用于催化氧化和檢測(cè)肼的生物電極材料的制備及其應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的制備方法，所述的制備工藝包括：分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維（ZnO/CNF）的制備和生物電極制備；所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維（ZnO/CNF）的制備工藝包括：碳纖維→酸化氧化→洗滌超聲處理→溶液浸泡→水解→煅燒活化→洗滌→分級(jí)結(jié)抅ZnO/CNF；所述的生物電極制備工藝包括：ZnO/CNF懸浮液→混合酶蛋白液→滴涂在電極表面→干燥→生物電極。實(shí)現(xiàn)了氧化還原酶直接電子傳遞過(guò)程，對(duì)肼的氧化具有良好的生物催化活性與穩(wěn)定性。此電化學(xué)分析法能有效地檢測(cè)水合肼，具有選擇性好，靈敏度高，能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。是一種高效穩(wěn)定的直接電化學(xué)生物電極材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于催化氧化和檢測(cè)肼的生物電極材料的制備及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極材料制備方法及其應(yīng)用。 以分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF復(fù)合碳納米纖維固定化氧化還原酶，修飾玻碳電極，制備應(yīng)用于肼濃 度分析的生物電極材料。此電化學(xué)分析法能有效地檢測(cè)水合肼，具有選擇性好，靈敏度高， 能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]肼(N2H4)又稱(chēng)聯(lián)氨，是一種重要的精細(xì)化工原料，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、軍 事、航天等領(lǐng)域。但同時(shí)，肼也被認(rèn)為是一種致癌物質(zhì)和神經(jīng)毒素，給人體的健康造成很大 的傷害。肼排放不當(dāng)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，肼濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也是當(dāng)務(wù)之急。開(kāi)發(fā) 新型電化學(xué)肼監(jiān)測(cè)電極材料，研究肼的電化學(xué)行為，對(duì)有效實(shí)施環(huán)境污染物肼的監(jiān)測(cè)，具有 重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。
[0003]目前對(duì)溶液中水合肼的測(cè)定方法有紫外-分光光譜法，熒光分光光譜法，流動(dòng)注 射法，氣相色譜聯(lián)用法，化學(xué)發(fā)光法，化學(xué)滴定法和電化學(xué)分析法等。其中，水合肼的電化學(xué) 分析在近幾年中得到了迅速發(fā)展。電化學(xué)分析以其檢測(cè)靈敏，操作簡(jiǎn)便而越來(lái)越受到人們 的青睞。目前電極材料的選取主要有鉬、鎳、金、銀、銅、鈷等金屬修飾電極，碳納米管修飾電 極和水滑石負(fù)載的鈀納米粒子修飾電極等。將納米材料修飾的玻碳電極用于水合肼的電催 化氧化，對(duì)肼的氧化具有良好地電化學(xué)催化活性。但未見(jiàn)有關(guān)以分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米 纖維(ZnO/CNF)固定化氧化還原酶為電極材料，制備應(yīng)用于肼濃度檢測(cè)的生物電極材料。
[0004]生物電催化經(jīng)歷了以氧為中繼體的電催化、基于人造中繼體的電催化、以及當(dāng)前 以氧化還原酶的直接電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)為技術(shù)基礎(chǔ)的三代生物電極材料。酶蛋白直接固載于玻 碳電極上，易失活和脫落，電極穩(wěn)定性差。將氧化還原酶固載于分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF上，有助 于實(shí)現(xiàn)快速有效地直接電子轉(zhuǎn)移，顯著提高生物電極材料的催化活性與穩(wěn)定性。酶蛋白直 接催化肼的氧化，具有選擇性好，靈敏度高，能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于分級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)合碳納米纖維為載體的 生物電極材料的制備及應(yīng)用方法。在不添加任何電子傳遞媒介體的條件下，氧化還原酶/ ZnO/CNF修飾的玻碳電極快速催化氧化水合肼，實(shí)現(xiàn)酶蛋白與肼的直接電子傳遞過(guò)程。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種用于催化氧化和檢測(cè)水合 肼的生物電極的制備方法，所述的制備工藝包括:分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF) 的制備和生物電極制備；所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)的制備工藝包括 碳纖維一酸化氧化一洗滌超聲處理一溶液浸泡一水解一煅燒活化一洗滌一分級(jí)結(jié)抅ZnO/ CNF ;所述的生物電極制備工藝包括:Zn0/CNF懸浮液一混合酶蛋白液一滴涂在電極表面一 干燥一生物電極。
[0007]本發(fā)明所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)的制備方法如下:碳纖維經(jīng)酸化氧化，洗滌超聲，于有機(jī)鋅鹽和過(guò)二硫酸銨溶液中30-80° C浸泡5-24hr，再加氨水水 解，300-800° C，煅燒活化20-120 min,洗滌，獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF ;所述ZnO復(fù)合碳納米纖 維中，ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.2%?5%。
[0008]本發(fā)明所述的生物電極制備制備方法如下:將等體積的ZnO/CNF懸浮液與酶蛋白 液混合，滴涂在玻碳電極(GCE)表面，室溫下干燥4°C冰箱保存，從而得到應(yīng)用于肼濃度分 析的生物電極。
[0009]本發(fā)明所述的有機(jī)鋅鹽包括葡萄糖酸鋅，酒石酸鋅，乙酸鋅中的一種。
[0010]本發(fā)明所述生物電極的制備方法中，酶蛋白溶液濃度在2?10mg/mL，ZnO/CNF濃度 在 0.5?5.0mg/Lo
[0011]本發(fā)明所述一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的應(yīng)用方法，在三電極系 統(tǒng)下，以肼的磷酸緩沖溶液為電解液，利用生物電極峰電流與肼濃度在一定范圍內(nèi)的線(xiàn)性 關(guān)系，通過(guò)生物電極進(jìn)行肼濃度檢測(cè)。
[0012]本發(fā)明所述生物電極的應(yīng)用方法是在電化學(xué)工作站上進(jìn)行；所述實(shí)驗(yàn)采用三電 極:以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉬絲為對(duì)電極，工作電極是Hb/ ZnO/CNF等修飾玻 碳電極；在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行，溫度為20-30°C，掃描范圍為0V-0.9V，掃描速度為10-200mV/ s，電解液為肼的磷酸緩沖溶液。
[0013]本發(fā)明提供一種高活性與高穩(wěn)定性生物電極材料制備方法，以分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF 復(fù)合碳納米纖維固定化氧化還原酶，修飾玻碳電極，制備應(yīng)用于肼濃度分析的生物電極材 料，實(shí)現(xiàn)了氧化還原酶直接電子傳遞過(guò)程，對(duì)肼的氧化具有良好的生物催化活性與穩(wěn)定性。 此電化學(xué)分析法能有效地檢測(cè)水合肼，具有選擇性好，靈敏度高，能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線(xiàn) 連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是一種肼含量分析的新型直接電化學(xué)生物電極材料，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分 析、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1.不同修飾電極的直接電化學(xué)性質(zhì)在0.1M KCl的5mM鐵氰化鉀溶液中的循環(huán) 伏安圖;其中，(a) CNF/GCE ；(b) ZnO/CNF/GCE ；(c) Hb/ZnO/CNF/GCE ；(d) Hb/GCE ；
圖2.修飾電極Hb/ZnO/CNF/GCE對(duì)肼的生物電催化行為，
圖3.為峰電流與水合肼濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0016]實(shí)施例1:本發(fā)明所述的生物電極的制備方法:將碳纖維經(jīng)酸化氧化，洗滌超聲， 于葡萄糖酸鋅和過(guò)二硫酸銨溶液中30° C浸泡5hr，再加氨水水解，300° C煅燒活化20 min, 洗滌，獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF ;所述ZnO復(fù)合碳納米纖維中，ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.2%。本發(fā)明 所述的生物電極制備制備方法如下:將等體積的ZnO/CNF懸浮液與酶蛋白液混合，ZnO/CNF 濃度在0.5mg/L，酶蛋白溶液濃度在2mg/mL，滴涂在玻碳電極(GCE)表面，室溫下干燥過(guò)夜， 從而得到應(yīng)用于肼濃度分析的生物電極。
[0017]實(shí)施例2:本發(fā)明所述的生物電極的制備方法:將碳纖維經(jīng)酸化氧化，洗滌超聲， 于酒石酸鋅和過(guò)二硫酸銨溶液中80° C浸泡24hr,再加氨水水解,800° C煅燒活化120 min,洗滌，獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF ;所述ZnO復(fù)合碳納米纖維中，ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%。本發(fā)明所述的生物電極制備制備方法如下:將等體積的ZnO/CNF懸浮液與酶蛋白液混合，ZnO/CNF濃度在5mg/L，酶蛋白溶液濃度在10mg/mL，滴涂在玻碳電極(GCE)表面，室溫下干燥過(guò)夜，從而得到應(yīng)用于肼濃度分析的生物電極。
[0018]實(shí)施例3:本發(fā)明所述的生物電極的制備方法:將碳纖維經(jīng)酸化氧化，洗滌超聲， 于乙酸鋅和過(guò)二硫酸銨溶液中50° C浸泡16hr，再加氨水水解，500°(:煅燒活化601-11，洗滌， 獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF ;所述ZnO復(fù)合碳納米纖維中，ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%。本發(fā)明所述的生物電極制備制備方法如下:將等體積的ZnO/CNF懸浮液與酶蛋白液混合，ZnO/CNF濃度在 2mg/L，酶蛋白溶液濃度在5mg/mL，滴涂在玻碳電極(GCE)表面，室溫下干燥過(guò)夜，從而得到應(yīng)用于肼濃度分析的生物電極。
[0019]實(shí)施例4:本發(fā)明所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的應(yīng)用方法:該方法是在EC6100電化學(xué)工作站上進(jìn)行；所述實(shí)驗(yàn)采用三電極:以飽和甘汞電極 (SCE)為參比電極，鉬絲為對(duì)電極，工作電極是ZnO/CNF修飾玻碳電極；在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行， 溫度為20°C，掃描范圍在0V-0.9V之間的不同電位范圍，電解液為肼的磷酸緩沖溶液。
[0020]實(shí)施例5:本發(fā)明所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的應(yīng)用方法:該方法是在EC6100電化學(xué)工作站上進(jìn)行；所述實(shí)驗(yàn)采用三電極:以飽和甘汞電極 (SCE)為參比電極，鉬絲為對(duì)電極，工作電極是Hb修飾玻碳電極；在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行，溫度為30° C，掃描速度在10-200mV/s之間變化，電解液為肼的磷酸緩沖溶液。
[0021]實(shí)施例6:利用循環(huán)伏安測(cè)定對(duì)不同修飾電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了比較。分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)由于其半導(dǎo)體特性，以及多組分、多維度的耦合和協(xié)同效應(yīng)，使其表面原子具有高的反應(yīng)活性，是良好的酶分子固定化載體材料，并利于實(shí)現(xiàn)血紅蛋白的直接電子傳遞過(guò)程。對(duì)比研究不同修飾電極在含有0.1 mo I/L KCl的5 mmol/L鐵氰化鉀中的循環(huán)伏安行為。
[0022]由圖1可知，修飾電極的直接電子傳遞過(guò)程是穩(wěn)定、可逆的。其中Hb/ZnO/CNF/GCE 生物電極的峰電流比ZnO/CNF/GCE電極的峰電流小，主要是Hb/ZnO/CNF/GCE電極材料的電阻大，電流的響應(yīng)信號(hào)相應(yīng)減小。Hb/ZnO/CNF/GCE生物電極的響應(yīng)峰電流比Hb/GCE電極大，說(shuō)明了分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)由于其良好導(dǎo)電性，以及納米尺寸產(chǎn)生的表面效應(yīng)，能更好地促進(jìn)酶分子活性中心的生物電催化活性。ZnO/CNF/GCE電極具有比 CNF/GCE電極更大地的電流響應(yīng)，表明ZnO/CNF導(dǎo)電性好。
[0023]結(jié) 果表明分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF修飾的玻碳電極具有較好的導(dǎo)電性，有效快速的實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白Hb活性中心與修飾電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。
[0024]實(shí)施例7:利用修飾電極Hb/ZnO/CNF/GCE研究對(duì)肼的生物電催化行為。采用安培測(cè)定研究了 Hb/ZnO/CNF/GCE膜內(nèi)，血紅蛋白Hb生物電催化氧化水合肼的行為。在恒定電位250mV的工作電壓下，向0.05 mo I/L的磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH 7.0)中，連續(xù)加入水合肼，檢測(cè)Hb/ZnO/CNF/G CE生物電極，對(duì)水合肼濃度變化的電流-時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)(圖2)。 從圖2中可以看到，Hb/ZnO/CNF/GCE生物電極對(duì)肼有明顯的生物電催化活性，隨著肼濃度增加，電極的電流響應(yīng)隨之增大。酶電極達(dá)到95%穩(wěn)態(tài)電流時(shí)的響應(yīng)時(shí)間低于10s。結(jié)果表明:氧化還原酶蛋白，經(jīng)過(guò)分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF復(fù)合碳納米纖維固定,能在玻碳電極上實(shí)現(xiàn)快速有效地直接電子傳遞，快速響應(yīng)肼濃度變化。[0025]如圖2所示，電極電流響應(yīng)與肼濃度在一定范圍內(nèi)有良好的線(xiàn)性關(guān)系，電極在肼 濃度1.96X Kr5 - 4.375X Kr3 mol/L范圍內(nèi)，呈現(xiàn)線(xiàn)性響應(yīng)，靈敏度為1.37X Kr4 uA(m mo I/Lr1CnT2,檢測(cè)限為6.5X l(T6mol/L?；诖耍梢詫b/ZnO/CNF/GCE生物電極，作為肼 濃度檢測(cè)的生物電極材料。
[0026]以上實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的一種生物電極材料制備方法及工藝，能靈敏 高效地檢測(cè)水合肼含量，該生物材料電極可用于獲得其它氧化還原蛋白質(zhì)的直接電子轉(zhuǎn) 移，同時(shí)能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。
[0027]實(shí)施例8:對(duì)于修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性的測(cè)定:將使用過(guò)的Hb/ZnO/CNF修飾 的玻碳電極4°C干態(tài)保存，2周后再次進(jìn)行測(cè)試，電極對(duì)肼的響應(yīng)達(dá)到96%的原始電流響應(yīng)， 說(shuō)明該生物電極具有穩(wěn)定的電催化活性。
[0028]將同批制備的6支Hb/ZnO/CNF修飾的玻碳電極在0.05mmol/L肼與pH7.0磷酸緩 沖溶液中，對(duì)肼的電流響應(yīng)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.0%，說(shuō)明修飾電極的制備過(guò)程具有較好的 重現(xiàn)性。這種新穎的生物電極材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。
[0029]需要說(shuō)明的是，上述僅僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范 圍，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上所作出的等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的制備方法，其特征在于，所述的制備 工藝包括:分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)的制備和生物電極制備；所述的分級(jí)結(jié) 構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)的制備工藝包括:碳纖維一酸化氧化一洗滌超聲處理一 溶液浸泡一水解一煅燒活化一洗滌一分級(jí)結(jié)抅ZnO/CNF ;所述的生物電極制備工藝包括: ZnO/CNF懸浮液一混合酶蛋白液一滴涂在電極表面一干燥一生物電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的制備方法，其 特征在于，所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO復(fù)合碳納米纖維(ZnO/CNF)的制備方法如下:碳纖維經(jīng)酸 化氧化，洗滌超聲，于有機(jī)鋅鹽和過(guò)二硫酸銨溶液中30-80° C浸泡5-24hr，再加氨水水解， 300-800° C，煅燒活化20-120 min，洗滌，獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO/CNF ；所述的ZnO復(fù)合碳納米纖 維中，ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.2%?5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的制備方法，其 特征在于，所述的生物電極制備制備方法如下:將等體積的ZnO/CNF懸浮液與酶蛋白液混 合，滴涂在玻碳電極(GCE)表面，室溫下干燥4°C冰箱保存，從而得到應(yīng)用于肼濃度分析的 生物電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的制備方法，其 特征在于，所述的有機(jī)鋅鹽包括葡萄糖酸鋅，酒石酸鋅，乙酸鋅中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的制備方 法，其特征在于，所述酶蛋白溶液濃度在2?10mg/mL，ZnO/CNF濃度在0.5?5.0mg/L。
6.一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的應(yīng)用方法，其特征在于，所述的應(yīng)用 方法為:在三電極系統(tǒng)下，以肼的磷酸緩沖溶液為電解液，利用生物電極峰電流與肼濃度在 一定范圍內(nèi)的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)生物電極進(jìn)行肼濃度檢測(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于催化氧化和檢測(cè)水合肼的生物電極的應(yīng)用方法，其 特征在于，所述生物電極的應(yīng)用方法是在EC6100電化學(xué)工作站上進(jìn)行；所述實(shí)驗(yàn)采用三電 極:以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉬絲為對(duì)電極，工作電極是Hb/ ZnO/CNF等修飾玻 碳電極；在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行，溫度為20-30°C，掃描范圍為0V-0.9V，掃描速度為10-200mV/ s，電解液為肼的磷酸緩沖溶液。
【文檔編號(hào)】G01N27/327GK103439387SQ201310377178
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】吳敏, 孟俊麗, 丁穩(wěn), 代云茜, 李穎, 齊齊, 倪恨美 申請(qǐng)人:南京威安新材料科技有限公司