一种双光敏双电极光电化学传感器及其制备方法和应用

1.本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种双光敏双电极光电化学传感器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.氯霉素(cap)作为一种广泛用于治疗人类疾病和水产养殖的广谱抗生素，已被发现具有潜在毒性，并会通过牲畜排泄物排入河流造成污染。因此，有必要开发一种低成本、简单、快速、灵敏并能应用于现实的检测方法。
3.与传统的高效液相色谱法、比色法和免疫法等相比，光电化学(pec)传感法表现出了巨大的优势。在高性能的基础上，小型化和便携性成为pec传感器的发展趋势。因此，基于双电极的自供电pec传感器脱颖而出，与传统三电极系统相比，它们可以消除参考电极的需求，并且无需外部电源供电，这其中，基于光燃料电池(pfc)的双电极传感器展现出极大优势，这种传感器可以通过高效、稳定的光敏材料产生的氧化还原反应产生电能。然而，大多数基于光燃料电池(pfc)的双电极传感器，属于阳极型pec传感器，这类传感器只追求光阳极材料设计，而阴极不参与光响应过程，存在的缺陷是单光响应使传感器的灵敏度以及自供电能力被限制，而且光电转换与检测置于同个电极也会降低传感器的抗干扰能力，存在检测精度低的不足。相比于阳极型pec传感器，由p型半导体组成的阴极型pec传感器可以克服抗干扰性差的缺点，然而，现有阴极型pec传感器中，主要用光活性材料如氧化亚铜(cu2o)、溴化亚铜(cubr)等取代传统铂阴极，然而，以cu2o、cubr为光活性材料时，由于存在电荷复合率高、光电流响应低和氧化可能性高等不足，这使得阴极型pec传感器仍然存在稳定性差、使用寿命短、检测灵敏度低、检测范围窄、检测极限高等缺陷，因而严重制约了阴极型pec传感器在检测领域的广泛应用。另外，基于二维超薄g-c3n4纳米片作为n型无机半导体构建的pec传感器中，由于g-c3n4纳米片之间的堆积和团聚不可避免，大大降低其作为光活性材料的比表面积，进而也使得光生载流子转移速度大大降低，不利于获得高且稳定的光电流，这也限制了g-c3n4纳米片在pec传感器中的应用前景。因此，获得一种稳定性高、无需外部电源、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低的双光敏双电极光电化学传感器，对于高效、准确的检测水体和生物体等介质中污染物(如抗生素)具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性高、无需外部电源、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低的双光敏双电极光电化学传感器，并相应提供一种工艺简单、操作便捷、安全、成本低廉、无污染、制作效率高的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，同时还提供一种上述双光敏双电极光电化学传感器在检测抗生素中的应用，特别地采用上述双光敏双电极光电化学传感器检测氯霉素时具有可自供电、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低等优点。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种双光敏双电极光电化学传感器，包括双光敏双电极系统中用作对电极的第一导电玻璃电极和用作工作电极的第二导电玻璃电极；所述第一导电玻璃电极的反应端表面修饰有第一复合材料，所述第一复合材料为负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳；所述第二导电玻璃电极的反应端表面修饰有第二复合材料，所述第二复合材料为掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体；所述第二复合材料表面自组装有特异性适配体探针。
7.上述的双光敏双电极光电化学传感器，进一步改进的，所述负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳是以三维石墨相氮化碳为载体，所述三维石墨相氮化碳表面负载有金纳米粒子；所述负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳中三维石墨相氮化碳与金纳米粒子的质量比为1∶0.05～0.25；所述三维石墨相氮化碳是由石墨相氮化碳纳米片复合而成的三维材料。
8.上述的双光敏双电极光电化学传感器，进一步改进的，所述掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体包括碳-氧化亚铜壳-核十四面体，所述碳-氧化亚铜壳-核十四面体表面掺杂有氮原子；所述碳-氧化亚铜壳-核十四面体是由碳框架与氧化亚铜形成具有壳-核结构的十四面体。
9.上述的双光敏双电极光电化学传感器，进一步改进的，所述第一导电玻璃电极为二氧化锡导电玻璃电极；所述第二导电玻璃电极为二氧化锡导电玻璃电极。
10.作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：以负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳修饰的第一导电玻璃电极为对电极，掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体和特异性适配体探针共同修饰的第二导电玻璃电极为工作电极，构建成双光敏双电极系统，完成对双光敏双电极光电化学传感器的制备。
11.上述的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，进一步改进的，所述负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳修饰的第一导电玻璃电极由以下方法制备得到：
12.s1、将负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳分散于全氟磺酸/乙醇溶液中，得到负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳悬浮液；所述负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳悬浮液中负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳的浓度为2mg/ml～6mg/ml；所述全氟磺酸/乙醇溶液中全氟磺酸与乙醇的体积比为1∶8～10；
13.s2、将步骤s1中得到的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳悬浮液涂覆在第一导电玻璃电极的反应端表面，在150℃～250℃煅烧20min～40min，得到负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳修饰的第一导电玻璃电极。
14.上述的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，进一步改进的，所述掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体和特异性适配体探针共同修饰的第二导电玻璃电极由以下方法制备得到：
15.(1)将掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体分散于全氟磺酸/乙醇溶液中，得到掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体悬浮液；所述掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体悬浮液中掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的浓度为2mg/ml～6mg/ml；所述全氟磺酸/乙醇溶液中全氟磺酸与乙醇的体积比为1∶8～10；
16.(2)将步骤(1)中得到的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体悬浮液涂覆在第二导电玻璃电极的反应端表面，在180℃～220℃煅烧20min～40min，得到掺杂氮的碳-氧化亚
铜壳-核十四面体修饰的第二导电玻璃电极；
17.(3)将戊二醇溶液滴加到步骤(2)中得到的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体修饰的第二导电玻璃电极的反应端表面，静置，滴加特异性适配体探针溶液到第二导电玻璃电极的反应端表面进行培养，使特异性适配体能够通过戊二醇的共价连接作用固定在电极上，得到掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体和特异性适配体探针共同修饰的第二导电玻璃电极。
18.上述的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，进一步改进的，步骤s1中，所述负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳由以下方法制得：
19.s1-1、将三聚氰胺、三聚氰酸和水混合，搅拌，干燥，得到氨基-三聚氰胺超分子前驱体；所述三聚氰胺和三聚氰酸的质量比为1∶0.8～1.2；
20.s1-2、将s1-1中得到的氨基-三聚氰胺超分子前驱体升温至450℃～570℃煅烧3h～5h，得到三维石墨相氮化碳；
21.s1-3、将步骤s1-2中得到的三维石墨相氮化碳与甲醇/超纯水溶液混合，得到三维石墨相氮化碳悬浮液；所述三维石墨相氮化碳与甲醇/超纯水溶液的比例为0.02g～0.1g∶10ml～40ml；所述甲醇/超纯水溶液中甲醇、水的体积比为1∶4～6；
22.s1-4、将步骤s1-3中得到的三维石墨相氮化碳悬浮液与氯金酸溶液混合进行光催化还原反应，得到负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳；所述三维石墨相氮化碳悬浮液与氯金酸溶液的体积比为10～40∶0.7～1；所述光催化还原反应的时间为0.5h～1.5h。
23.上述的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，进一步改进的，步骤(1)中，所述掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体由以下方法制得：
24.(a)将硝酸铜/苯并咪唑的混合溶液与1,3,5-均苯三甲酸溶液混合，在60℃～100℃下搅拌5h～7h，得到铜-苯-1,3,5-三羧酸金属有机框架前驱体；所述硝酸铜/苯并咪唑的混合溶液由一水合硝酸铜和苯并咪唑溶解到乙醇/n，n-二甲基甲酰胺溶液中制备得到；所述1,3,5-均苯三甲酸溶液由1,3,5-均苯三甲酸溶解在乙醇/n，n-二甲基甲酰胺溶液中制备得到；所述乙醇/n，n-二甲基甲酰胺溶液中乙醇与n，n-二甲基甲酰胺的体积比为1∶0.5～1.5；
25.(b)将步骤(a)得到的铜-苯-1,3,5-三羧酸金属有机框架前驱体升温至220℃～320℃煅烧15min～45min，得到掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体。
26.上述的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，进一步改进的，步骤(3)中，所述静置的时间为0.2h～1.5h；所述特异性适配体探针溶液的浓度为1μm～3μm；所述培养的时间为0.1h～1h。
27.作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的双光敏双电极光电化学传感器或上述的制备方法制得的双光敏双电极光电化学传感器在检测抗生素中的应用。
28.上述的应用，进一步改进的，所述应用是利用双光敏双电极光电化学传感器在检测水体中的抗生素，包括以下步骤：将待测抗生素溶液滴加到双光敏双电极光电化学传感器的工作电极反应端表面进行反应，利用特异性适配体探针对抗生素进行特异性识别和捕获；将双光敏双电极系统与电化学工作站连接，在工作电极和对电极共同接受光照的条件下，采用计时电流法在间歇光照下进行测试；根据抗生素浓度与光电流变化关系构建的检测线性回归方程，计算待测抗生素溶液中抗生素的浓度。
29.上述的应用，进一步改进的，所述抗生素为氯霉素时，所述双光敏双电极光电化学传感器中特异性适配体探针的核苷酸序列为5
’‑
nh
2-(ch2)
6-acttcagtgagttgtcccacggtcggcgagtcggtggtag-3’；所述氯霉素浓度与光电流变化关系的检测线性回归方程为：
30.δi＝-109.66lg(c(cap))-438.26
ꢀꢀꢀ
(1)
31.式(1)中，δi表示峰电流与背景峰电流的差值，单位为na；c(cap)为待测溶液中氯霉素浓度，单位为nm；式(1)的相关系数r2＝0.996，氯霉素检测线性范围为0.5pm～300nm，检测下限为0.1pm。
32.与现有技术相比，本发明的优点在于：
33.(1)本发明提供了一种双光敏双电极光电化学传感器，包括双光敏双电极系统中用作对电极(光阳极)的第一导电玻璃电极和用作工作电极(光阴极)的第二导电玻璃电极，第一导电玻璃电极的反应端表面修饰有第一复合材料，第一复合材料为负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳，第二导电玻璃电极的反应端表面修饰有第二复合材料，第二复合材料为掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体，第二复合材料表面自组装有特异性适配体探针。本发明中，以负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳作为双光敏双电极光电化学传感器对电极(光阳极)的光敏活性材料，由于负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳具有高比表面积和丰富的多孔结构，因而有利于载流子扩散迁移，增加电子空穴的分离能力，且石墨相氮化碳三维框架的反射光子功能可以多次利用光子，提高载流子被激发可能，同时在金纳米粒子的协同作用下，通过金纳米粒子的局部等离子体共振效应增加了载流子的数量和光能吸收，进一步提升光电转换能力，这些优势为传感器提供高而稳定的光电流，大大提升传感器的灵敏度。与现有石墨相氮化碳/氧化钨/二氧化锰的三元复合材料相比，本发明中采用的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳，重点是通过改善石墨相氮化碳本身的结构来增强材料光电活性，并通过负载金纳米粒子进一步增强材料的优势，这是现有三元复合材料所不具备的。本发明中，以掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体作为双光敏双电极光电化学传感器工作电极(光阴极)的光敏活性材料，采用的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体中，氧化亚铜能够提供良好的光电响应，能够与光阳极一同接受光照，有利于提高光电流，壳-核结构能够弥补纯氧化亚铜易被氧化的缺点，使金属亚氧化物内核能够保持原形态最大程度发挥光电转换的效果，同时碳骨架也具有高比表面积、多孔、多重反射光子的优点，能够进一步提升材料光照下的光电转换效果，氮掺杂带来更多负电荷，阻止光阴极的电子空穴对复合，这些优势使传感器的灵敏度进一步提升，而且掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体是一种p型材料，费米能级较低，能够促进电子从阳极向阴极的自发流动，使传感器具有更好的自供电效果。与现有负载金纳米粒子的还原氧化石墨烯相比，本发明中采用的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体不仅能够接收更多电子使供电能力更好，还可以通过两个电极的光电转换达到更高的光电响应。在此基础上，由负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳和掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体构建双光敏双电极光电化学传感器，首先作为阴极型检测(检测置于掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体所一极)，它获得了良好的抗干扰能力，同时也克服了传统的阴极型检测灵敏度低的问题，这是因为两个光电极都参与了光电转换，两者共同为传感器输出高而稳定的光电流，同时掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体是一种低费米能级(-0.12ev)的p型半导体材料，而负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳是一种高费米能级(-1.18ev)的n型半导体材料，二者之间的压差为1.06ev，因而将它们
分别作为光阴极和光阳极的光敏活性材料，可以增强光阴极和光阳极之间的偏压，进而可以增强光阴极和光阳极之间的电子传递，促进光阳极电子自发转移到光阴极，为传感器带来更加优异的供电能力，并且使电子聚集在光阴极表面，阻止还原性物质或目标分子在光阴极表面发生副反应，使得本发明的传感器有更强的自供电能力和抗干扰性能力。同时，为了使传感器同时拥有高光电流响应和优异的抗干扰性，本发明中，将负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳和掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的共同使用，一方面，掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体具有光电性能优异、导电性高、分散性能好等优点，可以辅助光阳极进一步提升传感器的光电响应，另一方面，光阳极辅助光阴极，通过一同参与光电响应，增强电子传递，抑制光阴极上的电荷复合，从而使触感器的检测光电流大大提升，进一步提升传感器的抗干扰能力。另外，本发明中，掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体是发育良好的壳-核结构，该结构可以使掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体稳定地固定在导电玻璃电极反应端表面，且能够为特异性适配体探针的固定提供了很好的平台，使得特异性适配体探针可以稳定地附着在导电玻璃电极的反应端表面，从而提高双光敏双电极光电化学传感器的稳定性和使用寿命。此外，本发明中，特异性适配体探针具有高特异性、结合能力强、高稳定性等优点，是一种抗干扰能力强的识别元件。本发明中，如果待测水体中存在污染物分子，特异性适配体探针会特异性识别和捕获污染物分子，此时在电极表面形成位阻效应，阻碍阳极转移的电子及掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体产生的光生电子传递给电解液中的溶解氧，且光电流信号随着污染物浓度的增加而减小，从而达到检测污染物的目的。本发明双光敏双电极光电化学传感器具有稳定性高、使用寿命长、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低等优点，可实现对水体和生物体等介质中污染物(如抗生素)的特异性检测，利用率高，且有着很好的使用价值和应用前景。
34.(2)本发明双光敏双电极光电化学传感器中，所用的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳是以三维石墨相氮化碳为载体，三维石墨相氮化碳表面负载有金纳米粒子，形成复合材料，其中三维石墨相氮化碳是一种n型无机半导体材料，与常规石墨相氮化碳相比，具有低毒、独特光电特性等优点，具体来说，三维石墨相氮化碳具有三维开放框架，这样的三维结构的设计可以防止常用二维石墨相氮化碳纳米片之间易堆积和团聚的缺陷，大大提升了材料的比表面积和光生载流子转移速率，还可以通过三维开放框架的多次反射进一步利用入射光子；进一步的，金纳米粒子是一种优良的小尺寸增敏材料，具有局部等离子体共振效应，可以使光能被金纳米粒子吸收，产生热电子并注入三维石墨相氮化碳，增加电子数量，同时，等离子体诱导共振能量转移可以将金纳米粒子吸收的光能直接转移至三维石墨相氮化碳中，为载流子的产生提供额外的光能，因而将金纳米粒子负载在三维石墨相氮化碳表面对提高复合材料的光电化学性能具有协同促进作用，使得本发明的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳具有更强的光电化学响应和更好的稳定性；同时，本发明负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳还具有分散性能好、光能利用率高等优点，是一种性能优异的新型石墨相氮化碳基材料。基于此，本发明中，将负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳作为光电活性材料用于制备双光敏双电极光电化学传感器的对电极(光阳极)时，可以扩展光阳极的光响应范围，提高光阳极的光能利用率，促进电子和空穴分离，由此保证光阳极稳定的高光电流输出，有利于提高双光敏双电极光电化学传感器的检测灵敏度以及降低信噪比，进而有利于提高双光敏双电极光电化学传感器的检测范围以及降低检测下限，使得双光敏双
电极光电化学传感器具有宽的检测范围和低的检测极限。
35.(3)本发明双光敏双电极光电化学传感器中，采用的三维石墨相氮化碳是由超薄石墨相氮化碳纳米片松散聚集的三维结构，该该结构可以使负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳稳定地固定在导电玻璃电极反应端表面，且可以使金纳米粒子均匀分散在三维石墨相氮化碳表面。与常规光阳极材料相比，本发明中采用的三维石墨相氮化碳，具有非常大的比表面积，这有利于提高光电活性材料对光的吸收能力，进而有利于获得更大的光电流，与此同时，金纳米粒子的负载扩增了光响应范围，二者共同作用能够进一步提高光电流的响应，从而能够进一步提升双光敏双电极光电化学传感器的检查灵敏度。
36.表1不同形状石墨相氮化碳的性能对比
37.材料名称比表面积(m2/g)光吸收边缘(nm)光电流(na)大块g-c3n44.338～450～1100g-c3n4纳米片9.121～465～15503d g-c3n460.518～500～1980au负载3d g-c3n467.215红外区～2530
38.(4)本发明双光敏双电极光电化学传感器中，所采用的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体，以碳框架为壳基的金属-有机框架与氧化亚铜结合形成壳-核结构的十四面体，并掺杂有氮原子，其中以碳框架为壳基质的金属-有机框架，它是一种多孔、高比表面积的结构，将其与氧化亚铜结合形成壳-核结构，能够保护氧化亚铜内核不被氧化，使氧化亚铜优良的光电性能得到保证，同时，金属-有机框架的多重光反射能力可以提升光利用率，从而提升复合材料的光电响应，而且掺杂的氮原子带来的孤电子对可以在碳网络中提供额外的负电荷，阻止被激发的电子和空穴重新复合，从而提高复合材料的光生载流子分离率，因而利用氮原子、碳框架为壳基的金属-有机框架、氧化亚铜的协同放大作用，使得掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体表现出优异的光电性能，且具有更高的导电性和更好的分散性，基于此，将该掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体作为光电活性材料用于制备双光敏双电极光电化学传感器的工作电极(光阴极)，可以提升光阴极的光电响应，提高双光敏双电极光电化学传感器的抗干扰能力，达成自供电目的，从而有利于提高双光敏双电极光电化学传感器的分析性能。与常规的氧化亚铜(cu2o)相比，本发明采用的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体(n掺杂cu2o@c)，能够更好的提升光阴极的比表面积、光吸收强度和光电流，进而有利于提高传感器的检查灵敏度和检测范围。
39.表2不同光阴极材料构建的传感器的性能对比
40.[0041][0042]
(5)本发明提供了一种双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，具有工艺简单、操作便捷、安全、成本低廉、无污染、制作效率高等优点，适合于大规模制备，有利于工业化应用。
[0043]
(6)本发明制备方法中，还包括对负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳的制备，由以下方法制得：三聚氰胺和三聚氰酸自下而上超分子自组装，将产物悬浮液与氯金酸溶液混合，进而通过光催化还原作用生成金纳米粒子并负载在三维石墨相氮化碳表面，得到金纳米粒子分散均匀、比表面面积大、光电化学性能强的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳，且该制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉、反应条件温和等优点，适合于大规模制备。同时，本发明制备方法中，还包括对掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的制备，由以下方法制得：一水硝酸铜、苯并咪唑和1,3,5-均苯三甲酸溶液混合搅拌反应，将产物在氮气气氛下煅烧，得到核-壳结构发育良好、稳定性好、导电性能强、光电化学性能强的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体，且该制备方法还具有工艺简单、操作方便、成本低廉、原料便宜易得等优点，适合于大规模制备。
[0044]
(7)本发明还提供了一种双光敏双电极光电化学传感器在检测抗生素中的应用，通过将抗生素溶液滴加到双光敏双电极光电化学传感器中作为工作电极的导电玻璃电极(如二氧化锡导电玻璃电极)的反应端表面进行反应，使双光敏双电极光电化学传感器上的特异性适配体探针对抗生素分子进行特异性识别和捕获，然后以接收光照及捕获抗生素的光阴极导电玻璃电极作为工作电极，接受光照的光阳极导电玻璃电极作为对电极，建立双光敏双电极系统，并通过双光敏双电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试，建立抗生素浓度与光电流变化关系的检测线性回归方程，根据该检测线性回归方程计算待测溶液中抗生素的浓度。特别地，采用本发明双光敏双电极光电化学传感器检测氯霉素时，该双光敏双电极光电化学传感器能够检测水体和生物体等介质中的氯霉素，提高了双光敏双电极光电化学传感器的利用性，且对于氯霉素的检测能获得较好的检测范围和检测极限，具有稳定性高、使用寿命长、检测范围宽、检测极限低、抗干扰能力强等优点，应用范围广，应用价值高。
附图说明
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0046]
图1为本发明实施例1中制得的三维石墨相氮化碳与金纳米粒子的质量比为1∶0.1的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳的tem图。
[0047]
图2为本发明实施例1中制得的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的tem图。
[0048]
图3为本发明实施例1中制得的三维石墨相氮化碳与金纳米粒子的质量比为1∶0.2的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳的tem图。
[0049]
图4为本发明实施例1中制得的修饰掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的导电玻璃电极(n doped cu2o@c/fto)、实施例2中制得的双光敏双电极光电化学传感器阴极(aptamer/gld/n doped cu2o@c/fto)的阻抗图。
[0050]
图5为本发明实施例2中双光敏双电极光电化学传感器检测不同浓度氯霉素溶液时对应的光电流响应图。
[0051]
图6为本发明实施例2中不同浓度氯霉素与光电流变化关系的检测线性回归图。
[0052]
图7为本发明实施例4中双光敏双电极光电化学传感器检测不同抗生素时对应的光电流响应图。
[0053]
图8为本发明实施例5中双光敏双电极光电化学传感器的再现性对比图。
[0054]
图9为本发明实施例6中双光敏双电极光电化学传感器的稳定性对比图。
具体实施方式
[0055]
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0056]
以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售。本发明实施例中，若无特别说明，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，且所得数据均是三次以上重复实验的平均值。
[0057]
光源取自高亮度氙灯平行光源系统仪器，并以300w氙灯(北京泊菲莱)作为可见光源。用420nm滤光片滤掉氙灯的可见光。电化学实验使用chi660b电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，利用双光敏双电极体系：修饰负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳的导电玻璃电极为对电极(光阳极)，修饰掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的导电玻璃电极为工作电极(光阴极)。
[0058]
实施例1
[0059]
一种双光敏双电极光电化学传感器，其特征在于，包括双光敏双电极系统中用作对电极(光阳极)的第一导电玻璃电极和用作工作电极(光阴极)的第二导电玻璃电极，其中第一导电玻璃电极的反应端表面修饰有第一复合材料，第一复合材料为负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳；第二导电玻璃电极的反应端表面修饰有第二复合材料，第二复合材料为掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体，第二复合材料表面自组装有特异性适配体探针。
[0060]
本实施例中，负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳是以三维石墨相氮化碳为载体，三维石墨相氮化碳表面负载有金纳米粒子，其中三维石墨相氮化碳是由超薄石墨相氮化碳纳米片复合而成的三维材料；该负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳中，三维石墨相氮化碳与金纳米粒子的质量比为1∶0.1。
[0061]
本实施例中，通过超分子自组装及光催化还原使金纳米粒子负载在三维石墨相氮
化碳表面，且金纳米粒子均匀的分散在三维石墨相氮化碳纳米片的表面。
[0062]
本实施例中，掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体包括碳-氧化亚铜壳-核十四面体，碳-氧化亚铜壳-核十四面体表面掺杂有氮原子，其中碳-氧化亚铜壳-核十四面体是由碳框架与氧化亚铜形成具有壳-核结构的十四面体。
[0063]
本实施例中，通过混合反应及煅烧使碳框架(壳)与氧化亚铜(核)形成具有壳-核结构的十四面体，且氮均匀的掺杂在壳与核的表面和内部。
[0064]
本实施例中，第一导电玻璃电极和第二导电玻璃电极均为二氧化锡导电玻璃电极。
[0065]
一种上述本实施例的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0066]
(1)将1.25g三聚氰胺和1.30g三聚氰酸粉末加入50ml去离子水中搅拌10h，干燥得到氨基-三聚氰胺超分子前驱体，前驱体在500℃下煅烧4h，研磨，得到三维石墨相氮化碳，记为3d cn。
[0067]
(2)称取0.05g步骤(1)得到的三维石墨相氮化碳粉体加入20ml甲醇/超纯水溶液(甲醇与超纯水的体积比为1:5)中，滴入908μl的氯金酸溶液(氯金酸的质量与水体积的比例为1g：100ml)进行催化还原反应，具体为搅拌1h，使催化还原过程中产生的金纳米粒子负载在三维石墨相氮化碳的表面，洗涤并干燥，得到负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳，记为au doped 3d cn。
[0068]
(3)将二氧化锡导电玻璃超声洗涤20min，干燥。取步骤(2)中得到的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳与全氟磺酸/乙醇溶液(全氟磺酸与乙醇的体积比为1:9)混合，超声30min，得到4mg/ml的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳悬浮液；取100μl负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳悬浮液滴涂在二氧化锡导电玻璃电极的反应端表面，干燥，在200℃煅烧30min，得到表面修饰有负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳的二氧化锡导电玻璃电极，记为au doped 3d cn/fto，即为本发明双光敏双电极光电化学传感器的光阳极。
[0069]
(4)0.02g一水合硝酸铜和0.2g苯并咪唑溶解在10ml乙醇/n，n-二甲基甲酰胺混合溶液中(该乙醇/n，n-二甲基甲酰胺混合溶液中，乙醇与n，n-二甲基甲酰胺的体积比为1:1)，得到溶液a。将0.02g 1,3,5-苯三甲酸溶解在20ml乙醇/n，n-二甲基甲酰胺混合溶液中(该乙醇/n，n-二甲基甲酰胺混合溶液中，乙醇与n，n-二甲基甲酰胺的体积比为1:1)得到溶液b，将溶液b加入溶液a中，在温度为90℃下搅拌6h，洗涤，烘干，得到铜-苯-1,3,5-三羧酸金属有机框架前驱体。
[0070]
(5)步骤(4)中的铜-苯-1,3,5-三羧酸金属有机框架前驱体升温至300℃煅烧30min，研磨，得到掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体，记为n doped cu2o@c。
[0071]
(6)将二氧化锡导电玻璃超声洗涤20min，干燥。取步骤(5)中制备的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体与全氟磺酸/乙醇溶液(全氟磺酸与乙醇的体积比为1:9)混合，超声30min，得到4mg/ml的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体悬浮液；将100μl的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体悬浮液滴涂在二氧化锡导电玻璃电极的反应端表面，干燥，在200℃煅烧30min，得到掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体修饰的二氧化锡导电玻璃电极，记为n doped cu2o@c/fto。
[0072]
(7)将20μl戊二醛水溶液(质量体积比为25％)滴加到步骤(6)得到的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体修饰的二氧化锡导电玻璃电极的反应端表面，放置1h，冲洗，干燥。
所得的二氧化锡导电玻璃电极的反应端表面继续滴加20μl 2μm的特异性适配体反应40min，通过戊二醇的共价链接作用将特异性适配体固定在掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体表面，冲洗，去除未被固定的特异性适配体，干燥，得到组装有特异性适配体探针的aptamer/gld/n doped cu2o@c/fto，即为本发明双光敏双电极光电化学传感器的光阴极。
[0073]
(8)以步骤(3)中制得的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳修饰的第一导电玻璃电极为对电极，步骤(7)中制得的掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体和特异性适配体探针共同修饰的第二导电玻璃电极为工作电极，构建成双光敏双电极系统，完成对双光敏双电极光电化学传感器的制备。
[0074]
一种上述本实施例的双光敏双电极光电化学传感器在检测抗生素中的应用，其中双光敏双电极光电化学传感器中特异性适配体探针对抗生素分子具有特异性识别和捕获功能，包括以下步骤：
[0075]
(1)将抗生素溶液滴加到双光敏双电极光电化学传感器中作为光阴极的二氧化锡导电玻璃电极的反应端表面，在60℃下反应1h，使双光敏双电极光电化学传感器上的特异性适配体探针对抗生素分子进行特异性识别和捕获。
[0076]
(2)以步骤(1)中接受光照并捕获抗生素的二氧化锡导电玻璃电极作为工作电极(光阴极)，以接受光照的二氧化锡导电玻璃电极作为对电极(光阳极)，建立双光敏双电极系统。
[0077]
(3)将双光敏双电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试。
[0078]
(4)根据抗生素浓度与光电流变化关系构建检测线性回归方程，并根据检测线性回归方程计算待测溶液中抗生素的浓度。
[0079]
对本发明实施例1中制得的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳(au doped 3d cn)和掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体(n doped cu2o@c)进行透射电镜成像分析，如图1和图2所示。由图1可知，金纳米粒子在松散聚集的超薄石墨相氮化碳纳米片单元表面均匀地分散。由图2可知，有序均匀的碳多孔骨架和发育良好的氧化亚铜被发现明显的壳-核结构。
[0080]
同时，本发明实施例1中，还制备了三维石墨相氮化碳与金纳米粒子的质量比为1∶0.2的负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳，其透射电镜成像分析，如图3所示。由图3可知，金纳米粒子在松散聚集的超薄石墨相氮化碳纳米片单元表面均匀地分散，但是金纳米粒子的粒径相对更大。
[0081]
实施例2
[0082]
一种双光敏双电极光电化学传感器，与实施例1的双光敏双电极光电化学传感器基本相同，区别仅在于：实施例2的双光敏双电极光电化学传感器中特异性适配体探针为氯霉素特异性适配体探针，其中氯霉素特异性适配体探针的核苷酸序列如seq id no.1所示，具体为为5
’‑
nh
2-(ch2)
6-acttcagtgagttgtcccacggtcggcgagtcggtggtag-3’。
[0083]
一种上述本实施例的双光敏双电极光电化学传感器的制备方法，与实施例1的制备方法基本相同，区别仅在于：实施例2的制备方法中，步骤(5)中采用的特异性适配体探针溶液为氯霉素特异性适配体探针溶液。
[0084]
实施例2中制得的双光敏双电极光电化学传感器，光阳极记为au doped 3d cn/
fto，光阴极记为aptamer/gld/n doped cu2o@c/fto。
[0085]
一种上述本实施例的双光敏双电极光电化学传感器在检测氯霉素中的应用，包括以下步骤：
[0086]
(1)将氯霉素溶液滴加到双光敏双电极光电化学传感器中工作电极(光阴极)导电玻璃电极的反应端表面，在60℃下反应1h，使双光敏双电极光电化学传感器上的氯霉素特异性适配体探针对氯霉素分子进行特异性识别和捕获。
[0087]
(2)以步骤(1)中接受光照并捕获氯霉素的二氧化锡导电玻璃电极作为工作电极(光阴极)，以接受光照的导电玻璃电极作为对电极(光阳极)，建立双光敏双电极系统。
[0088]
(3)将双光敏双电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试。
[0089]
(4)根据氯霉素浓度与光电流变化关系构建检测线性回归方程，并根据检测线性回归方程计算待测溶液中氯霉素的浓度。
[0090]
对本发明实施例1中制得的修饰掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的导电玻璃电极(ndoped cu2o@c/fto)、实施例2中制得的双光敏双电极光电化学传感器阴极(aptamer/gld/ndoped cu2o@c/fto)在含0.1m kcl的5.0mm铁氰溶液([fe(cn)6]
3-/4-)中进行阻抗测试，结果如图4所示。图4为本发明实施例1中制得的修饰掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体的导电玻璃电极(n doped cu2o@c/fto)、实施例2中制得的双光敏双电极光电化学传感器阴极(aptamer/gld/n doped cu2o@c/fto)的阻抗图。由图4可知，随着氯霉素特异性适配体探针修饰到gld/n doped cu2o@c/fto上，导致aptamer/gld/n doped cu2o@c/fto电阻升高，说明氯霉素特异性适配体探针成功修饰到了au nps/rgo/fto上。
[0091]
图5为本发明实施例2中双光敏双电极光电化学传感器检测不同浓度氯霉素溶液时对应的光电流响应图。图5中，a、b、c、d、e、f、g、h分别对应氯霉素溶液的浓度为0.5pm、10pm、50pm、300pm、1nm、10nm、50nm和300nm。由图5可知，光电流随着氯霉素浓度的增加而减小。
[0092]
图6为本发明实施例2中不同浓度氯霉素与光电流变化关系的检测线性回归图。由图6可知，氯霉素浓度与光电流变化关系的检测线性回归方程为：
[0093]
δi ＝
ꢀ‑
109.66lg(c(cap))-438.26
ꢀꢀ
(1)
[0094]
式(1)中，δi表示峰电流与背景峰电流的差值，单位为na；c(cap)为待测溶液中氯霉素浓度，氯霉素浓度的单位为nm；式(1)的相关系数r2＝0.996，氯霉素检测线性范围为0.5pm～300nm，检测下限为0.1pm。
[0095]
由此可见，实施例2中的双光敏双电极光电化学传感器可以用来检测浓度为0.5pm～300nm的氯霉素溶液，并可根据检测线性回归方程计算待测氯霉素的浓度。
[0096]
实施例3
[0097]
考察实施例2的双光敏双电极光电化学传感器的检测精度，采用标准添加法将该双光敏双电极光电化学传感器用于实际样品中的目标物检测(测定方法参照实施例2)，进行回收率实验。
[0098]
(1)采用实施例2中双光敏双电极光电化学传感器分别检测湘江水中氯霉素的浓度，具体步骤为：将湘江水经过滤等预处理后，取上清液用磷酸盐缓冲溶液调节ph至7.0。样品(含有氯霉素)中目标物质的浓度参照表3，最后将实施例2的双光敏双电极光电化学传感
器按照实施例2的方法检测待测溶液中的氯霉素，并将结果与传统hplc方法检测结果进行对比，测定结果列于表3中。
[0099]
表3待测溶液的回收率验证结果
[0100][0101]
从表3中可以看出，本发明的双光敏双电极光电化学传感器在可测定的浓度范围内，回收率基本在99.26％～101.66％之间，测定结果理想，相比传统的检测技术，采用本发明双光敏双电极光电化学传感器的检测方法操作简单快速。
[0102]
由表3可知，本发明双光敏双电极光电化学传感器可用于检测水体中的氯霉素，能够获得较好的检测精度。
[0103]
实施例4
[0104]
考察实施例2的双光敏双电极光电化学传感器的抗干扰能力，现用实施例2中的双光敏双电极光电化学传感器分别对浓度为1nm的氯霉素溶液、土霉素(oxytetracycline)溶液、卡那霉素(kanamycin)溶液、金霉素(aureomycin)溶液、四环素(doxycycline)溶液及氧氟沙星(ofloxacin)溶液进行测试(测定方法参照实施例2和实施例3)，分别编号为a1、a2、a3、a4、a5、a6，检测结果如图7所示。
[0105]
图7为本发明实施例4中双光敏双电极光电化学传感器检测不同抗生素时对应的光电流差值图。由图7可知，本发明实施例2中的双光敏双电极光电化学传感器对氯霉素有较好的光电流响应，对其它抗生素基本无光电流响应，这说明本发明双光敏双电极光电化学传感器具有较好的抗干扰能力。
[0106]
实施例5
[0107]
考察实施例2的双光敏双电极光电化学传感器的再现性，现按实施例2中的方法制备5个相同的双光敏双电极光电化学传感器，将这些双光敏双电极光电化学传感器分别对1nm氯霉素溶液进行测试，测试结果如图8所示。图8为本发明实施例5中双光敏双电极光电化学传感器的再现性对比图。由图8可知，这5个工作电极测得光电流值的相对标准偏差为1.87％，这说明本发明实施例2中的双光敏双电极光电化学传感器具有很好的再现性。
[0108]
实施例6
[0109]
考察实施例2的双光敏双电极光电化学传感器的稳定性，将实施例2中的双光敏双电极光电化学传感器置于4℃冰箱中2个星期，取出双光敏双电极光电化学传感器按照实施例2中的方法对氯霉素溶液(该溶液中氯霉素的浓度均为1nm)进行测试，测试结果如图9所示。图9为本发明实施例6中双光敏双电极光电化学传感器的稳定性对比图。由图9可知，本
发明双光敏双电极光电化学传感器工作电极在保存2个星期后仍对氯霉素有较好的响应，对比于最初检测氯霉素的光电流响应值仍有97.13％，说明本发明双光敏双电极光电化学传感器稳定性好、使用寿命长。
[0110]
上述检测结果表明，由本发明光阳极负载金纳米粒子的三维石墨相氮化碳，阴极掺杂氮的碳-氧化亚铜壳-核十四面体制得的双光敏双电极光电化学传感器具有稳定性好、使用寿命长、检测范围宽、检测极限低、抗干扰能力强等优点。
[0111]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。