專利名稱：一種具有生物傳感功能的納米材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物傳感材料的電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種具有生物傳感功能的納米材料及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電化學(xué)生物傳感器最近幾十年來引起廣泛的關(guān)注。這是因?yàn)?，與其他傳感器相比， 電化學(xué)生物傳感器兼具電化學(xué)傳感的簡單性及生物傳感對分子的專一識別性，因此具有選擇性好、靈敏度高、簡單、便攜等突出優(yōu)點(diǎn)，在公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測等方面得到了廣泛應(yīng)用。一般而言，生物電化學(xué)傳感器包括電子轉(zhuǎn)移介體、酶、輔酶(基于脫氫酶體系的生物傳感)三個部分。傳統(tǒng)的生物電化學(xué)傳感器的制備過程通常將電子轉(zhuǎn)移介體直接滴涂到導(dǎo)電基底(如玻碳電極)上，然后將酶通過共價或非共價方式固定于其上。如此多步驟的電極制備過程必然會存在復(fù)雜、重現(xiàn)性差、費(fèi)時等缺點(diǎn)，因此無法滿足快速、重現(xiàn)性好、精確的現(xiàn)場測定要求。因此，如何將參與生物電催化反應(yīng)的物質(zhì)(如酶、輔酶和電子轉(zhuǎn)移介體等)同時固定到電極表面，成為亟待解決的難題。最近，無限配位聚合物(infinitecoordination polymers, I CPs)作為一種新型納米材料越來越受到人們的廣泛關(guān)注。它由金屬離子或金屬離子簇和多齒橋聯(lián)配體通過自組裝而成的具有可控的尺寸和形貌的一類有機(jī)無機(jī)雜化材料，在傳感、催化、光學(xué)、氣體儲存、離子交換、價態(tài)互變異構(gòu)和藥物載體等方面顯示出巨大的應(yīng)用前景。此外，ICPs能將不同種類的客體分子獨(dú)自或混合包裹于其內(nèi)，從而大大增加了其在光、電、磁方面的獨(dú)特性能及潛在應(yīng)用。將有機(jī)染料、無機(jī)金屬納米粒子、量子點(diǎn)、藥物和蛋白包裹于ICPs內(nèi)而得到多功能納米材料的研究已有報(bào)告。然而，迄今為止，無限配位聚合物在電化學(xué)方面的應(yīng)用尚未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)⒚?、輔酶、電子轉(zhuǎn)移介體同時固定，且兼具生物傳感功能的納米材料及其制備方法。本發(fā)明所提供的納米材料是按照包括下述步驟的方法制備得到的室溫下將酶、 與所述酶相匹配的輔酶和電子轉(zhuǎn)移介體溶于水溶液中，得混合溶液；向所述混合溶液中加入含稀土金屬離子的水溶液，靜置直至沉淀完全，離心，收集沉淀并洗滌，即得到所述具有生物傳感功能的納米材料。所述酶具體包括下述任意一種酶葡萄糖氧化酶、次黃嘌呤氧化酶、丙酮酸氧化酶、葡萄糖脫氫酶、谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶、乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、乙酸脫氫酶、纖維二糖脫氫酶、D-果糖脫氫酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶；所述輔酶具體為NAD+或NADP+ ；所述電子轉(zhuǎn)移介體可選自下述任意一種亞甲基藍(lán)、亞甲基綠、硫堇、二茂鐵類物質(zhì)(如二茂鐵、羧酸二茂鐵等)、醌類物質(zhì)(如苯醌、四氯苯醌等)、聚亞甲基綠和氮雜環(huán)染
3料。本發(fā)明方法的所述混合溶液中，酶的濃度可為200-2000 μ g/mL,輔酶的濃度可為 I-IOmM,電子轉(zhuǎn)移介體的可濃度為0. I-ImM ；向所述混合液中加入的稀土金屬離子與所述輔酶的摩爾比可為(1 1)-(3 1)。上述方法中，溶解酶、輔酶和電子轉(zhuǎn)移介體的水溶液具體可為水、HEPES緩沖液O -[4- (hydroxyethyl) -1-piperazinyl] ethanesulfonic acid) 5 Tris-HCl 緩7中液。所用的HEPES緩沖液的濃度可為0. 1M，其PH值為6. 0-7. 4。本發(fā)明的再一個目的是提供一種納米材料修飾電極以及以該修飾電極為工作電極制備的生物傳感器。本發(fā)明所提供納米材料修飾電極，可按照下述兩種方法制備得到1、將本發(fā)明制備的具有生物傳感功能的納米材料分散于水中，配制成分散液；再將所述分散液滴涂到電極表面，干燥，得到納米材料修飾電極；2、將本發(fā)明制備的具有生物傳感功能的納米材料摻雜到碳納米管或石墨烯中，然后將摻雜的碳納米管或石墨烯修飾到電極表面，干燥，得到納米材料修飾電極。其中，將納米材料摻雜到碳納米管或石墨烯的方法為常規(guī)方法，參見文獻(xiàn) (K.Gong, Y.Yan, Μ.Zhang, L.Su, S. Xiong, L.Mao, Analytical Sciences,2005,21, 1383-1393 ；K. Gong, Y. Dong, S. Xiong, Y. Chen, L.Mao, Biosensors and Bioelectronics, 2004，20，254-259 ；Y. Yan, W. Zheng, M. Zhang, L. Wang, L. Su, L. Mao, Langmuir，2005，21， 6560-6566)。上述1或2中所述電極具體可為玻碳電極。本發(fā)明所提供的電化學(xué)生物傳感器既可為三電極體系，也可為兩電極體系，包括工作電極、對電極、電解液，所述工作電極是本發(fā)明所提供的納米材料修飾電極。以葡萄糖電化學(xué)傳感器為例，利用ICPs作為載體將參與葡萄糖電化學(xué)催化的活性物質(zhì)都整合在一起，從而構(gòu)建一個將各活性組分都整合到一個納米球內(nèi)的電化學(xué)傳感器。具體如下以輔酶 β-nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)為配體的鑭系 ICPs 作為構(gòu)建單元，在該無限配位聚合物中，NAD+的核酸堿基和磷酸基與鑭系金屬離子配位，而 NAD+的電活性部位并沒有受此影響。然后，在合成該無限配位聚合物過程中將電子轉(zhuǎn)移介體亞甲基綠(Methylene Green,MG)和葡萄糖脫氫酶(glucosedehydrogenase，GDH)同時包裹進(jìn)去，得到具有生物傳感功能的納米材料。以該納米材料修飾的玻碳電極或與碳納米管、 石墨烯等導(dǎo)電性物質(zhì)摻雜后納米材料修飾的玻碳電極為工作電極，構(gòu)建了一個便捷、有效、 環(huán)境友好的葡萄糖電化學(xué)傳感器。用電化學(xué)方法測定了其對葡萄糖的響應(yīng)，證實(shí)了該納米材料對葡萄糖具有快速、靈敏、線性范圍寬的響應(yīng)特征。本發(fā)明提供了一種將電化學(xué)生物傳感器中的酶、輔酶、電子介體同時固定的一步室溫合成法。與傳統(tǒng)的方法相比，具有下述突出的優(yōu)點(diǎn)首先，大大簡化了傳感器的制備過程，省去了許多繁瑣的程序；其次，該方法是環(huán)境友好的，在合成過程中沒有使用苛刻的條件及造成材料的浪費(fèi)；最后，所得無限配位聚合物尺寸處于納米級別，極大地縮短了各物質(zhì)之間的距離，加快了酶的電活性中心與電極表面的電子傳遞，進(jìn)而有利于傳感器的微型化。 該方法在整合的電化學(xué)傳感器和生物燃料電池甚至電化學(xué)其他領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前
旦
ο
圖1為實(shí)施例1中MG/⑶H/tb-NAD+納米材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM)。圖2為實(shí)施例1中MG/⑶Η/Tb-NAD+納米材料的葡萄糖響應(yīng)曲線(i_t曲線)。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明的產(chǎn)品和方法作進(jìn)一步的說明，但這些具體實(shí)施例不以任何方式限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實(shí)施例1、制備具有生物傳感功能的納米材料(MG/GDH/Tb-NAD+)及電化學(xué)傳感器將MG(亞甲基綠)、⑶H(葡萄糖脫氫酶)和NAD+同時溶于ImL HEPES緩沖溶液 (pH 7.4，濃度0. 1M)中，使其各自濃度分別為0. lmMJOOyg/mL和10mM。在室溫條件下，將 ImL Tb(NO3)3-BH2O(IOmM)水溶液加入上述溶液，靜置若干小時。所得的沉淀用純水洗滌并離心，棄去上清液。重復(fù)上述操作至少三次，最后再用純水分散。然后對其進(jìn)行了 SEM表征 (見圖1)，可看出所得材料尺寸為納米級。MG/⑶Η/Tb-NAD+的電化學(xué)傳感研究將5 μ L MG/GDH/Tb-NAD+水分散液滴涂到裸玻碳電極表面，自然晾干。以該修飾電極為工作電極，以Ag/AgCl (飽和氯化鉀)為參比、以鉬絲為對電極，以0. IM磷酸緩沖溶液 (pH 7.0)為支持電解液，得到葡萄糖電化學(xué)傳感器。用電化學(xué)方法測定了其對葡萄糖的響應(yīng)。將電位控制在0. 2V，往支持電解液中不斷滴加葡萄糖(初始濃度2M)數(shù)微升，從圖2可看出，在250 μ M-8mM范圍內(nèi)，對葡萄糖呈現(xiàn)快速、線性響應(yīng)。綜上，本發(fā)明利用室溫一步合成法，得到能夠?qū)⒚?、輔酶、電子轉(zhuǎn)移介體同時固定的納米顆粒，并通過電化學(xué)測試手段證實(shí)了該納米材料對葡萄糖具有快速、靈敏、線性范圍寬的響應(yīng)特點(diǎn)。該方法為酶、輔酶、介體的固定提供了一個行之有效、便捷的方法，在傳感器、生物燃料電池甚至電化學(xué)其他領(lǐng)域都存在重要的應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.一種制備具有生物傳感功能的納米材料的方法，包括下述步驟室溫下將酶、與所述酶相匹配的輔酶和電子轉(zhuǎn)移介體溶于水溶液中，得混合溶液；向所述混合溶液中加入含稀土金屬離子的水溶液，靜置直至沉淀完全，離心，收集沉淀并洗滌，即得到所述具有生物傳感功能的納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述酶選自下述任意一種葡萄糖氧化酶、次黃嘌呤氧化酶、丙酮酸氧化酶、葡萄糖脫氫酶、谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶、乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、乙酸脫氫酶、纖維二糖脫氫酶、D-果糖脫氫酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶；所述輔酶為NAD+或NADP+ ；所述電子轉(zhuǎn)移介體選自下述任意一種亞甲基藍(lán)、亞甲基綠、硫堇、二茂鐵類物質(zhì)、醌類物質(zhì)、聚亞甲基綠和氮雜環(huán)染料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述混合溶液中，所述酶的濃度為 200-2000 μ g/mL，所述輔酶的濃度為l_10mM，所述電子轉(zhuǎn)移介體的濃度為0. I-ImM ；向所述混合液中加入的所述稀土金屬離子與所述輔酶的摩爾比為(1 1)-(3 1)。
4.權(quán)利要求1-3中任一所述方法制備得到的具有生物傳感功能的納米材料。
5.一種納米材料修飾電極，其特征在于所述納米材料修飾電極是按照下述方法制備得到的將權(quán)利要求4所述的具有生物傳感功能的納米材料分散于水中，配制成分散液；再將所述分散液滴涂到電極表面，自然干燥，得到納米材料修飾電極。
6.一種納米材料修飾電極，其特征在于所述納米材料修飾電極是按照下述方法制備得到的將權(quán)利要求4所述的具有生物傳感功能的納米材料摻雜到碳納米管或石墨烯中， 然后將摻雜的碳納米管或石墨烯修飾到電極表面，自然干燥，得到納米材料修飾電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的納米材料修飾電極，其特征在于所述電極為玻碳電極。
8.權(quán)利要求5-7中任一所述的納米材料修飾電極在制備電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用。
9.一種電化學(xué)生物傳感器，包括工作電極，其特征在于所述工作電極是權(quán)利要求5-7 中任一所述的納米材料修飾電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一步合成的具生物傳感功能的納米材料及其在生物傳感方面的應(yīng)用。該納米材料是按照包括下述步驟的方法制備得到的室溫下，將酶、輔酶、電子轉(zhuǎn)移介體混合，然后往該混合液中加入稀土離子，得到將各活性組分均整合到一起的納米顆粒。將該納米顆粒修飾到玻碳電極表面，用電化學(xué)方法測定了其生物傳感性能。本發(fā)明利用常規(guī)的反應(yīng)物通過一步合成法可制備出均勻的具有生物傳感功能的納米材料，而且制備的納米材料表現(xiàn)出優(yōu)異的生物傳感性能。
文檔編號B82Y40/00GK102173378SQ201110001660
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者楊麗芬, 毛蘭群, 黃鵬程 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所