二氧化锆无机分子印迹对乙酰氨基酚电化学晶体管传感器及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及的是一种将无机分子印迹与电化学晶体管传感器相结合的检测方法，具体是利用无机分子印迹的特异性识别性能来提高电化学晶体管传感器在复杂环境中检测的准确性和灵敏度。

背景技术

石墨烯电化学晶体管传感器是一种新型的高灵敏度检测平台，它结合了传统电化学传感器的高导电性和晶体管独特的放大效应，在传感领域的应用势头强劲。但是，对于不同的检测物质，晶体管传感器的电极表面必须修饰不同的识别分子。在检测过程中的选择性和普适性方面仍然面临严峻挑战。分子印迹聚合物是一种对特定分子具有特异性识别作用的聚合物。由于其具有结构可预测性、识别特异性和应用普适性的特点，分子印迹常被用作化学传感器的识别单元。需要强调的是，尽管分子印迹在传感器中表现出显著的识别特性，但它们在重复洗脱和再结合过程中的稳定性仍是一个重大问题。功能单体是分子印迹的重要组成部分，提供特定的官能团与目标分子形成预聚合配合物。相比于常见的有机高分子印迹膜，无机分子印迹膜具有耐腐蚀、耐高温和高强度的特点。然而，到目前为止，还没有关于将二氧化锆无机聚合物用作分子印迹膜的相关文献报道。

传统的分子印迹膜通常具有较低的电导率，这严重限制了分子印迹在传感器领域中的应用。尽管，分子印迹膜具有特异性的识别能力，能有效提高传感器的选择性和灵敏度，但与晶体管传感器结合使用的报道却较少。将二氧化锆作为无机分子印迹层对晶体管传感器的栅极功能化修饰的研究还未有人提出。

现有技术CN107907580A、CN112229890A中，栅极材料分别为金/二氧化锆纳米复合粒子和二氧化锆/还原氧化石墨烯纳米复合材料制备了有机磷农药的晶体管传感器。上述专利中都涉及了二氧化锆材料，而二氧化锆在其中仅仅起到了对甲基对硫磷简单的键合作用，故这些传感器的选择性能有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述晶体管电化学传感器在复杂检测环境中存在选择性的不足而提供一种二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器，实现在尿液等复杂的人体体液环境中对对乙酰氨基酚的特异性识别和检测，具有灵敏度高，检测限低，检测范围宽的特点。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器，包括源极、漏极和栅极；其中源极、漏极设置在底层为铬层的金层之上(见图5)，源极、漏极之间为该分子印迹电化学晶体管传感器沟道，沟道采用湿法转移的单层石墨烯；所述分子印迹晶体管传感器的栅极为以对乙酰氨基酚为目标分子，金纳米颗粒/石墨烯复合材料为印迹载体，氧氯化锆为无机功能单体，通过循环伏安法电聚合法在玻碳电极上形成分子印迹聚合物，洗脱目标分子，得到二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极。

本发明提供一种上述对乙酰氨基酚的二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器的制备方法，主要步骤如下：

(1)在玻璃基底上蒸镀上铬层和金层，金层置于铬层上方，设定电化学晶体管传感器的源极、漏极；源极、漏极之间为该电化学晶体管传感器的沟道；

(2)采用湿法转移的方式将单层石墨烯转移到步骤(1)所得电化学晶体管传感器的沟道上，得到以单层石墨烯为沟道的电化学晶体管传感器的源极、漏极及沟道；

(3)以对乙酰氨基酚为目标分子，金纳米颗粒/石墨烯复合材料为印迹载体，氧氯化锆为无机功能单体，通过电聚合法在玻碳电极上进行电聚合形成分子印迹聚合物，再经洗脱目标分子，制备得到二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极，作为栅极；

(4)将步骤(3)所得栅极和步骤(2)所得的源极、漏极和沟道共同作为组合，从而得到检测对乙酰氨基酚的二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器。

本发明所述的二氧化锆无机分子印迹对乙酰氨基酚电化学晶体管传感器上栅极、源极、漏极的位置、大小选择采用常规方法即可，不影响其在对乙酰氨基酚中的检测。步骤(1)中，基底主要为玻璃基底等，镀铬和镀金均可采用蒸发镀膜法等；其中，金属铬与玻璃的粘附性好，优选在玻璃基底上镀铬，然后在铬层上面镀金，铬层的厚度控制在0.3～1nm较佳，金层的厚度控制在30～100nm较佳。

按上述方案，步骤(2)中，湿法转移具体操作操作为：在铜基底的单层石墨烯上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜以保护单层石墨烯的完整性，然后放于铜刻蚀液的上刻蚀铜基底，得到旋涂有PMMA薄膜的单层石墨烯；用步骤(1)所得分子印迹电化学传感器捞起旋涂有PMMA薄膜的单层石墨烯，然后浸泡在丙酮中溶解单层石墨烯上的PMMA薄膜，从而实现将单层石墨烯转移到步骤(1)所得电化学晶体管传感器的沟道上。

按上述方案，步骤(3)中，将二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极作为电化学晶体管传感器的栅极。步骤(3)的具体操作过程为：

(1)将氧化石墨烯溶液与Nafion溶液混匀，滴涂到玻碳电极表面晾干；其中，氧化石墨烯溶液的浓度为0.15～0.75mg mL

(2)配制HAuCl

(3)将步骤(1)所得玻碳电极浸没在聚合液中采用循环伏安法进行电聚合，电聚合反应完成后，得到功能化的玻碳电极；其中，循环伏安电聚合的电压为0.0V～-1.2V，电聚合圈数5～13cycle；

(4)将步骤(3)所得功能化的玻碳电极采用洗脱液中对对乙酰氨基酚进行洗脱，得到二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极；其中，洗脱液采用甲醇与乙酸按体积比(8～10)：1混合而成。

本发明还提供一种上述的二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器检测对乙酰氨基酚的方法，主要步骤如下：

(1)将上述的电化学晶体管传感器浸入缓冲溶液中，然后检测达到平衡时的沟道电流值I

(2)在(1)的基础上滴加含有不同浓度对乙酰氨基酚的缓冲溶液，每次分别达到平衡时，读取沟道电流值I，扣除空白电流值I

(3)以步骤(2)所得上述的电化学晶体管传感器在不同浓度对乙酰氨基酚的缓冲溶液中的沟道电流变化值ΔI为纵坐标，对乙酰氨基酚浓度的对数值为横坐标，建立本发明所述电化学晶体管传感器检测对乙酰氨基酚的校准曲线，进而实现对待测液中对乙酰氨基酚的定量分析检测。

本发明的主要技术构思如下：本发明采用二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极作为电化学晶体管传感器的栅极，其中二氧化锆中的-OH基团可通过氢键和对乙酰氨基酚的-OH/-CONH-基团强有力地结合，洗脱处理后形成具有对目标分子具有特异性识别作用的印迹空腔；其次，金纳米颗粒和石墨烯带来的大比表面积和高电导率，可有效提高分子印迹电化学传感器的导电性。检测过程中，将电化学晶体管传感器浸入到含有一定浓度对乙酰氨基酚的磷酸缓冲溶液(PBS)(pH＝7.4)中，目标分子对乙酰氨基酚被栅极表面的印迹空腔特异地识别和吸附。在栅极电压和金纳米颗粒和石墨烯带来的高电导率下，吸附在电极表面的对乙酰氨基酚发生电化学反应，产生电子转移，导致栅极相对于沟道的电压发生改变，使沟道中石墨烯的载流子浓度发生变化，沟道电流随之发生变化。本发明通过对沟道电流的变化来检测待测物对乙酰氨基酚的浓度，并且在对乙酰氨基酚的检测中表现出极高的灵敏度，检测限达到0.1nM，实现在尿液等复杂的人体体液环境中对乙酰氨基酚的特异性结合和检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明通过引入分子印迹技术，以氧氯化锆为无机功能单体，对乙酰氨基酚为目标分子，将氧氯化锆与对乙酰氨基酚共聚合，从而获得的二氧化锆具有与目标分子在空间形状、大小和化学官能团上互补的印迹空穴，大大提高了传感器对目标分子特异性检测的选择性和灵敏度，检测限达到0.1nM，实现在尿液等复杂的人体体液环境中对对乙酰氨基酚的特异性结合和检测，并具有高选择性，低检测限，宽检测范围的特点，同时具有操作简便、便携性好、响应快、稳定准确等优点。

附图说明

图1为本发明对比例1中二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/非分子印迹复合材料(ZrO

图2为本发明实施例1中二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料(ZrO

图3为本发明实施例1中二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料(ZrO

图4为本发明性能测试中ZrO

图5为本发明应用例2中二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器的结构示意图。

图6为本发明应用例2中，二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器在不同浓度对乙酰氨基酚的PBS缓冲溶液中的转移曲线的变化。

图7为本发明应用例2中，在PBS缓冲溶液中，二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器对不同浓度对乙酰氨基酚的时间电流曲线。

图8为本发明应用例2中，二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器检测对乙酰氨基酚的工作曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施例中，玻碳电极使用前进行抛光，具体方法如下：将直径为3mm的玻碳电极(GCE)依次在粒径为0.3μm和0.5μm的氧化铝粉上抛光处理；然后，将抛光处理后的玻碳电极依次置于去离子水，乙醇和去离子水中超声洗涤3min，取出后用高纯氮气吹干；接着，将玻碳电极在含有5mmol/L的K

下述实施例中，玻碳电极的直径为3mm，源极、漏极的具体分布情况为沟道间距250μcm。具体如图5所示；栅极为二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极。

实施例1

二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极，其制备方法具体包括如下步骤：

1)将5mg单层氧化石墨加入到10mL去离子水中超声分散1h，得到0.5mg mL

2)将步骤1)所得玻碳电极浸没在含有5mM氧氯化锆(ZrOCl

3)将步骤2)所得玻碳电极采用甲醇：乙酸(V:V＝9:1)的洗脱液和去离子水依次磁力搅拌清洗，洗脱分子印迹聚合物中的对乙酰氨基酚，得到二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料(ZrO

对乙酰氨基酚的二氧化锆分子印迹电化学传感器的制备方法，具体步骤如下：

(1)通过蒸发镀膜法按顺序将铬和金镀到1x1cm的玻璃基底上，铬的厚度0.4nm左右，金的厚度30nm左右，分别设置源极、漏极，源极、漏极之间为传感器的沟道；

(2)通过匀胶法在铜基底的单层石墨烯上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜以保护单层石墨烯的完整性，然后转移到0.7M的硝酸铁溶液表面刻蚀铜基底，铜基底刻蚀后用清水清洗3次，得到旋涂有PMMA薄膜的单层石墨烯；用步骤(1)制备的传感器捞起旋涂有PMMA薄膜的单层石墨烯，然后浸泡在60℃的丙酮中溶解单层石墨烯上的PMMA薄膜，从而实现将单层石墨烯转移到步骤(1)所得传感器的沟道上；

(3)以二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极S1，作为栅极，和步骤(2)所得的源极、漏极和沟道共同作为组合，从而得到检测对乙酰氨基酚的二氧化锆无机分子印迹电化学传感器。

对比例1

本对比例采用的栅极为二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/非分子印迹复合材料(ZrO

如图1～3所示，对对比例1中的ZrO

对比例2

本对比例采用的栅极为聚吡咯-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极的制备方法，其制备步骤如下：

1)将5mg单层氧化石墨加入到10mL去离子水中超声分散1h，得到石墨烯溶液；取1mL的石墨烯溶液向其中加入30μL 5％ Nafion溶液，震荡均匀。量取上述混合液10μL滴涂在洁净的玻碳电极表面，自然晾干。

2)将步骤1)所得玻碳电极浸没在含有1mM HAuCl

3)将步骤2)所得玻碳电极采用乙腈作为洗脱液和去离子水依次磁力搅拌清洗，洗脱分子印迹聚合物中的对乙酰氨基酚，得到聚吡咯-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极，记为S2。

对比例3

本对比例采用的栅极为聚3,4-乙烯二氧噻吩-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极的制备方法，其制备步骤如下：

1)将5mg单层氧化石墨加入到10mL去离子水中超声分散1h，得到石墨烯溶液；取1mL的石墨烯溶液向其中加入30μL 5％ Nafion溶液，震荡均匀。量取上述混合液10μL滴涂在洁净的玻碳电极表面，自然晾干。

2)将步骤1)所得玻碳电极浸没在含有1mM HAuCl

3)将步骤2)所得玻碳电极采用乙腈作为洗脱液和去离子水依次磁力搅拌清洗，洗脱分子印迹聚合物中的对乙酰氨基酚，得到聚3,4-乙烯二氧噻吩-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极，记为S3。

性能测试

(1)将实施例1和对比例2～3得到的玻碳电极S1～S3分别在10μM的PBS、pH＝7.4的对乙酰氨基酚溶液当中富集12min，达到平衡之后利用差示脉冲伏安法对乙酰氨基酚进行测定，以对乙酰氨基酚的响应电流的变化值记为ΔI(μA)，测定电位范围为0.2～0.6V，脉冲幅度0.05V、脉冲宽度0.04s，脉冲周期0.1s，静止时间为2s，结果如表1所示。

表1

由表1结果可知，与常见的导电聚合物层(聚吡咯、聚(3,4-乙二氧噻吩))与金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极相比，采用二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯分子印迹复合材料修饰的玻碳电极在对乙酰氨基酚的检测电流响应最高，这归因于吸附过程中二氧化锆无机印迹层可以通过氢键与对乙酰氨基酚进行特异性地识别并结合，提高对乙酰氨基酚在电极表面的吸附量。此外，金纳米颗粒和石墨烯优异的电导率以及催化性能，可有效提高二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯分子印迹复合材料的导电性，并可促进对乙酰氨基酚在功能后的玻碳电极上发生快速的氧化还原反应。因此，证实了二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯分子印迹复合材料具有良好的印迹效果，能够实现对目标分子对乙酰氨基酚的特异性识别。

(2)将空白的玻碳电极、实施例1中的二氧化锆～金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极和对比例1得到二氧化锆～金纳米颗粒/石墨烯/非分子印迹复合材料修饰的玻碳电极分别在10μM的PBS、pH＝7.4的对乙酰氨基酚溶液当中富集12min，吸附达到平衡之后采用差示脉冲伏安法来测定对乙酰氨基酚，以对乙酰氨基酚的响应电流的变化值记为ΔI(μA)，测定电位范围为0.2～0.6V，脉冲幅度0.05V、脉冲宽度0.04s，脉冲周期0.1s，静止时间为2s，结果如表2所示。

表2

由表2的结果表明，二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极在检测对乙酰氨基酚的电流响应值是二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/非分子印迹复合材料修饰的玻碳电极的2倍以上，这说明制备二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯分子印迹复合材料修饰的玻碳电极具有良好的印迹效果，能够实现对目标分子对乙酰氨基酚的特异性识别。

(3)分别以相同浓度(10μM)的葡萄糖(glu)、抗坏血酸(AA)、尿素(Urea)、多巴胺(DA)、L-半胱氨酸(L-cysteine)、甘氨酸(glycine)、乙酰苯胺(AAA)、对氨基苯酚(PAP)、4-硝基苯酚(4-NP)作为干扰物，对实施例1和对比例1得到的二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极和二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/非分子印迹复合材料修饰的玻碳电极的选择性进行了研究，结果如图4所示。

由图4结果可知，本发明所制备二氧化锆-金纳米颗粒/石墨烯/分子印迹复合材料修饰的玻碳电极对对乙酰氨基酚具有特异性的识别性能，选择性较好。

应用例2

实施例1制备的二氧化锆无机分子印迹电化学晶体管传感器检测对乙酰氨基酚的方法，具体步骤如下：

(1)对上述二氧化锆无机分子印迹对乙酰氨基酚晶体管电化学传感器，设定数字源表的V

(2)设定数字源表的V

(3)在步骤(2)的基础上滴加含有不同浓度对乙酰氨基酚的缓冲溶液，再次分别达到平衡时，读取沟道电流值I，扣除空白电流值I

滴加不同浓度对乙酰氨基酚的缓冲溶液，对乙酰氨基酚浓度和平衡时电流的对应关系如表3所示：

表3

(4)以步骤(3)所得传感器在不同浓度对乙酰氨基酚的缓冲溶液中的沟道电流变化值△I为纵坐标，对乙酰氨基酚浓度C

(5)为了考察该方法的实用性，将上述的电化学晶体管传感器在尿液环境下检测对乙酰氨基酚的含量。

将收集的人体尿液经过离心处理后，用PBS缓冲溶液将其调到pH＝7.4。将传感器置于上述尿液中测量，待检测达到平衡后滴加待测液，读取反应达到平衡时的电流I

表4

通过表4的结果可以看出，测得的相对标准偏差均低于7％，表明该传感器可用于复杂尿液环境中对乙酰氨基酚的检测。并且，由图7可知：该传感器在复杂尿液环境中对乙酰氨基酚的检测范围为0.1nM～4mM，传感器的沟道电流变化值与加入的对乙酰氨基酚浓度的对数值呈现出较好的线性关系，检测限可达0.1μM。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。