通过分子线调控纳米界面用于UA检测的电化学传感器及其制备和应用的制作方法

通过分子线调控纳米界面用于ua检测的电化学传感器及其制备和应用
技术领域
1.本发明属于碳纤维微电极的传感检测技术领域，具体涉及一种用分子线调控纳米界面用于ua检测的电化学传感器及其制备和应用。


背景技术：

2.大多数神经系统疾病的产生与神经化学物质的缺乏或失调密切相关，在脑内对神经化学物质进行原位检测是了解脑科学、解决脑疾病的重要方法。但是，脑内环境十分复杂，存在很多具有很多氧化还原活性的物质，信号之间存在重叠，这极大的影响了脑内神经化学物质的检测。因此，亟需发展一种高效的电化学传感器，保留化学物质的本征信号的同时，提高选择性，并能实现可逆检测，这对于长期动态的检测神经化学物质至关重要。
3.其中，尿酸作为人体内天然的抗氧化剂，能清除过氧化物、羟基、氧自由基等，有效减轻自由基对机体的氧化损伤和对血脑屏障的破坏，对神经元具有强大的保护作用，对许多神经系统疾病起着预防和治疗作用。而现有的电化学技术中，普遍存在纳米材料稳定性低、选择性差、检出限高、只能单向检测等问题，这些挑战使得生命体内尿酸的检测技术难以取得实质性突破。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种检测尿酸的新方法。通过分子线调控二维电活性mof纳米表面，电化学检测尿酸(ua)，该方法具有高选择性、高灵敏度以及低检出限的优点，这对动力学检测十分有利。
5.本发明提供了一种二维导电mof材料ni3hhtp2，其结构如式(a)所式：
[0006][0007]
本发明还提供了一种二维导电mof材料ni3hhtp2的制备方法，在水溶液中，2,3,6,7,10,11-六羟基苯并、四水醋酸镍(ii)进行反应，得到二维导电mof材料ni3hhtp2。
[0008]
其中，水溶液指去离子水。
[0009]
本发明还公开了三种分子线，其结构分别如式(b)、(c)、(d)所示：
[0010][0011]
本发明还公开了如式(c)所示的分子线的制备方法，具体步骤为：将4-碘苯甲醛、pdcl2(pph3)2和cui在室温下悬浮在15ml干thf和5ml tea中；然后，添加3-乙炔基噻吩，并在50℃下搅拌；4-碘苯甲醛消耗后反应继续搅拌16h，得到黄色固体，即式(c)所示的分子线；
[0012]
其中，所述4-碘苯甲醛、pdcl2(pph3)2、cui、3-乙炔基噻吩的摩尔比为5:20:10:6。
[0013]
本发明还公开了如式(d)所示的分子线的制备方法，具体步骤为：
[0014]
步骤(1)：将4-碘苯甲醛、pdcl2(pph3)2和cui添加到室温下15ml干燥thf中的5ml tea悬浮液中，然后添加1-乙炔基-4-碘苯，并在50℃下搅拌混合物，直到消耗4-碘苯甲醛，然后搅拌反应16h，得到中间产物；
[0015]
所述4-碘苯甲醛、pdcl2(pph3)2、cui、1-乙炔基-4-碘苯的摩尔比为5:20:10:6；
[0016]
步骤(2)：在室温下，将所述中间产物溶解于8ml干燥thf中，并在n2下用2.8ml tea、pdcl2(pph3)2和cui溶解；之后，添加3-乙炔基噻吩，并在50℃下搅拌混合物16h，得到黄色固体，式(d)所示的分子线；
[0017]
所述中间产物、pdcl2(pph3)2、cui、3-乙炔基噻吩的摩尔比为2.80:11:5.6:3.06。
[0018]
在一个具体实施方式中，式(c)所示的分子线的制备方法具体步骤为：将4-碘苯甲醛(5mmol)、pdcl2(pph3)2(20mmol)和cui(10mmol)在室温下悬浮在15ml干thf和5ml tea中。然后，添加3-乙炔基噻吩(6mmol)，并在50℃下搅拌。4-碘苯甲醛消耗后反应继续搅拌16h。最后，通过柱层析(硅胶、石油醚/乙酸乙酯＝9/1)纯化粗产物，得到黄色固体。
[0019]
在一个具体实施方式中，式(d)所示的分子线的制备方法具体步骤为：首先，将4-碘苯甲醛(5mmol)、pdcl2(pph3)2(20mmol)和cui(10mmol)添加到室温下干燥thf(15ml)中的tea(5ml)悬浮液中。接下来，添加1-乙炔基-4-碘苯(6mmol)，并在50℃下搅拌混合物，直到消耗4-碘苯甲醛，然后搅拌反应16h。最后，通过柱层析(硅胶、石油醚/乙酸乙酯＝10/1)纯化粗产物，得到产物。
[0020]
然后，在室温下，将产物(2.80mmol)溶解于8ml干燥thf中，并在n2下用tea(2.8ml)、pdcl2(pph3)2(11mmol)和cui(5.6mmol)溶解。之后，添加3-乙炔基噻吩(3.06mmol)，并在50℃下搅拌混合物16h。通过柱层析(硅胶，乙醚/乙酸乙酯＝10/1)纯化残余物，得到黄色固体。
[0021]
本发明式(c)、式(d)的反应路线如下所示：
[0022][0023]
本发明还提供了一种电化学传感器的制备方法，具体步骤为：
[0024]
(1)制备碳纤维微电极：碳纤维通过银导电胶固定在铜线上，并在60℃的干燥箱中干燥1小时；然后，将上述产品插入毛细管中，并在60℃下干燥8小时，得到碳纤维微电极。
[0025]
(2)在步骤(1)得到的碳纤维微电极上电沉积金纳米粒子；
[0026]
(3)在步骤(2)已电沉积金纳米粒子的碳纤维微电极上修饰分子线；
[0027]
(4)在步骤(3)修饰分子线后的已电沉积金纳米粒子的碳纤维微电极上，再修饰式(a)所示的二维导电mof材料ni3hhtp2，得到电化学传感器：
[0028][0029]
步骤(1)中，所述碳纤维微电极的毛细管的外径为1.0mm～1.5mm，优选地，为1.5mm；内径为0.7mm～1.1mm，优选地，为1.1mm。
[0030]
步骤(1)中，所述毛细管的材质为石英玻璃毛细管或硼硅酸盐玻璃毛细管，优选地，为硼硅酸盐玻璃毛细管。
[0031]
步骤(1)中，所述碳纤维微电极的毛细管的孔径为100μm～200μm；优选地，为100μm。
[0032]
步骤(2)中，在碳纤维电极上电沉积金纳米粒子的方法是电化学沉积法，将碳纤维电极先放入0.1m naoh中，用1.5v电化学预处理80s；再插入氯金酸溶液中，电镀上金纳米颗粒。
[0033]
其中，所述氯金酸溶液的浓度为5mm～50mm；优选地，为10mm。
[0034]
其中，电沉积的电压为-0.1v～-0.2v；优选地，为0.2v。
[0035]
其中，电沉积的时间为30s～100s；优选地，为40s。
[0036]
步骤(3)中，在已电沉积金纳米粒子的碳纤维微电极上修饰分子线的方法为：将镀金的碳纤维微电极浸入分子线溶液中，取出，洗去游离的分子线溶液，室温晾干即可。
[0037]
其中，所述分子线溶液具体指如式(b)、(c)、(d)所示的分子线溶解在thf溶液里。
[0038]
其中，所述分子线的浓度为1mm～2mm；优选地，为2mm。
[0039]
其中，浸入分子线的时间为8h～12h；优选地，为12h。
[0040]
其中，所述分子线的结构如上式(b)、(c)、(d)所示。
[0041]
步骤(4)中，在修饰式(a)所示的二维导电mof材料ni3hhtp2之前，将ni3hhtp2分散在h2o中，得到ni3hhtp
2-h2o分散液；然后将步骤(3)修饰分子线后的已电沉积金纳米粒子的碳纤维微电极浸入ni3hhtp
2-h2o分散液中一段时间，得到电化学传感器。
[0042]
其中，分散液的浓度为1mg/ml～5mg/ml；优选地，为1mg/ml。
[0043]
其中，浸入分散液的时间为1h～5h；优选地，为5h。
[0044]
本发明还提供了由上述方法制备得到的电化学传感器。
[0045]
本发明还提供了所述电化学传感器在检测尿酸中的应用。
[0046]
本发明还提供了一种利用所述电化学传感器通过电化学分析法检测体外尿酸的方法。
[0047]
本发明还提供了一种利用所述电化学传感器通过电化学分析法检测鼠脑中尿酸的应用。
[0048]
本发明利用金、硫之间的相互作用，在镀金电极上修饰分子线，再修饰二维导电mof材料。一方面，合成的mof比表面积大、孔隙度高、活性位点多，有效富集分子的同时驱动氧化过程；另一方面，刚性分子连接电极表面与mof材料，促使电子从mof材料到电极表面的转移更加有序，减少能量内耗的同时提高电子转移速率，进而提高电化学传感器的分析性能。本发明的电化学传感器对尿酸的识别具有高的选择性、高的灵敏度和低的检出限，性能优异。
[0049]
具体地，所述电化学传感器检测体外尿酸的方法，包含如下步骤：
[0050]
(1)在碳纤维电极上电镀金，氯金酸溶液的浓度为5mm-50mm，优选地，为10mm。
[0051]
其中，电沉积的电压为-0.1v～-0.2v，优选地，为0.2v。
[0052]
其中，电沉积的时间为30s-100s，优选地，为40s。
[0053]
(2)在步骤(1)得到的镀金碳纤维电极上修饰分子线。取出，洗去游离的分子线溶液，常温晾干即可。
[0054]
其中，所述分子线的浓度1mm-2mm，优选地，为2mm。
[0055]
其中，浸入分子线的时间为8h-24h，优选地，为12h。
[0056]
(3)在步骤(2)得到的修饰刚性分子的镀金碳纤维电极上修饰二维导电mof材料ni3hhtp2，得到电化学传感器，即为所需电极。
[0057]
(4)搭建三电极工作体系：在电化学工作站内搭建三电极工作体系，将所述步骤(3)得到的电极作为工作电极，ag/agcl电极作为参比电极，pt电极作为对电极。电压记录范围为0v-0.8v，电压阶跃幅度为80mv。
[0058]
(5)制作标准曲线：
[0059]
在所述步骤(4)搭建的电化学工作站上记录不同浓度尿酸的差分脉冲伏安曲线，然后做出峰电流和尿酸浓度的关系曲线，得出线性范围为0.2μm-150μm；
[0060]
(6)测定样品中尿酸含量
[0061]
在电化学工作站中测定样品中的尿酸，并根据标准曲线，计算样品中的尿酸含量。
[0062]
本发明还提供了用制备好的碳纤维微电极检测小鼠脑内尿酸含量的方法，所述方法包括以下步骤：
[0063]
(1)制备所需的碳纤维微电极；
[0064]
(2)高尿酸小鼠和正常小鼠中的海马组织中尿酸的测定。
[0065]
步骤(2)测得峰电流，并根据标准曲线，计算得到脑中的尿酸含量。
[0066]
本发明的有益效果在于，通过分子线有效调控二维导电mof材料在电极界面的修饰状态，开发了一种检测尿酸的高效传感器。本发明的电化学传感器选择性好、检出限低，其线性范围为0.2μm-150μm，最低检测线为80nm(s/n＝3)，能够很好地满足体外或体内对尿酸的检测，对于疾病的诊断、药物治疗以及其他基础研究具有重要的意义。
附图说明
[0067]
图1：本发明合成的二维导电mof材料的扫描电子显微镜sem图和透射电子显微镜tem图。其中，a图是mof材料的sem图，b图和c图是mof的tem图和相对应的xrd图，表明含有ni元素；d图是xrd图。结合以上四个图可以表明成功合成了二维导电mof材料。
[0068]
图2：本发明制备的碳纤维微电极的不同修饰步骤的扫描电子显微镜sem的表征图。其中，a是单纯的镀金的碳纤维微电极的sem图，b和c是修饰了分子线和二维导电mof材料的sem图，d是相对应的xrd图，进一步表明二维导电mof的确成功修饰在碳纤维微电极表面。
[0069]
图3：本发明设计的电化学传感器检测尿酸的差分脉冲伏安图以及尿酸浓度与峰电流的线性关系图。其中，图a、e是纯镀金电极的dpv图和相对应的线性关系图，检出限为1.0μm，没有线性；图b、f是镀金电极上修饰了式(b)所示的柔性分子fp1后获得的dpv图和对应的线性关系图，检出限为5.0μm，不成线性；图c、g是镀金电极上修饰了式(c)所示的短链刚性分子rp1后获得的dpv图和对应的线性关系图，检出限为0.5μm，线性范围为0.5μm～150.0μm；图d、h是镀金电极上修饰了式(d)所示的长链刚性分子rp2后获得的dpv图和对应的线性关系图，检出限为0.2μm，线性范围为0.2μm～150.0μm。实验结果表明修饰了长链刚性分子的探针分析性能最优，因此，选用该探针作为我们的目标探针。
[0070]
图4：本发明实施的电化学传感器检测ua的选择性和竞争性实验图。生物体内常见的氨基、神经化学物质、金属离子、以及活性氧对10μm ua的选择性、竞争性实验图(a～d)。其中，a为氨基酸，b为神经化学物质，c为金属离子，d为活性氧。
[0071]
图5：本发明实施的电化学传感器检测ua的重现性实验图。
[0072]
图6：本发明实施的电化学传感器检测正常鼠脑和高尿酸症鼠脑内ua的实验结果，以及正常鼠和高尿酸症鼠的学习记忆行为。由图可知，高尿酸症鼠的学习记忆能力明显不如正常鼠，可进一步用于探究高尿酸对认知功能障碍的影响。
[0073]
图7为金界面上组装刚性分子线rp2以及二维导电mof材料ni3hhtp2的示意图。
具体实施方式
[0074]
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0075]
实施例1：二维导电mof材料ni3hhtp2的合成
[0076]
将200mg 2,3,6,7,10,11-六羟基苯并(hhtp)、456mg四水醋酸镍(ii)加入到28ml去离子水中，超声10min。随后，在85℃下加热并回流24h。自然冷却至室温后，用去离子水(3
×
50ml)和丙酮(3
×
50ml)洗涤产物。最后，在49℃的真空烘箱中干燥24h后收集到产物。图2是ni3hhtp2的形貌表征，为纳米棒状结构，直径约为50nm，xrd图进一步表明本发明成功制备了ni3hhtp2。
[0077]
实施例2：电化学传感器的制备
[0078]
(1)在碳纤维电极上电镀金，氯金酸溶液的浓度为10mm。
[0079]
(2)在步骤(1)得到的镀金碳纤维电极上修饰分子fp1、rp1或rp2。取出，洗去游离的分子溶液，常温晾干即可。
[0080]
(3)在步骤(2)得到的修饰刚性分子的镀金碳纤维电极上修饰本发明实施例1制备的二维导电mof材料ni3hhtp2，然后向镀金碳纤维电极上修饰ni3hhtp2，常温干燥即可得到电化学传感器，即为所需电极。电极形貌sem图如图3所示，镀金的碳纤维电极上修饰上了ni3hhtp2。
[0081]
实施例3：分子线调控纳米界面设计的电化学传感器体外检测ua
[0082]
在电化学工作站内搭建三电极工作体系，将本发明实施例2得到的电极作为工作电极，ag/agcl电极作为参比电极，pt电极作为对电极。电压记录范围为0v-0.8v，电压阶跃幅度为80mv。在三电极体系中，在不同浓度的ua溶液里扫dpv曲线，得到峰电流和浓度的曲线关系，得到线性范围为0.2μm～150.0μm(图3)。其中，图3a为对照组，未修饰分子，检出限为1.0μm，没有线性；图3b修饰了柔性分子fp1，检出限为5.0μm，不成线性；图3c修饰了短链刚性分子rp1，检出限为0.5μm，线性范围为0.5μm～150.0μm；图3d修饰了长链刚性分子rp2，检出限为0.2μm，线性范围为0.2μm～150.0μm。由图可以看到，修饰了长链刚性分子rp2的电极检测ua，具有较低的检出限以及较高的灵敏度。
[0083]
实施例4：采用dpv法测不同氨基酸、神经化学物质、金属离子以及活性氧对ua的选择性和竞争性，如图4所示，表明本发明实施例2制备的电极检测ua具有较好的选择性。
[0084]
实施例5：采用dpv法检测了修饰了mof和rp2的电极的重现性，如图5所示，表明本发明实施例2制备的电极具有很好的稳定性。
[0085]
实施例6：利用修饰了长链刚性分子rp2和mof的电化学传感器检测鼠脑内ua
[0086]
针测量正常鼠和高尿酸症鼠海马区中尿酸的含量(图6a)。高尿酸症鼠和对照鼠走莫里斯水迷宫，判断老鼠的学习能力和记忆能力。通过定位航行试验记录老鼠寻找到水面下平台的时间：历时五天，每天将正常鼠和高尿酸症鼠面向池壁分别从四个入水点(水池分为东南西北四个象限，分别设置四个入水点，在其中一个象限中央放置平台)放入水中，记录大鼠找到隐藏在水面下平台的时间，每天训练四次，记录平均值(图6b)。探正常鼠海马区中ua含量约为1.3μm，高尿酸症鼠的海马区中ua浓度约为5.0μm。此外，正常鼠和高尿酸症鼠走迷宫时间在第二天后下降，但高尿酸症鼠走迷宫时间比正常鼠更慢。
[0087]
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。