CN111122673B - 碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米点钝化有机‑无机钙钛矿的胆固醇检测传感器及其制备方法。所述光电化学传感器利用碳纳米点钝化有机‑无机钙钛矿,再与分子印迹聚合物相结合作为工作电极。本发明利用MIPs对胆固醇的特异性识别,把合成的钙钛矿前驱体溶液和MIPs混合构建成光电化学传感界面,用来检测血清中的胆固醇。本发明传感器制备简单,灵敏度高,检测线性范围为5.0×10‑13mol/L‑1.0×10‑8mol/L,最低检测限为2.14×10‑14mol/L,能够实现胆固醇的灵敏检测。
Description
技术领域
本发明属于光电化学传感器技术领域,涉及一种碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器及其制备方法。
背景技术
胆固醇(CHO)是一种重要的低浓度类固醇,是细胞膜的重要组成部分,有助于维持细胞膜的结构完整性和流动性。高胆固醇摄入会增加血浆胆固醇水平,并且可能与心血管疾病的高风险相关。目前已经开发了多种检测手段用于测定胆固醇浓度,常用方法包括固相萃取、气相色谱法和高效液相色谱法。虽然这些大型仪器对于从食品样品中提取总胆固醇仍然非常有用,但存在耗时长,需使用大量有毒有机溶剂以及选择性差等问题。
有机-无机钙钛矿CH3NH3PbX3(X=I,Br,Cl)具有较长载流子寿命和扩散长度、高光吸收系数以及低激子结合能、与可见光谱基本匹配的禁带宽度等优点,被广泛应用于太阳能电池、光电探测、发光二极等领域。但是钙钛矿在潮湿环境中的不稳定性严重影响其在传感器中的应用和发展。为了提高钙钛矿的稳定性和性能,通常对纳米粒子进行包封、聚合物掺杂、溶剂和界面工程等,但这些方法改性的钙钛矿在水溶液中浸泡后的稳定性仍然较差。
分子印迹技术可以在多种环境下使用,适用于广泛的pH值和温度范围,并且合成方法简单成本低廉,在越来越多的领域中得到应用。文献1(Switchable cholesterolrecognition system with Diels-Alder reaction using molecular imprintingtechnique on self-assembled monolayer)采用分子印迹和自组装单分子层结合的电化学方法检测胆固醇,通过自组装单分子层在金板上进行分子印迹,以作为极端表面分子印迹。但是该方法灵敏度低,重复使用五次后胆固醇的识别能力下降,制备过程复杂且使用多种有机溶剂,在金板上进行分子印迹增加了成本。文献2(Dual Functional MolecularImprinted Polymer-Modified Organometal Lead Halide Perovskite:Synthesis andApplication for Photoelectrochemical Sensing ofSalicylic Acid)将分子印迹和钙钛矿结合采用光电化学方法检测水杨酸,该方法检测水杨酸时,是在有机溶液中进行检测,其在水溶液中不稳定,限制其检测应用。
中国专利申请201910608570.1公开了一种基于CsPbBr3/GO同型异质结构的分子印迹光电化学传感器及其制备方法和应用,该方法是使用石墨烯和PMMA钝化无机钙钛矿,石墨烯价格昂贵,制备过程繁琐,制得的光电化学传感器光电流响应小,检测误差大,且检测限高。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案如下:
碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器的制备方法,具体步骤如下:
步骤1,将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于N,N二甲基甲酰胺(DMF)中,加入PbI2、CH3NH3I(MAI)和碳纳米点(CNDs),钝化有机无机钙钛矿,60~80℃下搅拌反应,得到碳纳米点浓度为10mg/mL的钙钛矿前驱体溶液;
步骤2,胆固醇作为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)和苯乙烯作为功能单体,按胆固醇与功能单体的摩尔比为1:5~1:6,将两者混合,振荡均匀后,加入偶氮二异丁腈(AIBN)和二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA),通入氮气,得到分子印迹聚合物前驱体溶液;
步骤3,将钙钛矿前驱体溶液和分子印迹聚合物前驱体溶液混合均匀,然后将混合溶液滴涂在洁净的ITO玻璃表面,50~70℃下干燥,得到碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器。
优选地,步骤1中,所述的PVDF的浓度为20mg/ml。
优选地,步骤1中,所述的搅拌反应时间为6~8小时。
优选地,步骤2中,所述的甲基丙烯酸和苯乙烯的摩尔比为3:1。
优选地,步骤2中,振荡时间为6~8小时。
优选地,步骤2中,通入氮气时间为30min以上。
优选地,步骤3中,干燥时间为6h以上。
本发明提供上述制备方法制得的碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器。
进一步地,本发明还提供上述碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器在胆固醇检测中的应用,具体应用方法为:
以碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器为工作电极,铂柱为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,Na2SO4为电解液,光照下,采用时间-电流法,先将工作电极使用正己烷洗脱15~20min,去除模板分子胆固醇,得到电流I0,然后将工作电极置于待测胆固醇溶液中,测定电流I,根据光电流差值(I0-I)和浓度对数的线性关系,计算得到待测胆固醇溶液的浓度。
优选地,光强为500W,偏压为0V。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1)本发明合成过程简单,成本低廉,检测范围为1.0×10-13mol/L-5×10-8mol/L,最低检测限为2.14×10-14mol/L,灵敏度高,检测限低,操作简单,可以重复利用,特异性识别胆固醇;
2)本发明可以在水溶液中进行检测,在水溶液中浸泡450s可以依然保持电流的稳定性;
3)本发明将有机-无机钙钛矿传感器和分子印迹技术相结合,首次实现对胆固醇含量检测的光电化学方法。
附图说明
图1为(a)CH3NH3PbI3/ITO、(b)CNDs@CH3NH3PbI3/ITO、(c)PVDF@CH3NH3PbI3/ITO、(d)PVDF@CNDs@CH3NH3PbI3/ITO在450s内的光电流图。
图2为碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器检测不同浓度胆固醇的时间电流图。
图3为碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器检测不同浓度胆固醇的线性关系图。
图4为碳纳米点浓度对传感器的电流的衰减率和光电流强度的影响结果图。
图5为模板分子与功能单体的摩尔比对传感器的光电流强度的影响结果图。
图6为洗脱时间对传感器的光电流强度的影响结果图。
图7为识别时间对传感器的光电流强度的影响结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详述。
下述实施例中采用的碳纳米点的制备参考文献【Highly fluorescent nitrogen-doped carbon dots derived from Phyllanthusacidus utilized as a fluorescentprobe for label-free selective detection of Fe3+ions,live cell imaging andfluorescentink】,具体为:
将30ml葡萄汁置于50ml不锈钢的高压反应釜中,在180℃℃的恒温下加热8小时。水热反应完成后,将高压釜自然冷却。最后,将溶液以10000rpm离心10分钟,然后干燥并研磨得到碳纳米点。
实施例1
1.将ITO导电玻璃依次用甲苯、丙酮、乙醇、去离子水超声15min清洗,去除ITO表面的有机物质。然后放入60℃电热鼓风干燥箱烘干备用,并固定修饰面积;
2.钙钛矿前驱体溶液的合成。首先将PVDF溶解于DMF中,得到20mg/mL的浓度。将0.922g PbI2、0.3179g CH3NH3I、20mg碳纳米点溶解于含PVDF的2ml DMF中,制得CH3NH3PbI3前驱体溶液。混合后的溶液在70℃下加热搅拌6h后使用;
3.分子印迹聚合物前驱体:采用简单的热聚合法制备,0.3867g(1mmoL)的胆固醇作为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)和苯乙烯二者作为功能单体其摩尔比3:1,功能单体的总摩尔量为5mmoL,混合溶于10.0mL的DMF中。然后,将溶液放入35℃的振荡器中震荡6h,接着加入500μl(2.7mmol)EGDMA和6.5mgAIBN,并通氮气30min获得MIPs前驱体溶液;
4.传感器的构建:将224μl MIPs前驱体溶液加入2ml CH3NH3PbI3前驱体溶液中。搅拌5分钟,使两种前驱体均匀混合。然后取15μl混合溶液修饰在ITO导电玻璃上,将修饰的电极放在干燥箱中60℃干燥6h,得到碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器。
5.检测使用三电极体系,构建的碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器为工作电极,Ag/AgCl电极为参比电极,铂柱为参比电极。采用时间-电流法在0.1MNa2SO4电解液中检测,光强为500W,偏压为0V。
6.CHO检测时,用正己烷洗脱传感器15min,洗脱后的光电流记为I0;将传感器浸泡在含有不同浓度的CHO的乙酸乙酯溶液15min,再进行光电流检测,电流大小记为IS;根据电流差值(ΔI=IS-I0)和胆固醇浓度对数计算出来线性关系。对实际样品进行检测时,根据电流差值和线性关系可以计算出胆固醇的浓度。
图1为(a)CH3NH3PbI3/ITO、(b)CNDs@CH3NH3PbI3/ITO、(c)PVDF@CH3NH3PbI3/ITO、(d)PVDF@CNDs@CH3NH3PbI3/ITO在450s内的光电流对比图。CH3NH3PbI3/ITO(曲线a)光电流明显降低,降低幅度约为77.25%。当碳纳米点加入到CH3NH3PbI3(曲线b)时,虽然电流尺寸略有减小,但稳定性有所提高。目前为初始值的55.97%。与CH3NH3PbI3相比,加入PVDF的CH3NH3PbI3(曲线c)电流降低了76.43%,略有改善。PVDF@CNDs@CH3NH3PbI3/ITO(曲线d)的电流衰减有了明显的改善,衰减率为3.21%。
图2为碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器检测不同浓度胆固醇的时间电流图;胆固醇浓度范围1×10-13mol/L-5×10-8mol/L。如图2所示,传感器光电流响应的变化依赖于不同浓度的CHO溶液。随着CHO浓度的增加,光电流密度逐渐减小。图3为碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器检测不同浓度胆固醇的线性关系图;如图3所示,线性方程为ΔI=13.1076+0.95376lg(C,mol/L),R2=0.9923。最低检测限为2.14×10-14mol/L。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同,不同的是分别调整步骤2中碳纳米点浓度为0mg/ml,10mg/ml,15mg/ml和20mg/ml。图4为碳纳米点浓度对传感器的电流的衰减率和光电流强度的影响结果图。从图4a中可以看出,随着碳纳米点浓度的提高,电流的衰减率逐渐下降,当浓度大于10mg/ml时,电流衰减率趋于平稳。从图4b中可以看出,随着碳纳米点浓度的增加,电流逐渐减小,过量的碳纳米点反而阻碍了钙钛矿的电子传输,因此碳纳米点的浓度选择为10mg/ml。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同,不同的是分别调整步骤3中模板分子与功能单体的摩尔比为1:1,1:2,1:3,1:4,1:5和1:6。图5为模板分子与功能单体的摩尔比对传感器的光电流强度的影响结果图。从图5可以看出,随着功能单体的增加,电流变化逐渐增加。当模板分子与功能单体的摩尔比为1:5时,电流变化达到最大值。继续增加功能单体的比例,电流下降,这可能是由于过多的功能性单体阻碍了电子的传递。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同,不同的是分别调整洗脱时间为5,10,15,20和25分钟。图6为洗脱时间对传感器的光电流强度的影响结果图。如图6所示,模板分子用正己烷洗脱。随着洗脱时间的增加,光电流逐渐增加。当洗脱时间达到15分钟时,电流达到最大值。增加洗脱时间,电流降低,印迹膜略有脱落。因此,洗脱时间选择为15分钟。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同,不同的是分别调整识别时间5,10,15和20分钟。将光电传感器放置在1.0×10-10mol/L CHO的乙酸乙酯溶液中,观察电流变化。图7为识别时间对传感器的光电流强度的影响结果图。从图7可以看出,随着识别时间的增加,电流逐渐减小。识别15分钟后,光电流变化趋于稳定。表示识别已达到饱和。因此,选择识别时间为15分钟。
Claims (9)
1.碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1,将PVDF溶于N,N二甲基甲酰胺中,加入PbI2、CH3NH3I和碳纳米点,钝化有机无机钙钛矿,60~80℃下搅拌反应,得到碳纳米点浓度为10mg/mL的钙钛矿前驱体溶液,所述的PVDF的浓度为20mg/mL;
步骤2,胆固醇作为模板分子,甲基丙烯酸和苯乙烯作为功能单体,按胆固醇与功能单体的摩尔比为1:5~1:6,将两者混合,振荡均匀后,加入偶氮二异丁腈和二甲基丙烯酸乙二醇酯,通入氮气,得到分子印迹聚合物前驱体溶液;
步骤3,将钙钛矿前驱体溶液和分子印迹聚合物前驱体溶液混合均匀,然后将混合溶液滴涂在洁净的ITO玻璃表面,50~70℃下干燥,得到碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述的搅拌反应时间为6~8小时。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述的甲基丙烯酸和苯乙烯的摩尔比为3:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2中,振荡时间为6~8小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2中,通入氮气时间为30min以上。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3中,干燥时间为6h以上。
7.根据权利要求1~6任一所述的制备方法制得的碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器。
8.根据权利要求7所述的碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器在胆固醇检测中非诊断的应用,其特征在于,具体应用方法为:
以碳纳米点钝化有机-无机钙钛矿的胆固醇检测传感器为工作电极,铂柱为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,Na2SO4为电解液,光照下,采用时间-电流法,先将工作电极使用正己烷洗脱15~20min,去除模板分子胆固醇,得到电流I0,然后将工作电极置于待测胆固醇溶液中,测定电流I,根据光电流差值I0-I和浓度对数的线性关系,计算得到待测胆固醇溶液的浓度。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,光强为500W,偏压为0V。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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