再加入1.8 mL異丙醇鈦(TIP)，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，于180 — 220°C反應(yīng)18 — 28 h；反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫;反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)離心分離、洗滌、干燥后得到的淺黃色固體粉末即為g-C3N4_Ti02復(fù)合材料；
③光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建:
ITO電極的清洗:ΙΤ0電極(1.0 cmX2.5 cm)依次用丙酮、乙醇和超純水分別超聲清洗10 — 30 min，然后自然晾干至室溫，備用；
光電化學(xué)GOD傳感器的構(gòu)建:將20 mg步驟②所得g-C3N4_Ti02復(fù)合材料分散于300 yL含有Naf 1n和葡萄糖氧化酶(GOD)的水溶液中獲得混合液，再將混合液放置在恒溫震蕩器中4°C振動搖晃4 h以混合均勻，然后從中取50yL滴涂在ITO電極表面，即得到GOD傳感器，記為 GOD Ig-C3NfT1211T0。
[0007]具體的，步驟③中，水溶液中Naf1n和GOD的濃度分別為0.5 wt%、2.0 mg mL-1。
[0008]本發(fā)明中，將一維結(jié)構(gòu)的T12和g_C3N4通過熱溶劑法制備成復(fù)合材料，并使用TEM、SEM、XRD、FT-1R、DRS、XPS和EIS等技術(shù)手段進(jìn)行了表征驗(yàn)證，然后制備出以g-C3N4_Ti02為固定骨架的葡萄糖氧化酶(GOD)光電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖的分析檢測。同時，g-C3N4-T12復(fù)合材料也表現(xiàn)出對葡萄糖氧化酶生物分子較強(qiáng)的生物相容性，促進(jìn)了葡萄糖氧化酶和電極之間的電子轉(zhuǎn)移。所制備出的葡萄糖傳感器在沒有電子傳遞介質(zhì)存在時，同樣實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖高靈敏度、快速、可靠地檢測，因而在血糖檢測、生物分析、化學(xué)分析和臨床檢測都存在巨大的應(yīng)用潛能。
[0009]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn):
在ITO電極表面引入g-C3N4_Ti02復(fù)合材料，增加了酶傳感器的電子轉(zhuǎn)移速率，大大促進(jìn)了光生電荷的分離，實(shí)現(xiàn)了在可見光下對葡萄糖的檢測，提高了光電化學(xué)傳感器對可見光的利用率。同時利用g-C3N4_Ti02復(fù)合材料比表面積大、生物相容性好的優(yōu)點(diǎn)，來提高生物分子酶負(fù)載量，有效保持其活性，從而提高該傳感器的靈敏度和檢測限。
[0010]【附圖說明】:
圖1為不同材料的高倍電鏡圖譜:其中，a為g-C3N4的透射電鏡圖(TEM)，b為g-C3N4-Ti02復(fù)合材料透射電鏡圖，c為g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的局部放大透射電鏡圖，d為g-C3N4_Ti02的掃描電鏡圖(SEM);
圖2為不同材料的X射線衍射(XRD)圖譜，其中，a為g-C3N4，b為g-C3N4_Ti02復(fù)合材料；圖3為不同材料的傅里葉紅外(FT-1R)圖譜，紅外光譜圖中，a為g-C3N4，bSg-C3N4-T12復(fù)合材料；
圖4為不同材料的紫外可見漫反射(DRS)圖譜，a為g-C3N4，b為Ti02，(^g-C3N4-T12復(fù)合材料；
圖5為g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的X射線光電子能譜(XPS)分析;A為XPS全譜掃描；B、C、D和E分別為Cls，Nls，Ti2p和Ols的高分辨率XPS光譜；
圖6為奈奎斯特圖，其中，a為裸11'0，13為8-(:必4|11'0，。為8-(:必4-1102|11'0，(1為600|8-C3N4-T12I IT0；
圖7為循環(huán)伏安圖，其中a為g-C3N4_Ti021ITO，b為GODI g-C3N4_Ti021ITO;
圖8為線性掃描伏安圖，其中a為GOD I g-C3N4-Ti021ITO在無光照條件下測得的線性掃描伏安圖，b*G0D I I g-C3N4-Ti021ITO在可見光照射時測得的線性掃描伏安圖；
圖9為不同材料修飾ITO電極的光電流響應(yīng)圖，其中a，b，c分別為g-C3N411TO，g-C3N4_T121ITO，G0D I g-C3N4_Ti021ITO在緩沖溶液中所測得的光電流;d為GOD I g-C3N4_Ti021ITO在一定濃度葡萄糖溶液中測得的光電流；
圖10中，A為本發(fā)明光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器光電流隨葡萄糖濃度增加的變化曲線圖，B為本發(fā)明光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器光電流響應(yīng)值與葡萄糖濃度之間的線性關(guān)系圖。
[0011]【具體實(shí)施方式】:
以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此。
[0012]下述實(shí)施例中，所用到的三聚氰胺購買于天津巴斯夫有限公司，異丙醇鈦(TIP，97%)購于天津阿法埃莎化學(xué)有限公司；二亞乙基三胺(DETA，99%)購買于北京百靈威科技有限公司；葡萄糖氧化酶和Naf 1n購買于美國Sigma-Aldrich公司；葡萄糖購于天津化學(xué)試劑廠。
[0013]實(shí)施例1
一種以類石墨相g-C3N4-Ti02納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，其包括如下步驟:
①類石墨相g_C3N4的制備:
稱取5.0 g的三聚氰胺粉末放入坩禍中，然后將坩禍置于馬弗爐中，以5°C/min的升溫速度加熱至550°C，550°C保溫4 h，自然冷卻至室溫，然后將得到的黃色固體研磨至粉末即得到g_C3N4粉末； ②g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的制備:
將40 mg g_C3N4粉末分散于40 mL異丙醇，超聲30 111；[11，隨后加入0.03 mL二亞乙基三胺并攪拌5 11^11，然后再加入1.8 mL異丙醇鈦，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至40 mL的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，于200°C反應(yīng)24h;反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過離心分離，乙醇洗滌，60 0C干燥后得到的淺黃色固體粉末即為g-C3N4-Ti02復(fù)合材料；
③光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建:
ITO電極的清理:ITO電極(1.0 cmX2.5 cm)依次用丙酮、乙醇和超純水分別超聲清洗20 min，然后自然晾干至室溫，備用；
光電化學(xué)GOD傳感器的構(gòu)建:稱取20 mg步驟②所得g-C3N4_Ti02復(fù)合材料，將其分散于300 yL含有Naf1n(0.5 wt%)和G0D(2.0 mg mL-1 )的水溶液中獲得混合液，再將混合液放置在恒溫震蕩器中4°C振動搖晃4 h以混合均勻，然后取出并從中取50yL滴涂在ITO電極表面，即得到GOD傳感器，記為GODI g-C3N4-Ti02 IlTO0.④測試過程:
光電化學(xué)測試在光電化學(xué)測試裝置上完成，以300 W氙燈作為激發(fā)光源，使用CHI630D電化學(xué)工作站記錄光電化學(xué)響應(yīng)信號，運(yùn)用三電極體系控制電化學(xué)信號，其中ITO電極作為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，Ag|AgCl(3.0 M KCl)電極為參比電極。在測試前，將50 mLPBSCpH 7.4)作為緩沖電解液注入透明的石英池中；將帶有一個400 nm濾光片的氙燈作為可見光激發(fā)光源;在測試中對ITO電極施加的電壓為0.2 V;光電流的記錄分別是在有光激發(fā)和無光激發(fā)條件下記錄的。
[0014]342復(fù)合材料的表征:
圖1為不同材料的高倍電鏡圖譜:其中，a為g-C3N4的透射電鏡圖(TEM)，b為g-C3N4-Ti02復(fù)合材料透射電鏡圖，c為g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的局部放大的透射電鏡圖，C^g-C3N4-T12的掃描電鏡圖。從圖1的a中可以清晰地看到g_C3N4呈現(xiàn)半透明的有褶皺的片狀結(jié)構(gòu)，有幾微米大小，這種平面結(jié)構(gòu)為其它納米材料和生物分子的固定提供了合適的平臺；從圖1的b和c中可以看到半透明狀T12納米材料密集地附著在g-C3N4納米片的表面，然而圖b和c并不能清晰的給出T i02納米材料的具體形態(tài)，從圖1的掃描電鏡圖d中可以直觀的看到T i02納米材料呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)?？傊鶕?jù)以上電鏡圖可認(rèn)定g-C3N4-Ti02復(fù)合材料已被成功合成出，而且Ti〇2納米片的尺寸小于g-C3N4納米片的尺寸。
[0015]圖2為g-C3N4和g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的XRD譜圖，圖中分別用曲線a和b表示。在g-C3N4的譜圖中(曲線a)出現(xiàn)了兩個峰，在13.1°附近出現(xiàn)的衍射峰歸屬于g_C3N4的(100)晶面，是由三氮雜環(huán)單元所引起的；另一個在27.4°附近出現(xiàn)的衍射峰是由芳香環(huán)的堆垛所形成的，對應(yīng)于g_C3N4的(002 )晶面。在g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的譜圖(曲線b )中，既可以觀察到g-C3N4的衍射峰又可以觀察到T12的衍射峰，其中在25.4°，38.1°，48.3°，54.2°和62.7°附近出現(xiàn)的衍射峰分別對應(yīng)于銳鈦礦T12的(101)，(004)，(200)，(211)和(204)晶面。然而，原本出現(xiàn)在13.1°附近的衍射峰在曲線b中并沒有觀察到，這可能是因?yàn)間-C3N4在復(fù)合材料中所占比例比較小。從XRD譜圖中可以明確看出復(fù)合物樣品確實(shí)是由g_C3N4和T12組成的。
[0016]圖3給出了g_C3N4(曲線a)和g-C3N4_Ti02復(fù)合材料(曲線b)的紅外光譜圖，從紅外光譜圖可以得出相應(yīng)納米材料的結(jié)構(gòu)信息。圖3的曲線a在810 cm—1附近出現(xiàn)一個較強(qiáng)的吸收峰，這個峰歸屬于g_C3N4三嗪結(jié)構(gòu)的特征峰;在1561 cm-1和1640 cm-1附近的特征峰歸屬于三氮雜環(huán)C=N的伸縮振動；另外在1247、1323和1411 cnf1附近出現(xiàn)的吸收峰可歸屬于芳環(huán)C-N的伸縮振動，在3100-3500出現(xiàn)的峰通常被認(rèn)為是N-H和來自H2O分子的-OH的伸縮振動峰。重要的是，所有出現(xiàn)在g_C3N4中的吸收峰在g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的紅外光譜圖(曲線b)中都可以清楚地觀察到。此外，出現(xiàn)在復(fù)合材料紅外譜圖中500 cm—1和800 cm—1之間的吸收峰則是由T12分子中T1-O和T1-O-Ti鍵的振動引起的。因此從曲線b中清楚地知道，在水熱法合成復(fù)合材料時，g_C3N4沒有被分解，而是與T12形成復(fù)合材料。
[0017]納米材料的光吸收性能可以通過紫外可見漫反射光譜進(jìn)行分析，圖4中的a、b和c曲線分別顯示的是g_C3N4、Ti02和g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的紫外可見漫反射光譜圖。從曲線a和b可以看出，g-C3N4的吸收邊帶升至460 nm附近，而Ti02的吸收邊帶小于400 nm，意味著g-C3N4的吸收邊帶比T12的吸收邊帶大得多，因而可見光吸收能力強(qiáng)的多。g-C3N4_Ti02復(fù)合材料相較于單獨(dú)g_C3N4在紫外光區(qū)和可見光區(qū)的吸收都有所增強(qiáng)。這是由于g-C3N4有著較窄的躍迀禁帶寬度，這有助于復(fù)合材料的吸收邊帶增強(qiáng)至可見光區(qū)。
[0018]X射線光電子能譜(XPS)能夠給出樣品表面所含的元素種類和化學(xué)狀態(tài)等重要信息。圖5A是樣品的XPS全掃描譜，根據(jù)元素所在的峰位置可以得知g-C3N4-Ti02復(fù)合材料是由T1、O、C和N四種元素組成。圖5B是樣品C Is的高分辨XPS圖。樣品的C Is峰被分成三個峰，分別出現(xiàn)在284.6,286.2和288.2 eV附近，在284.6 eV處的峰可能來源于污染碳和儀器表面上的碳;在286.2eV和288.2 eV處的峰分別歸屬于g_C3N4的C-N-C和N=C-(N)2基團(tuán)。從N Is的高分辨XPS譜圖中(圖5C)可以觀察到位于398.5,399.5和401.3eV的三個峰，結(jié)合能處在398.5 eV的峰歸屬于Sp2雜化的芳環(huán)N(C-N=C);其它兩個處在399.3和401.2 eV的峰分別屬于三級N(N-(C)3)和氨基功能團(tuán)(-NH2或=NH)。圖是g-C3N4_Ti02復(fù)合材料中Ti 2p的XPS圖，兩個出現(xiàn)在458.6 6￥和464.3 eV的峰分別歸屬于形成T12簇(Ti4+)的Ti2p3/2和Ti2p1/2峰。最后，01 s的XPS圖(圖5E)中可以觀察到兩個位于530.0 eV和531.2 eV的峰，分別歸于C-O官能團(tuán)和表面羥基(-0H)?？傊?，XPS表征可以大體證明g-C3N4和T12結(jié)合在一起形成復(fù)合物。
[0019]電化學(xué)阻抗(EIS)法監(jiān)測光電化學(xué)酶傳感器的組裝過程:
電化學(xué)阻抗圖譜是用來評估電極表面動力學(xué)過程和修飾電極界面性能的有效工具。因此，電化學(xué)阻抗被用來研究本發(fā)明實(shí)施例1所制備的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的組裝過程。
[0020]阻抗實(shí)驗(yàn)是在含有5 mM K3[Fe(CN)6] |K4[Fe(CN)6]的0.1 M KCl溶液中進(jìn)行的，施加的定勢電位為0.23 V，在其之上疊加的交流電正弦波振幅為5 mV，由EIS數(shù)據(jù)展示的Nyquist圖譜的測定頻率范圍為50 kHz到0.1 mHz。根據(jù)以往報(bào)道，Nyquist圖譜中的半圓直徑代表鐵氰根離子在修飾電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移阻抗。從圖6的阻抗圖譜中可以看出:g-C3N4-Ti02|lT0(曲線c)的半圓直徑明顯比g-C3N4|lT0(曲線b)的半圓直徑小得多，說明與單獨(dú)g_C3N4相比，g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的導(dǎo)電性得到了明顯提高，高導(dǎo)電性的g-C3N4-Ti02復(fù)合材料對于制備光電化學(xué)生物傳感器是非常有利的；曲線d是在g-C3N4-T121ITO上修飾過GOD的Nyquist圖譜，曲線d的半圓直徑比g-C3N4_Ti021ITO(曲線c)大很多，說明GOD生物分子被成功地固定在了電極表面。這是由于納米材料和生物分子在電極表面形成阻隔層，增大了電子轉(zhuǎn)移阻力。
[0021]光電化學(xué)酶傳感器的伏安表征: 循環(huán)伏安(CV)表征:圖7為不同材料的循環(huán)伏安圖，圖中曲線a和b分別是g_C3N4_Ti021ITO和GODI g-C3N4-T i02|lT0電極的循環(huán)伏安圖，在曲線a( g-C3N4-T i O211 TO )中沒有出現(xiàn)氧化還原峰，意味著g-C3N4_Ti02對電化學(xué)測試沒有產(chǎn)生干擾。相反地，曲線b中，G0D| g-C3N4_Ti02IITO電極在0.12 V附近出現(xiàn)一個還原峰，在0.21 V附近出現(xiàn)一個氧化峰，表明電極和復(fù)合材料中的GOD之間存在著直接的電子轉(zhuǎn)移。GOD在電極上的電子轉(zhuǎn)移是在無氧條件下進(jìn)行的，機(jī)理遵循下列方程式:
GOD(FAD) + 2e—+ 2H+ = GOD(FADH2)
因此，通過上述的循環(huán)伏安曲線證明了本發(fā)明合成出的復(fù)合材料作為生物傳感器的電極平臺時，不僅能促進(jìn)GOD的電子轉(zhuǎn)移，而且能將電化學(xué)干擾和充電電流降到最低。
[0022]線性掃描伏安(LSV)表征:圖8為GODI g-C3N4_Ti021ITO電極在無光照射和可見光照射條件下的線性掃描伏安圖，分別用曲線a和b表示，曲線a中，G0D所含F(xiàn)AD的還原峰出現(xiàn)在-0.15V和-0.35V之間。當(dāng)有光照在電極表面時，GODI g-C3N4_Ti021ITO電極表面產(chǎn)生了顯著的光電流(曲線b )。同時，GOD (FAD)的還原峰在曲線b中依然存在，這意味著FAD在強(qiáng)光的照射下仍保持著良好的電化學(xué)和生物活性。
[0023]光電流曲線圖表征復(fù)合材料和光電化學(xué)酶傳感器的光電性能:
本發(fā)明對g_C3N41ITO電極、g-C3N4-Ti021ITO電極、GOD I g-C3N4_Ti021ITO電極和當(dāng)?shù)滓褐写嬖谝欢舛绕咸烟菚rGODlg-C3N4-T12I ITO電極的光電響應(yīng)進(jìn)行了測試。圖9為不同修飾電極的光電流響應(yīng)圖，其中3為8-(^4|11'0，13為8-(^4-1^02|11'0，(3為600|8-(^4-1^02|IT0，d為GODI g-C3N4_Ti021ITO在一定濃度葡萄糖溶液中測得的光電流。
[0024]由于單獨(dú)的g_C3N4中光生電子和空穴極易復(fù)合，導(dǎo)致g_C3N4|ITO電極在所有修飾ITO電極中的光電流最小。當(dāng)g-C3N4_T1211TO電極被可見光照射時，光生電子被激發(fā)，因?yàn)間-C3N4的導(dǎo)帶和價帶都比T12的高，這些電子會從g-C3N4的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到T12的導(dǎo)帶，從而避免了電子和空穴的再結(jié)合，因此g-C3N4_Ti021ITO電極的光電流(曲線b)比g-C3N41ITO電極(曲線a)的大3.5倍左右XODI g-C3N4-Ti021 ΙΤ0(曲線c)的光電流大約比g-C3N4_Ti021 ΙΤ0(曲線b)的光電流大30%。更為重要的是，當(dāng)一定量的葡萄糖加入到測試底液后，GOD Ig-C3N4-T121ITO電極的光電流有著顯著提高(曲線d)，這是由于當(dāng)有葡萄糖存在時，GOD可催化O2轉(zhuǎn)化成H2O2,生成的H2O2被用作給電子供體來消耗光生空穴，從而阻礙了光生空穴和電子的復(fù)合，因此GODI g-C3N4-Ti02 IITO電極的光電流得到了增強(qiáng)。
[0025]光電化學(xué)酶傳感器分析性能評估:
運(yùn)用不同濃度葡萄糖測試液中所得到的電流-時間響應(yīng)曲線來評估本發(fā)明光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的分析性能。如圖1OA所示，在每個固定濃度的葡萄糖溶液中，GOD Ig-C3N4-T1211TO電極的光電流響應(yīng)在間歇光照下保持著高度的穩(wěn)定性，表明此傳感器的光電性能非常好;從圖中可以看到，隨著葡萄糖濃度的增加，光電流響應(yīng)也在逐漸增強(qiáng)。根據(jù)圖1OA可得到光電流與葡萄糖濃度之間的校準(zhǔn)曲線圖(圖10B)，校準(zhǔn)曲線可以通過下面的關(guān)系式來表達(dá)，其線性范圍為0.05 -8 mM，相關(guān)系數(shù)為0.995:
-ΔI / μΑ = 0.0225 + 0.676 [glucose] /μΑ mM—1
此校準(zhǔn)曲線斜率(0.676 μΑ mM—1)就是GOD Ig-C3N4-T121ITO生物傳感器的靈敏度，估算檢測限為0.02 mM(信噪比為3) XOD Ig-C3N4-T121ITO生物傳感器性能與其它葡萄糖傳感器相比表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，例如較高的靈敏度、較寬的檢測范圍和較低的檢測限。傳感器這些優(yōu)異的性能主要?dú)w因于g-C3N4-Ti02復(fù)合材料對可見光的強(qiáng)吸收和光生電荷的低復(fù)合率，而且此復(fù)合材料不僅為保持GOD的生物活性提供了適宜的微環(huán)境，同時也增強(qiáng)了GOD在電極表面的電子直接轉(zhuǎn)移能力。
[0026]光電化學(xué)酶傳感器的重復(fù)性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性測定:
GODlg-C3N4-T12I ITO電極的重復(fù)性是通過使用同一電極連續(xù)六次測量對0.4 mM葡萄糖的光電流響應(yīng)來評價的，得到相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%，結(jié)果表明該傳感器重復(fù)性較好。生物傳感器的重現(xiàn)性是通過測量用同樣方法制備的六個GOD光電化學(xué)生物傳感器的光電流來評估的，測試都是在葡萄糖濃度為0.4 mM的相同條件下進(jìn)行的，最終得到測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.4%οGODI g-C3N4_T1211TO電極的長期穩(wěn)定性是通過每天測量儲存在4 V冰箱內(nèi)的電極對I mM葡萄糖的光電流響應(yīng)來評估的，儲存2周后的傳感器的光電流仍然保持它原有電流的90.5%，說明g-C3N4_T i O2復(fù)合材料可長期保持著酶的生物活性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種以類石墨相g-C3N4-Ti02納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，其特征在于，包括如下步驟: ①類石墨相g_C3N4的制備: 取5.0 g三聚氰胺粉末于馬弗爐中以5°C/min的速度升溫至550°C，保溫4 h，自然冷卻至室溫，然后將合成得到的黃色固體研磨至粉末即得到g_C3N4粉末； ②g-C3N4_Ti02復(fù)合材料的制備: 將40 mg g_C3N4粉末分散于40 mL異丙醇中，超聲30 111；[11，隨后加入0.03 mL 二亞乙基三胺并攪拌5 11^11，然后再加入1.8 mL異丙醇鈦，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，于180 — 220°C反應(yīng)18 — 28 h;反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫;反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)離心分離、洗滌、干燥后得到的淺黃色固體粉末即為g-C3N4-Ti02復(fù)合材料； ③光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建: ITO電極的清洗:ITO電極依次用丙酮、乙醇和超純水分別超聲清洗10 — 30 min，然后自然晾干至室溫，備用； 光電化學(xué)GOD傳感器的構(gòu)建:將20 mg步驟②所得g-C3N4_Ti02復(fù)合材料分散于300 yL含有Naf i on和GOD的水溶液中獲得混合液，再將混合液放置在恒溫震蕩器中4 V振動搖晃4h以混合均勾，然后從中取50yL滴涂在ITO電極表面，即得到GOD傳感器，記為GODl g-C3N4_T12IlTO02.如權(quán)利要求1所述以類石墨相g-C3N4_Ti02納米片復(fù)合材料為酶分子固定支架的光電化學(xué)葡萄糖氧化酶傳感器的構(gòu)建方法，其特征在于，步驟③中，水溶液中Naf 1n和GOD的濃度分別為0.5 wt%、2.0 mg mL-1。
【文檔編號】G01N27/416GK105929007SQ201610419699
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】劉小強(qiáng), 劉培培, 霍小鶴, 朱杰
【申請人】河南大學(xué)