一种氮化钛表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的方法与应用

本发明属于生物医学分析检测及电化学传感，涉及一种氮化钛表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的方法与应用，尤其涉及一种基于普鲁士蓝纳米颗粒复合膜包被的氮化钛电极及其电化学沉积方法和在电化学持续检测过氧化氢中的应用。

背景技术：

1、过氧化氢（h2o2）兼具良好电化学活性与生物相容性，是现代生物检测技术中不可或缺的核心物质。它不仅可作为直接检测靶点，更是血糖、乳酸、乙酸、淀粉等人体生理标志物检测的关键信号中间体，这些标志物在体内代谢或体外检测体系中，会通过特异性生化反应定量生成或消耗h2o2。通过酶促反应或氧化还原反应可对h2o2进行高灵敏、高特异性检测，进而间接实现目标标志物的定性与定量分析。酶促反应常依赖特异性氧化酶，如葡萄糖氧化酶（god）催化β-d-葡萄糖生成d-葡萄糖酸-δ-内酯和h2o2，乳酸氧化酶（lod）催化l-乳酸生成丙酮酸和h2o2，乙酸氧化酶（aox）催化乙酸生成二氧化碳、水和h2o2；淀粉则先经α-淀粉酶水解为葡萄糖，再由god催化产生h2o2。氧化还原反应可通过人工体系检测h2o2。普鲁士蓝（pb）被认为是一种“人工酶”，以pb为电催化剂，沉积pb纳米颗粒的电极则凭借独特电化学还原活性，持续捕获h2o2参与的还原反应，实现对其的实时动态检测。

2、pb在电极表面的稳定性是影响其在实际应用中的关键因素，我们先利用牛血清白蛋白（bsa）与多壁碳纳米管（mwcnts）的物理吸附作用合成了bsa/mwcnts复合物，然后再利用复合物中bsa与戊二醛（ga）的化学交联得到了bsa/mwcnts/ga纳米多孔复合物，将bsa/mwcnts/ga纳米多孔复合物包被在pb表面可以提高pb在电极表面的稳定性。

3、现有pb纳米颗粒修饰电极多依赖非互补金属氧化物半导体(cmos)兼容基底，先进的生物电子系统高度依赖cmos工艺，通过cmos工艺可在单个芯片上集成信号放大、滤波、通信等多个组件，开发出紧凑、便携式且易于植入或佩戴的器件。贵金属和碳基材料制造的化学修饰电极无法适配cmos集成，不利于大规模制造，且机械稳定性差，无法满足可植入器件需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种cmos工艺兼容、生物相容性良好、化学稳定性、电学性能优异的氮化钛表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的方法与应用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一方面提供一种氮化钛表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的方法，包括以下步骤：

4、s1：在氮化钛（tin）薄膜表面电化学沉积普鲁士蓝（pb）纳米颗粒，经电化学活化后，得到普鲁士蓝/氮化钛；

5、s2：将牛血清白蛋白（bsa）/多壁碳纳米管（mwcnts）/戊二醛（ga）复合物包被于普鲁士蓝/氮化钛电极上，经清洗、干燥后，得到表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的氮化钛。

6、本发明通过在tin薄膜电极上，利用电化学恒电位沉积法沉积pb纳米颗粒，并以pb作为电催化剂，不仅提高了tin电极的导电性，还提高了h2o2的检测灵敏度，扩大了检测范围，降低了检测限，能够实现持续灵敏的h2o2检测。同时本发明还通过滴涂bsa/mwcnts/ga纳米多孔复合物，有效提升pb在电极表面的稳定性。

7、在一些具体的实施方式中，步骤s1包括：先将氮化钛薄膜置于前体沉积溶液中进行电化学沉积，然后置于支持电解液中进行电化学活化；清洗烘干后，制得普鲁士蓝/氮化钛。

8、在一些具体的实施方式中，所述前体沉积溶液包括：0.1~0.2 m hcl、0.2~0.4 mkcl、2.5~10 mm铁氰化钾（k3[fe(cn)6]）、2.5~10 mm 氯化铁（fecl3）。

9、在一些具体的实施方式中，所述支持电解液包括：0.1~0.2 m hcl、0.2~0.4 mkcl。

10、在一些具体的实施方式中，所述电化学沉积中，以所述氮化钛薄膜为工作电极，铂电极为对电极，ag/agcl作为参比电极，沉积电压为0.4~0.5 v，沉积时间为15~360 s。

11、在一些具体的实施方式中，所述电化学活化中，以电化学沉积后的氮化钛薄膜为工作电极，铂电极为对电极，ag/agcl作为参比电极，在-0.2 v到0.6 v通过循环伏安法进行活化，扫描速率为50 mv/s~200 mv/s，扫描圈数为5~50圈。

12、在一些具体的实施方式中，步骤s2包括：首先通过将牛血清白蛋白与多壁碳纳米管在0~10 ℃超声中进行分散，离心后取上清制备bsa/mwcnts复合物，然后将bsa/mwcnts复合物与戊二醛(ga)水溶液混合，得到bsa/mwcnts/ga混合液；最后将所述bsa/mwcnts/ga混合液滴涂于所述普鲁士蓝/氮化钛电极表面进行化学交联反应，经清洗、干燥后，得到表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的氮化钛。

13、在一些具体的实施方式中，所述牛血清白蛋白与多壁碳纳米管的质量比为1~5:0.5~1.5。

14、在一些具体的实施方式中，所述混合中，采用超声破碎仪，温度为0 ℃~4 ℃，振幅为50%，以工作/停止间隔1 s~5 s/1-2 s的模式处理0.5 h~2 h；然后通过离心除去多余的碳纳米管，所述离心处理的相对离心力为12~18 rcf(×g)，温度为0 ℃~4 ℃，离心时间为15 min~30 min，取上清得到bsa/mwcnts复合物。

15、在一些具体的实施方式中，所述戊二醛水溶液的浓度为70wt%，所述bsa/mwcnts复合物与戊二醛水溶液的混合体积比为30~70:1~5。

16、在一些具体的实施方式中，所述交联反应中，取10 μl~20 μl bsa/mwcnts和ga混合液快速滴涂于普鲁士蓝/氮化钛电极的工作区域表面进行交联反应。

17、在一些具体的实施方式中，所述化学交联反应中，反应温度为20 ℃~40 ℃，相对湿度40%~60%，反应时间为 2 h~24 h。

18、在一些具体的实施方式中，所述化学交联反应完成后，依次采用pbst溶液、pbs溶液各清洗2~5次，每次清洗时长为2 min~10 min，去除电极表面未结合的游离物质；清洗完成后于室温避光环境下干燥，制得鲁士蓝复合膜/氮化钛。

19、所制备的纳米普鲁士蓝复合膜，具有三维多孔结构，能够为电解液扩散与电催化反应提供稳定通道。

20、本发明的第二方面提供一种表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的氮化钛，采用如上所述的方法制备而成。

21、本发明的第三方面提供一种如上所述的表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的氮化钛的应用，包括将所述的表面包被纳米普鲁士蓝复合膜的氮化钛作为工作电极，可用于过氧化氢(h2o2)，单糖、乳酸的定量检测。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、本发明解决了现有普鲁士蓝修饰电极依赖非cmos兼容基底、难以大规模制造、机械稳定性不足的问题。所得电极兼具优异的生物相容性、化学稳定性和电学性能，通过调控纳米颗粒尺寸，显著提高了过氧化氢检测的灵敏度与准确度，扩大了检测范围并降低了检测限，可实现对过氧化氢的快速、持续灵敏检测，为血糖、乳酸等生理标志物的间接定量分析提供了可靠技术支撑。