基于纳米多孔金的电化学传感器在医用发酵产物检测中的应用研究

发布时间：2020-05-05 18:56

【摘要】：电化学传感器是近些年广泛应用于物质检测的新兴技术,由于其具有响应时间短、操作容易、成本低廉以及检测过程不会造成二次污染等特性,逐渐成为发酵工业、食品检验、药物检测、环境保护、医疗检测等诸多领域的研究热点之一。一个电化学传感器主要通常主要由识别元件和传感元件两部分构成。其中,识别元件是一个电化学传感器的最重要的核心部件。然而,现有的电化学传感器由于识别原件在发酵培养环境中的适应性差、选择性低和抗干扰能力低等缺陷,制约了其在发酵领域的广泛应用。在本研究中,以兼具独特结构和优异理化性质双重特性的纳米多孔金(Nanoporous Gold,NPG)作为识别元件,利用NPG独特理化性能和高效的催化性质,构建了纳米多孔金/玻碳电极(Nanoporous Gold/Glassy Carbon Electrode,NPG/GCE)实现对多种发酵产品的检测。以发酵产物抗坏血酸(Ascorbic Acid,AA)和多巴胺(Dopmine,DA)为研究对象,以兼具三维多孔结构和独特理化性质的NPG为识别元件,基于NPG对AA和DA两种物质具有的较强电催化氧化活性,构建NPG/GCE电极,以实现对AA和DA两种发酵型医药物质的同时检测。在微观上,通过扫描电子显微镜和三维立体结构模型图表征了 NPG的微观结构呈连续三维纳米多孔网络状;在宏观上,NPG是一种金属薄膜,具有其作为惰性金属的强的机械强度和导电性。NPG/GCE电极对AA和DA的电化学检测结果表明,AA和DA两种物质的氧化峰彼此分离,且两者的峰差约等于150 mV;在一定的范围内,NPG/GCE电极对AA和DA的检测均表现出良好的线性响应,对两种物质表现出低至2.8 μM和0.17 μM检测限的同时,其灵敏度分别可达29.75μAmM-1 cm-2和1107.93 μA mM-1 cm-2;另外,在对AA和DA的同时检测中,NPG/GCE电极还表现良好的特异性和出色的抗干扰能力,并在此基础上,通过加标回收法在发酵培养基中对NPG/GCE电极检测AA和DA的性能进行评价。这些优良的性能使得本研究中构建的NPG/GCE传感器成为发酵过程中AA和DA实时定量检测的理想选择,且具有较好的应用前景。水溶性维生素,如维生素B2(Vitamin B2,VB2)和维生素B6(Vitamin B6,VB6),是两种极为常见的发酵型产物,建立一种简单、快速、高效的VB2和VB6检测方法对实际发酵过程的参数控制具有重要的参考价值。利用循环伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)表征了 VB2和VB6两种物质在NPG/GCE电极表面的控制类型均是扩散控制的过程,并探讨了 NPG/GCE电极对VB2和VB6的检测原理。在此基础上,利用NPG/GCE电极实现了对VB2和VB6两种物质的独立、选择性和同时性检测。NPG/GCE电极对VB2和VB6的同时性检测范围分别为20～250 μM和 40～800 μM,灵敏度分别可达 143.9 μA mM-1 Cm-2和 32.57 μA mM-1 C1cm-2,检出限分别低至0.2 μM和0.3 μM。抗干扰实验结果表明,电极对发酵培养基中常见的阴离子、阳离子以及可能使用的碳氮源具有很强的抗干扰能力,并表现出良好重复利用性。此外,利用该电极实现了对实际发酵培养基中VB2和VB6的加标回收检测,验证了构建的NPG/GCE在实际样品检测中的可靠性。这些优良的传感性能表明构建的NPG/GCE电极在VB2和VB6产物检测和医学检测方面均具有良好的应用潜力。在前期工作的基础上,通过进一步的研究发现NPG对四环素类抗生素—金霉素(Chlortetracycline,CTC)具有较强的催化性能,因此,基于NPG对金霉素出色的电催化活性能和其作为金属所特有的良好的导电性和机械强度,构建NPG电化学传感器以期实现对发酵型产物金霉素的检测研究。通过差分脉冲伏安法(Differential Pulse Voltammetry,DPV)和电流时间曲线法(Ampertromitric i-t Curve,i-t)对金霉素检测的最佳pH条件以及检测电位进行优化,最后选择支持电解液的最佳pH和检测电位分别为8.0和+0.16 V。在此条件下,利用i-t曲线法对不同浓度的金霉素进行检测。电化学检测结果表明,在1 μM～2 mM的检测范围内,电极对金霉素的最低检测限为42 nM,灵敏度为6.27 μA mM-1 cm-2。通过利用发酵培养基中常见的阴离子、阳离子以及可能使用的碳氮源探究了电极对金霉素检测过程中的抗干扰能力,10倍底物浓度的干扰物对于金霉素检测所产生的干扰均低于3.18%,出色的抗干扰性能使得构建的NPG/GCE电极是金霉素发酵过程产品检测的良好选择。此外,利用该电极实现对实际发酵培养基中金霉素的加标回收检测,且检测结果是稳定可靠的。结果表明,构建的NPG/GCE电极有望实现金霉素发酵过程中在线、快速、高效、灵敏的检测,同时也有望实现对食品中金霉素残留量的定量检测,在食品安全领域也具有较大的应用潜力。本研究工作是围绕建立一种基于NPG的电化学传感器实现对医用发酵产物的快速高效检测的应用目的所开展的。选用具有独特理化性质和高效催化特性的NPG作为电化学传感器的识别原件,构建NPG/GCE电化学传感器对医用发酵产物进行检测研究。利用NPG作为识别原件所制备的电化学传感器在对发酵产物检测的过程中,表现出了高效的催化性能、良好的选择性和实际应用性,同时该电极还具备传感稳定性好、制备简单、重复性好、使用寿命较长、成本低廉等优势。此外,基于纳米材料构建的电化学传感器克服了生物传感器制备复杂、储存性能差、受检测环境影响较大等缺陷。因此,构建的NPG/GCE电化学传感器有望实现在线、快速、高效、灵敏的发酵型医用产物的检测。
【图文】：

形貌,形貌表征

结构模型；（Ｃ）玻碳电极；（Ｄ）表面负载ＮＰＧ的玻碳电极。逡逑在ＮＰＧ／ＧＣＥ电极构建之前，利用扫描电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，邋ＳＥＭ）对所制备的ＮＰＧ形貌以及结构进行特征。如图２－ＩＡ所示，逡逑采用脱合金制备方法，合金中的活泼金属Ａｇ在浓硝酸中逐渐被去除，余下的惰逡逑性Ａｕ原子逐渐扩散并自组装成均匀的连续的三维网络状纳米结构，其平均孔径逡逑大约在邋３５ｎｍ邋左右（Ｘｉａｅｔａｌ．，２０１１；邋Ｚｈａｎｇ，ｅｔａｌ．，２０１３）。所制备的邋ＮＰＧ邋具有以逡逑下特色：１）具有高比表面积，可以增加有效感应面积；２）其开放的双连续结构逡逑赋予其出色的机械刚性和导电性；３）可以通过控制腐蚀时间调节其孔径尺寸，逡逑这使得ＮＰＧ在催化反应和化合物检测中具有广阔的应用前景；４）去合金法使逡逑ＮＰＧ表面洁净且排除可能的中毒或其他来自不需要的物质或者离子的千扰作用；逡逑５）其结构完整性使其易于被吸附或整合到装置平台的表面上（Ｄｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｃｈｅｎ，，逡逑２００９；邋Ｚｈａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｄｉｎｇ，邋２０１３；邋Ｄｉｎｇ邋ｅｔａｌ．，２００４）。图邋２－１Ｂ邋是邋ＮＰＧ邋的立体结构模型，逡逑ＮＰＧ在结构上是具有纳米级别厚度的薄膜

曲线,电极,电解质溶液,电极对

壀逡逑０逡逑图２－１邋ＮＰＧ／ＧＣＥ电极的形貌表征。（Ａ）邋ＮＰＧ的扫描电子显微镜图像：（Ｂ）邋ＮＰＧ三维立体逡逑结构模型；（Ｃ）玻碳电极；（Ｄ）表面负载ＮＰＧ的玻碳电极。逡逑在ＮＰＧ／ＧＣＥ电极构建之前，利用扫描电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，邋ＳＥＭ）对所制备的ＮＰＧ形貌以及结构进行特征。如图２－ＩＡ所示，逡逑采用脱合金制备方法，合金中的活泼金属Ａｇ在浓硝酸中逐渐被去除，余下的惰逡逑性Ａｕ原子逐渐扩散并自组装成均匀的连续的三维网络状纳米结构，其平均孔径逡逑大约在邋３５ｎｍ邋左右（Ｘｉａｅｔａｌ．，２０１１；邋Ｚｈａｎｇ，ｅｔａｌ．，２０１３）。所制备的邋ＮＰＧ邋具有以逡逑下特色：１）具有高比表面积，可以增加有效感应面积；２）其开放的双连续结构逡逑赋予其出色的机械刚性和导电性；３）可以通过控制腐蚀时间调节其孔径尺寸，逡逑这使得ＮＰＧ在催化反应和化合物检测中具有广阔的应用前景；４）去合金法使逡逑ＮＰＧ表面洁净且排除可能的中毒或其他来自不需要的物质或者离子的千扰作用；逡逑５）其结构完整性使其易于被吸附或整合到装置平台的表面上（Ｄｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｃｈｅｎ
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;O657.1;TQ920.6

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