基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备方法及其在食品中玉米赤霉烯酮的检测方面的应用，属于电化学分析检测技术领域。

背景技术

玉米赤霉烯酮，是一种雌激素性富马毒素，被归类为植物雌激素或霉菌雌激素。玉米赤霉烯酮的耐热性较强，110℃下处理1h才被完全破坏。而在妊娠期的动物(包括人)食用含玉米赤霉烯酮的食物可引起流产、死胎和畸胎。食用含玉米赤霉烯酮的各种食物也可引起中枢神经系统的中毒症状，如恶心、发冷、头痛、神智抑郁等。因此，许多国家都制定了食品中玉米赤霉烯酮的限量标准。如中国食品安全国家标准(GB 2761～2017)中要求各种食品中的玉米赤霉烯酮含量必须小于或等于60μg/kg。目前对玉米赤霉烯酮的检测方法主要有气相色谱法、液相色谱法、气相色谱～串联质谱法、液相色谱～串联质谱法等。虽然这些检测方法具有良好的重复性和准确性，但均存在操作复杂、成本高、污染环境，且通常还需要复杂的前处理过程等缺点。近年来，电化学传感器因其成本低廉、操作简便、灵敏度高、响应迅速，且仪器易于小型化等优点而受到广泛关注。然而，电化学方法容易受到基质效应的影响，面对复杂样品时难以对目标待测物进行特异性检测，因此，在使用电化学传感器进行复杂样品中有害物质的检测时，需要引入具有优良特异性能的材料以提高传感器的选择性。而分子印迹电化学传感器因为结合了具有高选择性和高化学稳定性的分子印迹聚合物，能够很好地解决以上问题。

另外，食品中玉米赤霉烯酮通常会以较低的浓度出现，因此，其检测方法对灵敏度的要求更高。直接在玻碳电极表面制备分子印迹材料往往存在印迹位点有限、电信号响应不灵敏等缺点，难以体现电化学传感器的高灵敏优势。因此，可以利用多种导电材料对电极表面进行修饰，以提高电极的比表面积和电导率，从而实现对目标物的高灵敏检测。

碳纳米管具有优异的电子传导性，可用于电极的修饰，但其高的疏水性使其易于聚集，限制了其作为提高峰值电流改性材料的应用。而通过化学氧化纵向切割碳纳米管得到的石墨烯纳米带，不仅具有更大的表面积，且在纵向剪切过程中，大量含氧官能团(如羟基和羧基)被带到石墨烯纳米带表面，能显著提高亲水性，有效降低团聚性能。但石墨烯纳米带表面大量的含氧官能团会降低电子的传递效率，影响导电性。幸运的是，通过电沉积的方法在电极表面电沉积石墨烯纳米带既能将其修饰到电极上，又能去除大量的含氧官能团，恢复其良好的导电性能。

此外，金纳米粒子因其高的导电性和高比表面积是另一种提高电化学传感器稳定性和灵敏度的常用材料。尤其是当金纳米粒子与碳材料一同修饰电极时，能产生协同效应，显著改善电化学信号，进一步提高传感器的灵敏度。因此，本发明选择石墨烯纳米带与金纳米粒子对电极进行修饰，利用两者的协同作用极大程度提高传感器的灵敏度，结合分子印迹材料的高选择性，构建用于食品中玉米赤霉烯酮检测的电化学传感器。

发明内容

本发明旨在解决现有分析方法在检测玉米赤霉烯酮时存在的问题，将石墨烯纳米带与金纳米粒子修饰电极后对电化学信号的协同放大作用与分子印迹材料的高选择性相结合，提供了一种基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备方法，并应用于食品中玉米赤霉烯酮的检测。

相比于现有的检测方法，电化学分析方法具有选择性好、灵敏度高、耗时少、操作简单、响应迅速等优点。

本发明的技术方案是：本发明引入还原氧化石墨烯纳米带和金纳米粒子为电极的增敏材料，两者对电极的修饰可以增大电极的比表面积而提高识别位点的数量，且两者的协同作用还能有效促进电子的传递，进一步提升传感器的灵敏度。然后将修饰好的电极置于含玉米赤霉烯酮和功能单体的聚合液中通过电聚合的方法在修饰电极表面制备分子印迹膜，再经过化学洗脱，去除印迹膜上的玉米赤霉烯酮分子，即制备出了传感器。将该传感器置于含玉米赤霉烯酮的溶液中进行吸附，通过吸附不同浓度的玉米赤霉烯酮后电化学信号的变化，实现对玉米赤霉烯酮的高灵敏度、高选择性检测。

所述基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备方法的具体步骤如下：

(1)玻碳电极预处理：用0.50、0.05μm的氧化铝粉末将玻碳电极在麂皮上抛光至镜面，而后依次用去离子水和乙醇分别超声清洗1min，每次超声后用去离子水淋洗干净，得到预处理的玻碳电极；

(2)将0.1～1g硝酸钠分散在5～100mL浓硫酸中，将0.2～2g碳纳米管加入以上溶液搅拌15min。将混合物冰浴，剧烈搅拌下加入1～10g高锰酸钾，取出冰浴，35℃下搅拌反应2.5h。剧烈搅拌下，加入50～200mL水，继续反应45min，加入过氧化氢与剩余的高锰酸钾反应，用1mol/L的盐酸和去离子水洗涤，60℃干燥24h得到氧化石墨烯纳米带。

(3)将0.1～1g氧化石墨烯纳米带超声分散于25mL pH＝8的PBS缓冲液中，得到氧化石墨烯纳米带的悬浮液；将玻碳电极置于上述氧化石墨烯纳米带的悬浮液中，以铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，利用循环伏安法，以扫速50mV/s，电压范围为-1.4V～0V，扫描8～15圈，得到还原氧化石墨烯纳米带修饰的玻碳电极；

(4)将还原氧化石墨烯纳米带修饰的玻碳电极置于1.0mmol/L的HAuCl

(5)以醋酸缓冲液为溶剂，玉米赤霉烯酮作为目标分子、邻苯二胺作为功能单体，得到聚合溶液；将金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰的玻碳电极置于上述聚合溶液中，利用循环伏安法将分子印迹膜电聚合于电极上，之后取出淋洗干净待用。

(6)将(5)得到的修饰电极在配置好的甲醇、乙酸、水混合液中洗脱30～45min，制得分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰的玻碳电极，即为检测玉米赤霉烯酮的传感器。

进一步的，所述步骤(5)中玉米赤霉烯酮与邻苯二胺的摩尔比例为：1:10；所述步骤(5)中循环伏安法参数为：扫描电压范围为：-0.2V∑～1.3V，扫描速率100mV/s，扫描圈数30圈；所述步骤(6)中洗脱条件为：V

本发明基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器用于食品中玉米赤霉烯酮的检测方法如下：

a.采用去离子水与乙醇(3:1)溶液配制不同浓度的玉米赤霉烯酮溶液；

b.将上述分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰的玻碳电极置于玉米赤霉烯酮溶液中吸附15min；

c.采用上述吸附后的电极作为工作电极，铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极构成三电极体系，将该体系置于2.5mmol/L铁氰化钾溶液中；

d.以[Fe(CN)

e.将分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰的玻碳电极置于未知浓度的玉米赤霉烯酮溶液中进行吸附，然后构成三电极体系置于铁氰化钾溶液中检测得到其对应电流值，根据标准曲线计算得出玉米赤霉烯酮的浓度。

进一步的，所述差分脉冲伏安法的电化学参数为：扫描电位范围为：-0.2V～0.6V，扫描速率为100mV/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将还原氧化石墨烯纳米带与金纳米粒子修饰电极后对电化学信号的协同放大作用与分子印迹材料的高选择性相结合，提供了一种基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的分子印迹电化学传感器的制备方法，并应用于食品中玉米赤霉烯酮的检测。本发明制备的传感器用于食品中玉米赤霉烯酮检测，相对于其它检测玉米赤霉烯酮的方法，设备简单、操作便捷、选择性好、灵敏度高，具有显著的推广应用的潜力。

附图说明

图1为分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极的制备流程图。

图2为不同修饰电极的循环伏安图，(a)裸玻碳电极，(b)还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，(c)金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，(d)分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极(洗脱前)，(e)分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极(洗脱后)，(f)分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极(吸附150ng/mL玉米石墨烯酮后)。

图3为不同修饰电极的差分脉冲伏安图，(a)裸玻碳电极，(b)还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，(c)金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，(d)分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极(洗脱前)，(e)分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极(洗脱后)，(f)分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极(吸附150ng/mL玉米石墨烯酮后)。

图4为传感器的电流信号随玉米赤霉烯酮浓度的变化图。

图5为传感器的响应信号对应玉米赤霉烯酮浓度的标准曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例有助于本领域的技术人员详细理解本发明，但不限制本发明的保护范围。

实施例1

基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备，制备步骤如图1所示。

(1)玻碳电极预处理：用0.50、0.05μm的氧化铝粉末将玻碳电极在麂皮上抛光至镜面，而后依次用去离子水和乙醇分别超声清洗1min，每次超声后用去离子水淋洗干净，得到预处理的玻碳电极。

(2)将0.1g硝酸钠分散在5mL浓硫酸中，将0.2g碳纳米管加入以上溶液搅拌15min。将混合物冰浴，剧烈搅拌下加入1g高锰酸钾，取出冰浴，35℃下搅拌反应2.5h。剧烈搅拌下，加入50mL水，继续反应45min，加入过氧化氢与剩余的高锰酸钾反应，用1mol/L的盐酸和去离子水洗涤，60℃干燥24h得到氧化石墨烯纳米带。

(3)将0.1g氧化石墨烯纳米带超声分散于25mL pH＝8的PBS缓冲液中，得到氧化石墨烯纳米带的悬浮液；将步骤(1)中预处理过的玻碳电极置于上述氧化石墨烯纳米带的分散液中，以铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，利用循环伏安法，以扫速50mV/s，电压范围为-1.4V～0V，扫描15圈，得到还原氧化石墨烯纳米带修饰电极；

(4)将还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于1mmol/L的HAuCl

(5)以醋酸缓冲液为溶剂，玉米赤霉烯酮作为目标分子、邻苯二胺作为功能单体，得到聚合溶液；将金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于上述聚合溶液中，利用循环伏安法将分子印迹膜电聚合于电极上，之后取出淋洗干净待用。

(6)将(5)得到的修饰电极在配置好的甲醇、乙酸、水混合液中洗脱30min，制得分子印迹膜/金纳米粒子/还原石墨烯修饰玻碳电极，即为检测玉米赤霉烯酮的传感器。

实施例2

基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备。

(1)玻碳电极预处理：用0.50、0.05μm的氧化铝粉末将玻碳电极在麂皮上抛光至镜面，而后依次用去离子水和乙醇分别超声清洗1min，每次超声后用去离子水淋洗干净，得到预处理的玻碳电极。

(2)将0.5g硝酸钠分散在50mL浓硫酸中，将1g碳纳米管加入以上溶液搅拌15min。将混合物冰浴，剧烈搅拌下加入5g高锰酸钾，取出冰浴，35℃下搅拌反应2.5h。剧烈搅拌下，加入100mL水，继续反应45min，加入过氧化氢与剩余的高锰酸钾反应，用1mol/L的盐酸和去离子水洗涤，60℃干燥24h得到氧化石墨烯纳米带。

(3)将0.5g氧化石墨烯纳米带超声分散于25mL pH＝8的PBS缓冲液中，得到氧化石墨烯纳米带的悬浮液；将步骤(1)中预处理过的玻碳电极置于上述氧化石墨烯纳米带的分散液中，以铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，利用循环伏安法，以扫速50mV/s，电压范围为-1.4V～0V，扫描12圈，得到还原氧化石墨烯纳米带修饰电极；

(4)将还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于1mmol/L的HAuCl

(5)以醋酸缓冲液为溶剂，玉米赤霉烯酮作为目标分子、邻苯二胺作为功能单体，得到聚合溶液；将金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于上述聚合溶液中，利用循环伏安法将分子印迹膜电聚合于电极上，之后取出淋洗干净待用。

(6)将(5)得到的修饰电极在配置好的甲醇、乙酸、水混合液中洗脱40min，制得分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，即为检测玉米赤霉烯酮的传感器。

实施例3

基于石墨烯纳米带与金纳米粒子协同作用的电化学传感器的制备。

(1)玻碳电极预处理：用0.50、0.05μm的氧化铝粉末将玻碳电极在麂皮上抛光至镜面，而后依次用去离子水和乙醇分别超声清洗1min，每次超声后用去离子水淋洗干净，得到预处理的玻碳电极。

(2)将1g硝酸钠分散在100mL浓硫酸中，将2g碳纳米管加入以上溶液搅拌15min。将混合物冰浴，剧烈搅拌下加入10g高锰酸钾，取出冰浴，35℃下搅拌反应2.5h。剧烈搅拌下，加入200mL水，继续反应45min，加入过氧化氢与剩余的高锰酸钾反应，用1mol/L的盐酸和去离子水洗涤，60℃干燥24h得到氧化石墨烯纳米带。

(3)将1g氧化石墨烯纳米带超声分散于25mL pH＝8的PBS缓冲液中，得到氧化石墨烯纳米带的悬浮液；将步骤(1)中预处理过的玻碳电极置于上述氧化石墨烯纳米带的分散液中，以铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，利用循环伏安法，以扫速50mV/s，电压范围为-1.4V～0V，扫描8圈，得到还原氧化石墨烯纳米带修饰电极；

(4)将还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于1mmol/L的HAuCl

(5)以醋酸缓冲液为溶剂，玉米赤霉烯酮作为目标分子、邻苯二胺作为功能单体，得到聚合溶液；将金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于上述聚合溶液中，利用循环伏安法将分子印迹膜电聚合于电极上，之后取出淋洗干净待用。

(6)将(5)得到的修饰电极在配置好的甲醇、乙酸、水混合液中洗脱45min，制得分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，即为检测玉米赤霉烯酮的传感器。

实施例4

将实施例3得到的传感器用于玉米赤霉烯酮的测定：

(1)传感器的循环伏安测试。

分别将分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极洗脱前和洗脱后、以及吸附150ng/mL玉米赤霉烯酮溶液后的分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极作为工作电极，铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极构成三电极体系，将该体系置于2.5mmol/L铁氰化钾溶液中进行循环伏安扫描(扫描参数为：电压范围为-0.1V～0.6V，扫速为50mV/s)。循环伏安表征结果见图2，如图所示，洗脱前的分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极由于表面覆盖了具有绝缘性的分子印迹膜，阻碍了铁氰化钾与电极之间的电子传递，电流信号很低。而洗脱后的分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极，铁氰化钾的峰电流信号明显增大，这是因为印迹膜中的玉米赤霉烯酮被洗脱下来，留下了特异性的识别孔穴，该孔穴成为了电子传递的通道。当洗脱后的的分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极在浸入含有玉米赤霉烯酮溶液中后，部分特异性识别孔穴被玉米赤霉烯酮分子占据，电子传递重新受到阻碍，此时，峰电流值又变小。

(2)传感器的差分脉冲伏安测试。

以分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极为工作电极，铂片电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极构成三电极体系，将该体系置于2.5mmol/L铁氰化钾溶液中进行差分脉冲伏安扫描(扫描参数为：扫描电位范围为-0.2V～0.6V，扫描速率100mV/s)。将洗脱后的分子印迹膜/金纳米粒子/还原氧化石墨烯纳米带修饰电极置于铁氰化钾溶液中，扫描得到空白电流I