基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法

1.本发明涉及过氧化氢传感器技术领域，尤其涉及一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法。


背景技术：

2.过氧化氢(h2o2)能抑制微生物生长，有消毒灭菌作用，因此在食品工业中被广泛应用，然而，食物中过量的h2o2会对人类造成许多不良影响，如心血管疾病、严重的胃肠问题和神经性疾病。所以食品中过氧化氢的检测尤为重要。现有检测过氧化氢的电化学传感器分为有酶和无酶两类；负载酶的电化学生物传感器存在酶的固定困难，易脱落，成本高且容易失活等缺点。
3.中国发明专利(申请号为cn 202210478346.7)公开了一种基于共价有机骨架-多壁碳纳米管的过氧化氢电化学传感器，首先通过原位生长法制备共价有机骨架-多壁碳纳米管复合材料，然后将其涂覆在电极上形成工作电极，用于构建过氧化氢电化学传感器；但其制备过程中所用的均三甲苯有毒且易燃易爆，不易批量生产。发明专利(申请号为cn 202010414876.6)公开了一种aunws@pb纳米复合材料及修饰电极的制备方法，该方法是在金纳米线表面原位生长普鲁士蓝纳米颗粒，形成aunws@pb纳米复合材料修饰在玻碳电极上制得类酶过氧化氢电化学传感器；但是，此方法直接将aunws@pb溶液滴涂在抛光的玻碳电极表面，容易脱落，造成传感器性质不稳定。发明专利(申请号为cn 201610073770.8)公开了一种金纳米阵列电极及其制备的无酶过氧化氢传感器，该方法制备了硅基单层聚合物胶体晶体阵列，并以该单层聚合物胶体晶体阵列为模板，采用物理沉积方法在模板的表面沉积一层金膜，再进行热分解及退火处理以去掉单层聚合物胶体晶体阵列，得到硅基金纳米阵列。并将其直接作为金纳米阵列电极，用于过氧化氢的检测；该方法存在制备过程中纳米粒子尺寸小易发生团聚，不稳定，且制备过程繁琐等缺点。
4.有鉴于此，有必要设计一种改进的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，通过先在印刷电极表面引入金属层，然后通过电聚合使其表面附有层状磷酸化合物，得到类酶检测过氧化氢传感器；该方法与现有技术中类酶传感器的制备方法相比，无需有机聚合物的参与，直接制得表面负载二维层状结构磷酸化合物的传感器，该方法简单、制备周期短，相比于现有的无酶传感器的成本更低廉；且该类酶过氧化氢传感器的反应活性位点多，对过氧化氢的检测灵敏度高，具有极大的市场应用前景。
6.为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、在导电材料表面引入金属层，得到表面带金属层的印刷电极；
8.s2、将步骤s1制备的表面带金属层的印刷电极作为工作电极、与参比电极、对电极一同浸泡至磷酸化合物溶液中，形成连通的三电极体系；并施加电压，在特定温度下工作一定时间后，得到表面附有层状磷酸化合物的印刷电极；
9.s3、将步骤s2得到的表面附有层状磷酸化合物的印刷电极用去离子水清洗三次，干燥后即得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。
10.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述特定温度为5～40℃；所述电压为0.1v～3.0v，优选为0.8～2.0v；所述三电极体系的工作时间为1min～100min，优选为2min～20min。
11.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述磷酸化合物溶液的磷酸根离子浓度为0.001mm～2m。
12.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述磷酸化合物溶液包括nh4h2po4，nah2po4、na2hpo4、kh2po4、(nh4)2hpo4、k2hpo4中的一种或多种。
13.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述金属层为金属单质或金属氧化物，优选为金属单质。
14.作为本发明的进一步改进，所述金属单质包括铜、锌、钙、镁、铁、镍、钴其中的一种或多种。
15.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述参比电极为ag/agcl电极或甘汞电极，所述对电极为铂电极或碳电极。
16.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，在导电材料表面引入金属层的方法包括化学镀法、磁控溅射法、原子层沉积法中的一种。
17.本发明还提供了一种由上述任一项所述的制备方法制备的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器，所述类酶过氧化氢传感器包括导电材料、所述导电材料表面的金属层，所述金属层表面负载二维层状结构的磷酸化合物。
18.作为本发明的进一步改进，所述类酶过氧化氢传感器在应用时，将其连接于适配器上，并外接电化学工作站，即可进行过氧化氢的检测。
19.本发明的有益效果是：
20.1、本发明的一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，通过先制备表面带金属层的印刷电极，然后将其作为工作电极、与参比电极、对电极一同浸泡至磷酸化合物溶液中，形成连通的三电极体系；并施加电压，在特定温度下工作一定时间后，得到表面附有层状磷酸化合物的印刷电极；最后用去离子水清洗三次，干燥后即得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。本发明通过先在印刷电极表面引入金属层，然后通过电聚合使其表面附有层状磷酸化合物，得到类酶检测过氧化氢传感器；该方法与传统类酶传感器的制备方法相比，无需有机聚合物的参与，直接制得表面负载二维层状结构磷酸化合物的传感器，方法简单、制备周期短，相比于现有的无酶传感器成本更低廉；且该类酶过氧化氢传感器的反应活性位点多，使得对过氧化氢的检测灵敏度高，具有极大的市场应用前景。
21.2、本发明用磷酸化合物替代了酶，在无酶条件下制备出检测效果类似的过氧化氢传感器，避免了现有技术中酶固定化困难，易失活造成的传感器性质不稳定问题；且生成的金属-磷酸化合物层状结构增大了比表面积，使反应活性位点增多，有利于提高传感器的灵
敏度。基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器在过氧化氢的检测过程中，催化活性高，具有良好的灵敏度，抗干扰性强，实现了过氧化氢的快速检测，且传感器可重复使用。
22.3、本发明通过电化学方法使磷酸化合物在印刷电极表面原位生长，大大缩短了制备传感器的时间，相比于现有的类酶传感器，制备时间缩短数十倍，且该方法无需先进行有机物的复合，制备方法快速简便，有利于工业化生产。
附图说明
23.图1为本发明实施例1采用的印刷电极裸电极sem图。
24.图2为本发明实施例1的表面附有层状磷酸化合物的印刷电极sem图。
25.图3为本发明实施例1的类酶过氧化氢传感器对不同浓度过氧化氢的电流响应值拟合曲线图。
26.图4为本发明对实施例1的类酶过氧化氢传感器抗干扰测试结果图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
28.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
29.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
30.一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，包括以下步骤：
31.s1、在导电材料表面引入金属层，得到表面带金属层的印刷电极；
32.s2、将步骤s1制备的表面带金属层的印刷电极作为工作电极、与参比电极、对电极一同浸泡至磷酸化合物溶液中，形成连通的三电极体系；并施加电压，在特定温度下工作一定时间后，得到表面附有层状磷酸化合物的印刷电极；
33.s3、将步骤s2得到的表面附有层状磷酸化合物的印刷电极用去离子水清洗三次，干燥后即得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。
34.本发明用磷酸化合物替代了酶，在无酶条件下制备出检测效果类似的过氧化氢传感器，避免了现有技术中酶固定化困难，易失活造成的传感器性质不稳定问题；且生成的金属-磷酸化合物层状结构增大了比表面积，使反应活性位点增多，有利于提高传感器的灵敏度。
35.特别地，在步骤s2中，特定温度为5～40℃；电压为0.1v～3.0v，优选为0.8～2.0v；三电极体系的工作时间为1min～100min，优选为2min～20min；磷酸化合物溶液的磷酸根离子浓度为0.001mm～2m。本发明通过限定电化学过程的温度和电压来控制磷酸化合物在溶液中、以金属层为基体电聚合生长的过程，使其生长为结构规则、均匀分散的二维层状结构。同时通过限定三电极体系的工作时间和磷酸根离子的浓度，来控制磷酸化合物在印刷
电极表面的富集程度，避免其产生偏析。
36.具体地，在步骤s2中，磷酸化合物溶液包括nh4h2po4，nah2po4、na2hpo4、kh2po4、(nh4)2hpo4、k2hpo4中的一种或多种。参比电极为ag/agcl电极或甘汞电极，对电极为铂电极或碳电极。
37.在一些具体的实施例中，磷酸化合物溶液与氯化钠溶液或氯化钾溶液共同作为电解质溶液，实现磷酸化合物在印刷电极表面的原位生长。
38.在步骤s1中，金属层为金属单质或金属氧化物，优选为金属单质；金属单质包括铜、锌、钙、镁、铁、镍、钴其中的一种或多种。在导电材料表面引入金属层的方法包括化学镀法、磁控溅射法、原子层沉积法中的一种；例如，通过化学镀法在导电材料表面引入金属层的具体步骤如下：
39.ss1、取适量电镀液滴至印刷电极表面的凹槽处，令电解质溶液完全浸湿印刷电极，其作为工作电极，与参比电极、对电极在电解液中连通，构成三电极体系；其中，电镀液为包含cuso4·
5h2o、醋酸以及去离子水的混合溶液；
40.ss2、将上述印刷电极插入适配器，外接电化学工作站；修饰电极接工作电极，ag/agcl电极或者甘汞电极接参比电极，外层碳电极或者铂片电极为对电极。施加电压，使其工作一段时间后；等待印刷电极的工作电极表面出现均匀的紫红色金属镀层，关闭电源，即可得到表面附着铜金属层的印刷电极。
41.需要说明的是，以铜金属层为例进行层状结构生成过程的说明，印刷电极表面先电镀一层铜金属，将其作为工作电极，与参比电极、对电极放入磷酸化合物溶液中，施加合适的电压使其达到铜的氧化还原电位，cu氧化为cu
2+
，铜离子与磷酸化合物配位结合成羟基磷酸铜cu2(oh)po4，随着反应的进行，可生长成一定形态的层状晶体。
42.本发明通过电化学方法使磷酸化合物在印刷电极表面原位生长，大大缩短了制备传感器的时间，相比于现有的类酶传感器，制备时间缩短数十倍。该方法与传统类酶传感器的制备方法相比，无需有机聚合物的参与，直接制得表面负载二维层状结构磷酸化合物的传感器，制备方法快速简便、相比于现有的无酶传感器成本更低廉，有利于工业化生产；且该类酶过氧化氢传感器的反应活性位点多，使得对过氧化氢的检测灵敏度高，具有极大的市场应用前景。
43.一种由上述方法制备的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器，该类酶过氧化氢传感器包括导电材料、导电材料表面的金属层，金属层表面负载二维层状结构的磷酸化合物。
44.基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器在应用时，将其连接于适配器上，并外接电化学工作站，即可进行过氧化氢的检测。另外，该类酶过氧化氢传感器在过氧化氢的检测过程中，催化活性高，具有良好的灵敏度，抗干扰性强，实现了过氧化氢的快速检测，且传感器可重复使用。
45.在基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器在应用过程中，以铜作为金属层制备的类酶过氧化氢传感器为例进行检测原理的说明，羟基磷酸铜中的cu
2+-oh同h2o2结合生成五元环，产生羟基自由基中间体，最终过氧化氢被催化还原为水和氧气，此过程有电子转移便产生了电流；过氧化氢的浓度越高，产生的电流就越大。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，制备方法包括以下步骤：
48.s1、在导电材料表面引入金属层，得到表面带金属层的印刷电极；
49.s11、取60微升电镀液滴至印刷电极表面的凹槽处，令电解质溶液完全浸湿印刷电极，其作为工作电极与参比电极、对电极在电解液中连通，构成三电极体系；其中，电镀液为包含0.5g的cuso4·
5h2o、4ml的醋酸以及45ml去离子水的混合溶液；
50.ss2、将上述印刷电极插入适配器，外接电化学工作站；修饰电极接工作电极，ag/agcl电极或者甘汞电极接参比电极，外层碳电极或者铂片电极为对电极。施加0.3v的电压，使其工作4min，待印刷电极的工作电极表面出现均匀的紫红色金属镀层，关闭电源，即可得到表面带铜金属层的印刷电极；
51.s2、将步骤s1制备的表面带铜金属层的印刷电极作为工作电极、与参比电极、对电极一同浸泡至磷酸化合物溶液中，形成连通的三电极体系；并施加1.8v电压，在25℃下工作10min，得到表面附有层状磷酸化合物的印刷电极；其中，磷酸化合物溶液为包括2g/l的nh4h2po4、4.0g/l的nacl、0.6g/l的kcl、1g/l的na2hpo4、1g/l的(nh4)2hpo4、0.2g/l的kh2po4的混合溶液；
52.s3、将步骤s2得到的表面附有层状磷酸化合物的印刷电极用去离子水清洗三次，干燥后即得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。
53.请参阅图1～图2所示，图1为实施例1采用的印刷电极裸电极sem图，图2为实施例1的表面附有层状磷酸化合物的印刷电极sem图。由图1和图2对比可知，经过本实施例的方法后，在印刷电极表面生成磷酸化合物，且磷酸化合物为层片状、结构较规则，分布均匀；印刷电极表面的金属-磷酸化合物层状结构增大了比表面积，使反应活性位点增多，有利于提高类酶过氧化氢传感器的灵敏度。
54.请参阅图3所示，为对实施例1制备的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器进行不同浓度的过氧化氢电流响应值的测试，得到的拟合曲线图。从图中可以看出，氧化峰电流(i)与过氧化氢浓度(c)在0.01mm～50mm的很宽浓度范围内呈现很好的线性关系，其线性相关系数r2＝0.998，说明本实施例制备的类酶过氧化氢传感器对过氧化氢的检测效果良好。
55.请参阅图4所示，为对实施例1制备的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器进行抗干扰测试，得到抗干扰测试结果图。从图中可以看出，对于可能存在的无机化合物及有机物质，如kcl，nacl，尿酸，葡萄糖等，并不会对类酶过氧化氢传感器产生明显干扰。
56.实施例2～7
57.实施例2～7提供了基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤s2中的参数不同，具体如下表所示；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
58.对比例1～3
59.对比例1～3提供了基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤s2中的参数不同，具体如下表所示；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
60.表1实施例2～7和对比例1～3的参数设置
61.电压/温度/℃工作时间/min实施例20.12510实施例33.02510实施例41.8510实施例51.84010实施例61.8251实施例71.825100对比例14.02510对比例21.85010对比例31.825150
62.对实施例1～7以及对比例1～3制备的类酶过氧化氢传感器对过氧化氢检测的检测限、检测范围以及灵敏度进行测试，得到的结果如下表所示。
63.表2实施例1～7和对比例1～3的性能测试结果
64.检测限(μa)检测范围(mm)灵敏度(μa
·
mm
·
cm-1
)实施例11.70.01～50177实施例22.30.01～100189实施例33.40.001～50174实施例41.70.001～80176实施例52.40.01～80168实施例64.70.01～200175实施例73.40.001～200186对比例1100.1～10100对比例280.01～180对比例3150.01～10120
65.由表2可知，本发明的此方法制备的层状磷酸化合物类酶过氧化氢电化学传感器具有低的检测限，更宽的检测范围，并且有高的灵敏度，有望用于过氧化氢的电化学传感领域。由实施例1～7及对比例1～3的检测数据可知，制备层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器电化学过程中的电压、温度以及工作时间均对最终生成的二维层状结构产生影响，从而影响类酶过氧化氢传感器对过氧化氢的检测性能。
66.实施例4
67.本实施例提供了一种类酶过氧化氢传感器及其制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤s1中并未对印刷电极引入金属层，直接进入步骤s2的处理，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
68.将实施例4得到的印刷电极在电镜下观察，其表面基本未发现磷酸化合物的存在；对其进行过氧化氢检测后也发现该传感器并不具备检测过氧化氢的能力。说明如果没有金属层的存在，磷酸化合物难以生长在印刷电极表面，也就无法制得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。
69.综上所述，本发明提供了一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，通过先在印刷电极表面引入金属层，然后通过电聚合使其表面附有层状磷酸化合
物，得到类酶检测过氧化氢传感器；本发明用磷酸化合物替代了酶，在无酶条件下制备出检测效果类似的过氧化氢传感器，避免了现有技术中酶固定化困难，易失活造成的传感器性质不稳定问题；且生成的金属-磷酸化合物层状结构增大了比表面积，使反应活性位点增多，有利于提高传感器的灵敏度。该传感器在过氧化氢的检测过程中，催化活性高，具有良好的灵敏度，抗干扰性强，实现了过氧化氢的快速检测，且传感器可重复使用。本发明通过电化学方法使磷酸化合物在印刷电极表面原位生长，大大缩短了制备传感器的时间，相比于现有的类酶传感器，制备时间缩短数十倍。该方法与现有技术中类酶传感器的制备方法相比，无需有机聚合物的参与，直接制得表面负载二维层状结构磷酸化合物的传感器，制备方法快速简便、相比于现有的无酶传感器成本更低廉，有利于工业化生产，具有极大的市场应用前景。
70.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、在导电材料表面引入金属层，得到表面带金属层的印刷电极；s2、将步骤s1制备的表面带金属层的印刷电极作为工作电极、与参比电极、对电极一同浸泡至磷酸化合物溶液中，形成连通的三电极体系；并施加电压，在特定温度下工作一定时间后，得到表面附有层状磷酸化合物的印刷电极；s3、将步骤s2得到的表面附有层状磷酸化合物的印刷电极用去离子水清洗三次，干燥后即得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。2.根据权利要求1所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述特定温度为5～40℃；所述电压为0.1v～3.0v，优选为0.8～2.0v；所述三电极体系的工作时间为1min～100min，优选为2min～20min。3.根据权利要求1所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述磷酸化合物溶液的磷酸根离子浓度为0.001mm～2m。4.根据权利要求1所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述磷酸化合物溶液包括nh4h2po4，nah2po4、na2hpo4、kh2po4、(nh4)2hpo4、k2hpo4中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述金属层为金属单质或金属氧化物，优选为金属单质。6.根据权利要求5所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，所述金属单质包括铜、锌、钙、镁、铁、镍、钴其中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述参比电极为ag/agcl电极或甘汞电极，所述对电极为铂电极或碳电极。8.根据权利要求1所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，在导电材料表面引入金属层的方法包括化学镀法、磁控溅射法、原子层沉积法中的一种。9.一种由权利要求1～8中任一项所述的制备方法制备的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器，其特征在于，所述类酶过氧化氢传感器包括导电材料、所述导电材料表面的金属层，所述金属层表面负载二维层状结构的磷酸化合物。10.根据权利要求9所述的基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器，其特征在于，所述类酶过氧化氢传感器在应用时，将其连接于适配器上，并外接电化学工作站，即可进行过氧化氢的检测。

技术总结
本发明提供了一种基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器及其制备方法，制备表面带金属层的印刷电极，将其作为工作电极与参比电极、对电极浸泡至磷酸化合物溶液中，形成连通的三电极体系；施加电压，在特定温度下工作一定时间，得到表面附有层状磷酸化合物的印刷电极，清洗干燥后即得基于层状磷酸化合物的类酶过氧化氢传感器。本发明用磷酸化合物替代酶，在无酶条件下制备过氧化氢传感器，避免了现有技术中酶固定化困难、易失活造成传感器性质不稳定的问题；且金属-磷酸化合物层状结构增大了比表面积，反应活性位点增多，提高了传感器灵敏度。该方法与传统类酶传感器的制备方法相比，制备快速简便、成本低廉，市场应用前景好。市场应用前景好。市场应用前景好。


技术研发人员：罗梦颖 宋引男 王栋 李沐芳 蒋海青 赵青华
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/21