一种用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及一种用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料及其制备方法。
背景技术
L-半胱氨酸(L-cys)作为最重要的含硫醇氨基酸之一，在生物系统中起着至关重要的作用，可用于疾病状态的诊断。
L-cys已在食品和医药行业中用作抗氧化剂，抗毒素，辐射防护剂，癌症指示剂和自由基清除剂。L-cys的缺乏与生长缓慢、糖尿病、脱发、皮肤病变及易疲劳等有关。
目前L-cys的检测方法主要有色谱分离、原子吸收光谱、原子发射光谱、毛细管电泳以及电化学方法等。其中，电化学方法具有操作简单、成本低廉等优点而备受青睐。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料的制备方法，通过该方法可获得形貌均一、结构稳定的电极材料，该电极材料具有良好的导电性、催化性，实现所制备传感器具有高灵敏度、低检测限等优点，且制备方法简单、易于控制。
本发明的第二个目的是提供依上述方法得到的电化学传感器材料。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)GF预处理，对石墨毡GF进行裁剪，用超纯水和甲醇交替洗涤石墨毡，去除表面残渣，真空干燥过夜，然后用硫酸溶液活化，超纯水洗涤，真空干燥过夜；
(2)BNC的制备，将硼酸、尿素和聚乙二醇分散到超纯水中，超声溶解，80℃下干燥得粉末，将得到的粉末置于瓷舟，在Ar气氛、900℃下保温，保温结束后自然冷却得硼氮掺杂碳纳米管BNC粉末；
(3)PB生长液的配制，所述PB生长液包括A液和B液，所述A液含K3[Fe(CN)6]，所述B液含FeCl3、KCl和HCl；
(4)BNC/GF的制备，将步骤(2)制得的硼氮掺杂碳纳米管粉末溶于超纯水得BNC水溶液，加入步骤(1)预处理后的石墨毡，进行超声处理，然后用超纯水冲洗石墨毡，真空干燥过夜，得BNC/GF；
(5)BNC@PB/GF的制备，将步骤(3)新鲜配制的A液和B液混合，加入步骤(4)得到的BNC/GF，室温下生长，然后用超纯水清洗石墨毡表面，真空干燥过夜，即得。
作为优选的，步骤(1)中，真空干燥的温度均为60℃，所述硫酸溶液由体积比1:1的98％硫酸和超纯水混合而成，所述活化时间为1h。
作为优选的，步骤(2)中，硼酸、尿素和聚乙二醇的重量比为0.15:10:1，干燥时间为10h，900℃保温时间为4h。
作为优选的，步骤(3)中，所述A液含2.0mmol/L K3[Fe(CN)6]，所述B液含2.0mmol/LFeCl3、0.2mol/L KCl、0.05mmol/L HCl。
作为优选的，步骤(4)中，所述BNC水溶液的浓度为0.1-1.0mg/mL，超声时间为30min，真空干燥温度为60℃。
进一步优选的，所述BNC水溶液的浓度为0.5mg/mL。
作为优选的，步骤(5)中，所述A液和B液的体积比为1:1，A液和B液的体积与步骤(4)中BNC水溶液的体积比为1:1，室温生长时间为5-60min，真空干燥温度为60℃。
进一步优选的，室温生长时间为30min。
依上述任一方法得到的用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料。
普鲁士蓝(PB)是一种典型的六氰基高铁酸盐配位化合物，因其无污染、低成本、易于制备及出色的电化学性能等特点而在医药和材料领域引起了广泛关注。PB中Fe2+和Fe3+可逆的电化学氧化还原促进了电子传输，增强了电极材料的电化学性能。
碳纳米管是典型的碳材料，具有高比表面积、优异的导电性、优异的稳定性以及制备简单、价格低廉和耐腐蚀的特性。此外，杂原子掺杂是调节碳纳米结构性质的有效方法之一。在各种杂原子中，氮和硼是碳基材料的优良掺杂剂，因为硼、碳和氮的原子尺寸最为接近。
本发明首次结合了杂原子掺杂碳纳米管和普鲁士蓝的优势，以石墨毡GF为电极基底材料制备复合电极，克服目前电化学检测L-cys检测限高、重现性差、灵敏度低、线性范围窄的缺点，从而实现对L-cys高效检测。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料的制备方法，得到的BNC@PB/GF复合电极不仅能够发挥三种构成组分的各自优势，而且各组分的协同作用增强了复合材料的导电性、稳定性和电化学响应；通过该方法可制备出形貌均匀的纳米材料；BNC与GF结合以及PB的原位生长过程减少了原料消耗，极大地提高了制备效率；复合电极对L-cys可在中性介质、低电位下进行，并且表现出良好的检测灵敏性、循环稳定性、抗干扰性及高实样回收率等优点。
附图说明
图1为实施例1制备的BNC(左图)及BNC@PB(右图)的SEM图。
图2为实施例1制备的BNC@PB/GF电极对L-cys检测的电位优化及量化曲线，A为电极BNC@PB/GF在有无L-cys的CV曲线；B为电极BNC@PB/GF在不同电位下对L-cys响应的i-t曲线；C为电极BNC@PB/GF在连续加入不同浓度L-cys的电流响应曲线；D为电流浓度线性曲线。
图3为实施例1制备的BNC@PB/GF电极对L-cys检测的抗干扰能力和长期稳定性测试，A为电极BNC@PB/GF检测L-cys的抗干扰检测曲线；B为电极BNC@PB/GF检测L-cys稳定性测试。
图4中A为实施例1制备的不同电极GF、PB/GF、BNC/GF、BNC@PB/GF的CV曲线；B为A的局部放大图；C和D分别为电极BNC@PB/GF制备过程中不同BNC浓度、不同生长时间的CV曲线。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中的原料均为市场可得产品。其中，石墨毡GF购买于甘肃郝氏碳纤维有限公司，规格3mm厚度；硼酸购买于天津光复科技发展有限公司；尿素购买于天津光复科技发展有限公司；聚乙二醇购买于上海阿拉丁科技股份有限公司。
实施例1
一种BNC@PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤如下：
(1)GF预处理
将GF裁剪成2cmˉ1cmˉ1mm的薄片，将裁剪好的GF先用超纯水洗去表面浮渣，再用甲醇和超纯水交替洗涤至无浮渣为止，60℃真空干燥过夜；选取30-50片清洗过的GF放入200ml硫酸：水＝1：1(v/v)的溶液中活化1h，然后用超纯水洗至中性，60℃真空干燥过夜。
(2)BNC的制备
将0.15g硼酸、5g尿素和0.5g聚乙二醇分散到50mL超纯水中，超声10min溶解，80℃烘箱放置10h，得到的白色粉末放于瓷舟中，Ar气氛、900℃(升温速率为5℃/min)下保持4h，Ar气氛自然冷却后得黑色BNC粉末。
(3)PB生长液的配制
A液含2mmol/L K3[Fe(CN)6]，B液含2.0mmol/L FeCl3、0.2mol/LKCl和0.05mmol/LHCl，A液、B液等体积混合即可制得PB生长液。
(4)BNC/GF的制备
取1.6ml、0.5mg/mL BNC水溶液于7mL离心管中，放入步骤(1)预处理后的GF，超声浴30min，用超纯水冲洗GF表面，60℃真空干燥过夜。
(5)BNC@PB/GF的制备
将步骤(3)的A液和B液等体积混合得PB生长液，取1.6mL新鲜配制的PB生长液(含1.0mmol/L K3[Fe(CN)6]，1.0mmol/LFeCl3,0.1mol/L KCl，0.025mmol/L HCl)于7ml离心管中，放入步骤(4)制备的BNC/GF，室温生长30min，超纯水冲洗GF表面，60℃真空干燥过夜，即得。
实施例2
BNC/GF、PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤如下：
(1)GF预处理，同实施例1步骤(1)。
(2)BNC/GF的制备，制备过程同实施例1中步骤(4)。
(3)PB/GF的制备，制备过程同实施例1中步骤(5)，区别为本实施例不放入BNC/GF，放入的是步骤(1)预处理的GF。
实施例3
一种BNC@PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤(4)取1.6mL、0.1mg/mL BNC溶液，其余与实施例1相同。
实施例4
一种BNC@PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤(4)取1.6mL、1.0mg/mL BNC溶液，其余与实施例1相同。
实施例5
一种BNC@PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤(5)PB纳米粒子生长时间为5min，其余与实施例1相同。
实施例6
一种BNC@PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤(5)PB纳米粒子生长时间为15min，其余与实施例1相同。
实施例7
一种BNC@PB/GF复合电极材料的制备方法，步骤(5)PB纳米粒子生长时间为60min，其余与实施例1相同。
上述实施例制备的复合电极材料的效果测试，结果如下：
利用循环伏安法(CV)对各电极GF、BNC/GF、PB/GF、BNC@PB/GF进行电化学性能测试，见图4A、4B，图4A中由于GF与BNC/GF的CV不出峰，故在当前图标度下重合，图4B局部放大后可以分辨。结果表明BNC@PB/GF电极具有更强的电流响应信号、更好的电化学可逆性及循环稳定性。
为了优化复合电极的制备条件，利用循环伏安法(CV)进行电化学性能测试，见图4C、4D。结果表明当BNC溶液浓度为0.5mg/ml、PB生长时间为30min时，所制备的电极具有更好的电化学性能。
利用计时电流法(CA)优化BNC@PB/GF复合电极对L-cys检测的检测电位，见图2B。实验证明在0.24V的电位下BNC@PB/GF对L-cys表现出更强的电流响应。
利用计时电流法(CA)、标准加入法研究BNC@PB/GF复合电极检测L-cys的线性范围、灵敏度和最低检测限。其中优化的结果为线性范围0.0055到4177μM，灵敏度0.21A/M，最低检测限1.1nM。
综上所述，利用本发明的方法得到的用于L-半胱氨酸检测的电化学传感器材料，对L-cys的线性响应范围为0.0055-4177μM、灵敏度为0.21A/M、最低检测限为1.1nM(S/N＝3)。
本发明制备的电化学传感器材料实现了对L-cys的高效检测，为L-cys的检测提供了一种可行性的思路。
检测试验
利用本发明实施例1的复合电极材料的电化学传感器对血清(胎牛血清，浙江天杭生物科技股份有限公司)和药片(半胱氨酸胶囊品牌：Puritan's Pride)中的L-cys进行检测，采用方法为标准加入法，具体操作为：①血清稀释、配制L-cys血清溶液、电极BNC@PB/GF检测L-cys血清溶液中L-cys含量；②定量称取L-cys胶囊，配制一定浓度的水溶液、用电极BNC@PB/GF检测L-cys药片溶液中L-cys含量，对比测定含量与标签含量计算回收率。结果见下表。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
