CN109781819B - 一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于N,S‑CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法和在赭曲霉毒素A(OTA)检测方面的应用。本发明通过氮和硫共掺杂和非共价功能化方法的协同效应，正确调整碳点的能级，优化紧密的界面接触和延长光吸收范围和增强电荷转移效率来制备得到N,S‑CDs/CuPc复合材料，并结合分子印迹技术，成功制备了分子印迹光电化学传感器。本发明制备的传感器以N,S‑CDs和CuPc形成的复合材料作为光电转换层，通过表面修饰含有毒素识别位点的分子印迹膜来实现OTA的检测。该传感器具有检测范围宽，选择性好，灵敏度高，检测限高达0.51pg·mL^‑1；同时响应稳定，具有良好的重现性。

Description

一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器 的制备方法和应用

技术领域

本发明涉及纳米材料、光电化学分析与环境监测、传感相结合技术领域，具体涉及一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法和在赭曲霉毒素A(OTA)检测方面的应用。

背景技术

碳点(CDs)具有优异的光学、电学和光电化学性质，被认为是光电化学(PEC)传感器中最有潜在应用的光响应候选物。然而，大多数报道的CDs仅在紫外范围内有吸收。为扩展其在光电化学传感和分析检测中的应用，探索具有宽光谱吸收范围和高电荷转移效率的CDs，以提高光电流响应性能是必要的。根据文献报道，杂原子掺杂和化学功能化可以调节CDs的光学和电子特性。而光电化学检测有低背景和高选择性的突出优点，且成本较低，仪器操作简单且易携带，因此光电化学(PEC)分析技术在化学和生物学分析中显示出巨大的潜力。为了提高传感器的性能，一方面，采用氮和硫原子共同掺杂和酞菁铜(CuPc)非共价功能化的协同作用增强碳点的光电化学性能。N,S-CDs/CuPc作为的光电转换层，使电子空穴能够高效快速的分离，产生稳定的光电流；另一方面，这里将分子印迹技术与光电化学相结合，从而提高传感器对OTA毒素的选择性和灵敏度。因此，本专利提供了酞菁铜(CuPc)非共价功能化氮和硫原子共掺杂碳点(N,S-CDs)复合物(N,S-CDs/CuPc)的制备方法，利用其协同作用制备了增强光电化学分子印迹(PEC-MIP)传感器，用于OTA毒素高选择性、高灵敏分析检测。

发明内容

针对现有的检测方法的检测限高和选择性差的问题，本发明的目的在于提供一种基于酞菁铜(CuPc)非共价功能化氮和硫原子共掺杂碳点(N,S-CDs)复合物(N,S-CDs/CuPc)的制备方法，利用其协同作用构建增强光电化学分子印迹传感器，实现对OTA毒素的识别和检测。

为实现上述一个目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法，包括如下步骤：

首先将N,S-CDs/CuPc复合材料修饰到ITO电极上，形成异质结构光电转换层；然后将含有赭曲霉毒素A(OTA)的分子印迹聚合液滴涂在所述异质结构光电转换层表面，通过光聚合得到分子印迹聚合物膜，再利用有机溶剂洗脱模板分子，得到本发明所述的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器。

进一步地，上述技术方案，所述N,S-CDs/CuPc复合材料在ITO电极上的修饰方法如下：将壳聚糖溶液与适量N,S-CDs/CuPc溶液混合得到混合溶液，然后取适量所得混合溶液滴涂在洁净的导电玻璃(ITO)电极上，干燥后冷却至室温即可。

进一步地，上述技术方案，所述的分子印迹聚合液由OTA模板分子、功能单体甲基丙烯酸(MAA)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)交联剂、偶氮二异丁腈(AIBN)引发剂组成。

优选地，上述技术方案，所述甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯和偶氮二异丁腈的摩尔比为8:3:1；所述OTA模板分子的体积与甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯、偶氮二异丁腈三者体积和之比为2:1。

进一步地，上述技术方案，所述的模板洗脱时间为10～30min，优选为20min。

进一步地，上述技术方案，所述N,S-CDs/CuPc复合材料采用如下方法制备：

(1)N,S-CDs的制备：按配比将柠檬酸和L-半胱氨酸溶于适量去离子水，然后在120～130℃的条件下搅拌反应3～4h，将得到的黄色的胶状物转移到聚四氟乙烯反应釜中，再在180～200℃条件下反应5～8h，反应结束后冷却到室温，离心、洗涤得到N,S-CDs，最后稀释20～40倍，得到N,S-CDs稀释液，备用；

(2)N,S-CDs/CuPc复合材料的制备：用氢氧化钠溶液将步骤(1)所得N,S-CDs稀释液的pH调至7，然后将N,S-CDs稀释液与CuPc溶液按比例混合，在震荡的条件下反应36～54h，最后过滤得到N,S-CDs/CuPc复合材料。

优选地，上述技术方案，步骤(1)所述柠檬酸与L-半胱氨酸的质量比为1～3：1。

优选地，上述技术方案，步骤(2)所述氢氧化钠溶液的浓度为2.0M，所述CuPc溶液的浓度为50μg/mL。

优选地，上述技术方案，步骤(2)所述N,S-CDs稀释液与CuPc溶液的体积比为1～1：2。

优选地，上述技术方案，步骤(2)所述反应时间为48h。

本发明的第二个目的在于提供上述所述方法制得的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器。

一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器，包括工作电极，以及依次修饰在所述电极表面的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的异质结构光电转换层和分子印迹聚合物膜层。

进一步地，上述技术方案，所述的工作电极优选为导电玻璃(ITO)电极。

进一步地，上述技术方案步骤(2)中所述工作电极是依次采用丙酮，乙醇，超纯水超声洗涤进行清洁的。

本发明的第三个目的在于提供上述所述方法制得的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的应用，可应用于OTA毒素的检测。

另外，本发明还提供了上述所述的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器应用于检测OTA毒素的方法，所述方法包括如下步骤：

(i)将所述分子印迹光电化学传感器浸入到含OTA的溶液中进行孵化；

(ii)检测OTA异质结构分子印迹光电化学传感器的电信号，将所述传感器放入含有抗坏血酸(AA)的溶液中进行电流-时间扫描，得到电流信号变化情况。

优选地，上述技术方案步骤(i)所述的孵化时间为15min。

优选地，上述技术方案步骤(ii)所述的抗坏血酸浓度为30nM。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明合成了氮和硫原子共掺杂碳点(N,S-CDs)，提高了其光学、电学和光电化学性质。

(2)本发明氮和硫原子共同掺杂的碳点(N,S-CDs)和酞菁铜(CuPc)非共价功能化的协同作用增强光电化学性能的N,S-CDs/CuPc复合材料，可提高光电转换效率。

(3)本发明通过将分子印迹技术与光电化学分析方法相结合，不仅提高了传感器的选择性，而且还起到了富集分析物的目的。

(4)本发明在检测过程中采用较低的偏置电压为0V，有效的避免了印迹膜被氧化，有利于保持传感器和信号的稳定，并且通过洗脱和培养，实现传感器的重复利用。

(5)本发明的光电化学分析方法实现了对OTA的检测，采用的仪器廉价便携，传感器的制备方法简单易行，信号响应快速，具有较高的灵敏度，检测限低至0.51pg·mL^-1

(6)本发明的光电化学分析方法可以用于实际样品检测，并且基于氮和硫原子共同掺杂的碳点(N,S-CDs)和酞菁铜(CuPc)非共价功能化的协同作用增强光电化学性能的分子印迹化学传感器的设计思路和制备方法为开发相似类型的传感器用于识别其他目标分析物的检测提供了巨大帮助，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备传感器及应用检测流程图；

图2为本发明实施例1氮和硫原子共同掺杂的碳点(N,S-CDs)和酞菁铜(CuPc)非共价功能化制得的N,S-CDs/CuPc复合材料的扫描电镜图；

图3为其他物质对传感器检测OTA的干扰。其中分析物OTA的浓度为1ng/mL，其他物质的浓度为10ng/mL。

图4为传感器检测OTA的重现性。其中分析物OTA的浓度为1.0ng_/mL。

图5为传感器检测OTA的光电流响应图和相应的线性图。其中OTA的浓度a-g分别为0,0.001,0.01,0.1,1,10,100ng_/mL。

具体实施方式

下面对本发明的实施案例作详细说明。本实施案例在本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施案例。

为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。

本发明通过氮和硫共掺杂和非共价功能化方法的协同效应，正确调整碳点的能级，优化紧密的界面接触和延长光吸收范围和增强电荷转移效率来制备得到N,S-CDs/CuPc复合材料，并结合分子印迹技术，成功制备了分子印迹光电化学传感器。本发明制备的传感器以N,S-CDs和CuPc形成的复合材料作为光电转换层，通过表面修饰含有毒素识别位点的分子印迹膜来实现OTA的检测。该传感器具有检测范围宽，选择性好，灵敏度高，检测限高达0.51pg·mL^-1；同时响应稳定，具有良好的重现性。

实施例1

本实施例的一种实施例1N,S-CDs和N,S-CDs/CuPc复合材料的制备，制备过程如下：

(1)本发明中使用的碳点是参照了Wang Hang-Xing等在文献(Rational designof nitrogen and sulfur co-doped carbon dots for efficient photoelectricalconversion applications,Wang Hang-Xing et al,Journal of Materials ChemistryA,2015,3,11287)中报道的方法并做了稍微的改动。具体的是首先将2g的柠檬酸和1g的L-半胱氨酸依次加入到去离子水中，将所得混合液在120℃至130℃的条件下搅拌反应3至4小时；然后将得到的黄色的胶状物转移到聚四氟乙烯反应釜中，在180℃至200℃的条件下反应5至8小时后冷却到室温。最后通过离心和乙醇洗涤得到N,S-CDs，冲洗溶解并稀释30倍待使用。然后用氢氧化钠溶液将稀释的N，S-CDs的pH调节到7，并和50μg/mL的CuPc溶液进行1:1混合，在震荡的条件下反应48小时。最后通过过滤得到N,S-CDs/CuPc复合材料，并稀释20倍待使用。由图2可以看到N,S-CDs的粒径大约是5nm，而N,S-CDs/CuPc复合材料展现出类似于雪花一样的形貌。

实施例2分子印迹光电化学传感器的制备，制备过程如下：

本发明中使用的分子印迹聚合物膜是参照了Mao Lebao等在文献(Molecularlyimprinted photoelectrochemical sensor for fumonisin B₁based on GO-CdSheterojunction，Mao Lebao et al，Biosens.Bioelectron.2019，127，57-63)中的方法。首先将百分之一的壳聚糖溶液与复合物N,S-CDs/CuPc溶液混合，然后取100μL的混合溶液滴涂在洁净的导电玻璃(ITO)电极上，并在干燥相中于60℃干燥2至3小时并冷却至室温，即得到所需复合物修饰电极。然后在修饰电极上滴加20μL含有原浓度为20mg/ml OTA模板分子，功能单体甲基丙烯酸(MAA)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)的交联剂和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)的聚合液，其中OTA模板分子与功能单体甲基丙烯酸(MAA)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)的交联剂和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)(MAAE：DMA：AIBN＝8:3:1)的体积比为2:1。在紫外光照射15min或相对合适时间得到分子印迹聚合物膜，然后再在乙醇溶液中洗脱20min将模板分子除去，即得到基于氮和硫原子共同掺杂的碳点(N,S-CDs)和酞菁铜(CuPc)非共价功能化的协同作用增强光电化学性能的分子印迹化学传感器。

实施例3分子印迹光电化学传感器对OTA的特异性检测，检测过程如下：

将实施例2制备好的传感器用大米萃取液中加入不同物质(Ochratoxin B(OTB)，deoxynivalenol(DON),Zearalenone(ZON)and Patulin(PAT)，Fumonisin B₁(FB₁)，glucose(GLU)，Dopamine(DA)，OTA和包含OTA和所有干扰物加在一起的混合液孵化，结果如图3所示，干扰物质浓度为10ng_/mL，OTA浓度为1ng_/mL，可以看到，干扰物对传感器的信号采集没有影响，而在加入OTA之后，电流发生了显著变化，且与混合物培养的传感器信号一致，结果表明传感器对OTA有很好的选择性。

实施例4分子印迹光电化学传感器对OTA的重现性检测，检测过程如下

采用实施例2制备传感器的方法，在五根不同的电极上制备分子印迹传感器，得到五个传感器，然后用不同浓度的OTA孵化，然后进行信号检测。如图4所示，发现不同根电极制备的传感器具有相差不大的信号响应，且三次测量的相对标准偏差不超过2.8％，表明制备传感器的方法具有很好的重现性。

实施例5传感器对OTA的灵敏度检测

用实施例2所获得的基于氮和硫原子共同掺杂的碳点(N,S-CDs)和酞菁铜(CuPc)非共价功能化的协同作用增强光电化学性能的分子印迹传感器对不同浓度OTA进行灵敏度检测。如图5所示，OTA的浓度从a-g依次为0,0.001,0.01,0.1,1,10,100ng_/mL，光电流响应随着OTA浓度的增加而减小，其相应线性关系为ΔI＝73.69log(c,ng_/mL)+233.68，且其检测限低至0.51pg_/mL。

综上所述，本实施例设计的基于氮和硫原子共同掺杂的碳点(N,S-CDs)和酞菁铜(CuPc)非共价功能化的协同作用增强光电化学性能的分子印迹传感器，具有选择性好的优点，并且对其他相关的物质具有较强的抗干扰能力，最重要是其可以用来迅速简便地检测食物中的OTA。因此，本发明提供的设计思路和制备方法可能为设计和开发识别其他目标分析物的基于异质结构的分子印迹光电化学传感器提供了巨大帮助。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先将N,S-CDs/CuPc复合材料修饰到ITO电极上，形成异质结构光电转换层；然后将含有OTA毒素的分子印迹聚合液滴涂在所述异质结构光电转换层表面，通过光聚合得到分子印迹聚合物膜，再利用有机溶剂洗脱模板分子，得到所述的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器；其中：

所述N,S-CDs/CuPc复合材料采用如下方法制备：

(1)N,S-CDs的制备：按配比将柠檬酸和L-半胱氨酸溶于适量去离子水，然后在120～130℃的条件下搅拌反应3～4h，将得到的黄色的胶状物转移到聚四氟乙烯反应釜中，再在180～200℃条件下反应5～8h，反应结束后冷却到室温，离心、洗涤得到N,S-CDs，最后稀释20～40倍，得到N,S-CDs稀释液，备用；所述柠檬酸与L-半胱氨酸的质量比为1～3：1；

(2)N,S-CDs/CuPc复合材料的制备：用氢氧化钠溶液将步骤(1)所得N,S-CDs稀释液的pH调至7，然后将N,S-CDs稀释液与CuPc溶液按比例混合，在震荡的条件下反应36～54h，最后过滤得到N,S-CDs/CuPc复合材料；所述N,S-CDs稀释液与CuPc溶液的体积比为1～1：2。

2.根据权利要求1所述的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法，其特征在于：所述N,S-CDs/CuPc复合材料在ITO电极上的修饰方法如下：将壳聚糖溶液与适量N,S-CDs/CuPc溶液混合得到混合溶液，然后取适量所得混合溶液滴涂在洁净的导电玻璃电极上，干燥后冷却至室温即可。

3.根据权利要求1所述的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法，其特征在于：所述的分子印迹聚合液由OTA模板分子、功能单体甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯交联剂、偶氮二异丁腈引发剂组成。

4.权利要求1～3任一项所述基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的制备方法制备得到的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器。

5.一种基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器，包括工作电极，以及依次修饰在所述电极表面的光电转换层和分子印迹聚合物膜层，其特征在于：所述光电转换层材料采用的是权利要求1～3任一项所述方法制备得到的基于N,S-CDs/CuPc复合材料。

6.权利要求1～3任一项所述方法制备得到的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器的应用，其特征在于：可应用于OTA毒素的检测。

7.根据权利要求6所述的基于N,S-CDs/CuPc复合材料的分子印迹光电化学传感器应用于检测OTA毒素的方法，所述方法包括如下步骤：

(i)将所述分子印迹光电化学传感器浸入到含OTA的溶液中进行孵化；

(ii)检测OTA异质结构分子印迹光电化学传感器的电信号，将所述传感器放入含有抗坏血酸(AA)的溶液中进行电流-时间扫描，得到电流信号变化情况。

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