一种超亲水抗蛋白污损材料的制备及应用

1.本发明涉及电化学传感电极材料技术领域，特别涉及一种超亲水抗蛋白污损材料的制备及应用。


背景技术：

2.对乙酰氨基酚(acetaminophen，apap)为乙酰苯胺类药物，具有解热、镇痛的功效，在中西药及其制剂中使用广泛，可用于感冒发热、关节痛、神经痛及偏头痛、癌性痛、牙痛及手术后止痛，还可用于对阿司匹林过敏、不耐受或不适于应用阿司匹林的患者(水痘、血友病以及其他出血性疾病等)。然而对乙酰氨基酚有一定的毒副作用，短期使用一般不会引起胃肠出血，但是过多服用会出现恶心、呕吐、厌食、出汗、腹痛等症状，以及引起肝脏损害，严重时还可致昏迷甚至死亡。因此，对乙酰氨基酚的检测方法在生理功能方面以及临床应用方面都具有重要的意义。
3.电化学修饰电极自20世纪70年代发展到现在已成为了最活跃的电化学和电分析化学的前沿领域，是一种在导体或半导体电极表面通过化学的、物理化学的方法对电极表面进行修饰，形成具有预期功能的薄膜，从而使得电极具有特定物理化学结构的方法，可应用于电化学传感器、毛细管电泳检测器、液相色谱检测器、流动注射检测器、离子色谱检测器等。
4.垂直有序介孔二氧化硅膜(vertically ordered mesoporous silica films，vmsf)是一种优异的抗干扰与防污材料，目前已被广泛应用于分离、传感等领域。在传感领域中，均匀分布的介孔孔道垂直有序地排列在基底材料上使其具有一定的尺寸选择效应，结合超薄厚度及高孔隙密度能进一步提高其抗干扰与防止蛋白质等物质非特异性吸附能力。通常可以采用电化学辅助自组装在玻碳电极、ito电极、金电极等不同电极上制备vmsf，然而在玻碳电极上制备vmsf时常常会由于二者结合力弱的问题导致vmsf脱落，致使制备失败。考虑到vmsf作为一种含硅材料，利用硅原子与羟基之间的共价键合，可以在玻碳电极表面引入含羟基的粘合剂，使得vmsf可以稳定地存在于电极上。现有的提高vmsf稳定性的粘合剂有氨丙基三乙氧基硅烷、还原氧化石墨烯等材料。为了进一步加强玻碳电极和vmsf之间的结合力，继续探究合适的粘合剂对提高vmsf的稳定性并进一步提高传感平台的检测性能是非常有必要的。
5.聚多巴胺(polydopamine，pda)是一种受贻贝启发的多功能剂，因其几乎在任何材料表面都表现出显著的粘接特性而被认为是一种强粘接剂。迄今为止，将聚多巴胺作为粘合剂用来提高传感平台稳定性的方法已得到了广泛的应用，并且聚多巴胺优异的生物相容性与亲水性能拓宽传感平台的使用范围，同时赋予其优异的传感性能。因此，如果能将vmsf和pda结合起来修饰电极，则有利于提高vmsf的稳定性并进一步提高对乙酰氨基酚的检测灵敏度。


技术实现要素：

6.本发明通过将聚多巴胺和垂直有序介孔二氧化硅膜结合制备了一种电极修饰材料，以解决现有电极中垂直有序介孔二氧化硅膜稳定性差的问题。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
9.步骤1：在电极表面制备聚多巴胺膜，得到聚多巴胺膜修饰的电极；
10.步骤2：在步骤1的聚多巴胺膜修饰的电极表面制备垂直有序介孔二氧化硅膜，得到聚多巴胺膜和垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的电极；
11.步骤3：对步骤2的聚多巴胺膜和垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的电极进行氨基化，再在垂直有序介孔二氧化硅膜孔道内沉积金纳米颗粒，得到氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极。
12.在其中一些实施例中，所述步骤1具体为：将抛光、清洗后的电极浸入浓度为1.0～4.0mg
·
ml-1
的多巴胺溶液中，于室温下自聚反应1～4h，得到聚多巴胺膜。
13.进一步地，所述电极依次先用0.3和0.05μm氧化铝浆液抛光玻碳电极，再用乙醇和水超声清洗3min。
14.在其中一些实施例中，所述多巴胺溶液浓度为2.0mg
·
ml-1
，自聚反应时间为3h。
15.在其中一些实施例中，所述步骤2具体包括以下步骤：
16.步骤3.1：制备前驱体溶液，将四乙氧基硅烷和十六烷基三甲基溴化铵溶解在0.1～0.3mnano3溶液和等量乙醇的混合溶液中，再调节ph至1.0～4.0，室温搅拌预水解后使用；
17.步骤3.2：以聚多巴胺膜修饰的电极作为工作电极浸入前驱体溶液中，并施加-5～-1v的恒电位5～15s以生长垂直有序介孔二氧化硅膜，将电极取出经冲洗和干燥后浸入0.1m～0.3m的hcl-乙醇溶液中去除表面活性剂胶束，得到聚多巴胺膜和垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的电极。
18.在其中一些实施例中，步骤3.1中，所述nano3溶液的浓度为0.1m，所述混合溶液的ph为3.0。
19.在其中一些实施例中，所述恒电位的电压为-2.2v，所述hcl-乙醇溶液的浓度为0.1m。。
20.在其中一些实施例中，所述步骤3具体包括：先将步骤2制备好的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰的电极浸入5～15％(v/v)的3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液中进行氨基化，洗涤后再浸入0.2～1.0％haucl4的水溶液中，并施加-0.8～-0.1v的电压1～6s，得到氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极。
21.在其中一些实施例中，所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液的体积百分比为10％(v/v)，所述haucl4的质量百分比为0.5％，施加-0.5v电压3s。
22.在其中一些实施例中，所述一种电极修饰材料的制备方法所制备的氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极。
23.在其中一些实施例中，所述的氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序
介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极在检测对乙酰氨基酚中的应用。
24.本发明的有益效果如下：
25.本发明采用多巴胺自聚的方法在电极表面制备聚多巴胺膜，然后在聚多巴胺膜修饰的电极表面生长制备垂直有序介孔二氧化硅膜(vmsf)，再将聚多巴胺膜和垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的电极进行氨基化后在垂直有序介孔二氧化硅膜孔道内电化学沉积金纳米颗粒，从而得到氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极。聚多巴胺含有丰富的儿茶酚基团，羟基能够与vmsf共价键合，提高了vmsf在电极表面上的机械稳定性，同时还提高了金纳米颗粒的信号稳定性，稳定的金信号可以构建防污比率型电化学传感平台，进一步实现对电活性小分子，尤其是对乙酰氨基酚的高灵敏检测，检测范围在10-200μm。此外，氨基化后的vmsf结合聚多巴胺具有超亲水性能，从而能抵抗蛋白质等物质的非特异性吸附，具有一定的抗蛋白黏附与抗细菌黏附性能。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是修饰电极材料的制备流程图。
28.图2是不同修饰电极的接触角测试实拍图及金的信号变化曲线图，图中：a为电极pda/gce、电极vmsf/gce、电极nh
2-vmsf/gce、电极nh
2-vmsf/pda/gce、电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce的接触角实拍图；b为电极gce、电极aunp@vmsf/gce、电极au np@nh
2-vmsf/gce、电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce的cv测试图；c为电极gce、电极aunp@vmsf/gce、电极aunp@nh
2-vmsf/gce、电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gc e的dpv测试图。
29.图3是不同修饰电极的实拍图及信号变化图，图中：a为电极sm@vmsf/gce、vmsf/gce、sm@vmsf/pda/gce、vmsf/pda/gce的实拍图；b为电极aunp@vmsf/gce、aunp@nh
2-vmsf/gce、aunp@nh
2-vmsf/pda/gce循环10次的cv测试信号变化图；c为电极aunp@vmsf/gce、aunp@nh
2-vmsf/gce、aunp@nh
2-vmsf/pda/gce在12h后的金的信号变化图。
30.图4是不同电极分别在0.1mg/ml、0.5mg/ml、1mg/ml牛血清白蛋白的干扰下的信号变化图，图中：a为电极aunp@vmsf/gce，b为电极aunp@nh
2-vmsf/gce，c为电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gc。
31.图5是修饰电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce加入apap后金的信号变化图，图中：a为电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce加入apap前、后的cv测试；b为电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce加入apap前、后的dpv测试；c为电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce加入不同浓度apap后的dpv测试；d为线性拟合图。
具体实施方式
32.下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规说法。
33.实施例1：一种氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰电极的制备方法
34.按照图1的制备过程，所述电极修饰材料的制备方法具体包括以下步骤：
35.1、在抛光布上分别用0.3μm和0.05μm氧化铝浆液抛光玻碳电极(gce)，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声清洗3min。
36.2、将步骤1清洗后的玻碳电极浸入2.0mg
·
ml-1
的多巴胺(pda)溶液中(由10mm，ph＝8.5的tris-hcl缓冲液溶解多巴胺配制而成)，在室温下自聚3h，得到聚多巴胺膜修饰的玻碳电极，记为pda/gce。
37.3、采用电化学辅助自组装的方法在pda/gce上制备垂直有序介孔二氧化硅膜(vmsf)，具体包括：1)将2.833g四乙氧基硅烷和1.585g十六烷基三甲基溴化铵溶解于20ml的0.1mnano3溶液和等量无水乙醇的混合溶液中，得到前驱体溶液；2)用hcl调节前驱体溶液ph至3.0，于室温搅拌预水解2.5h，然后将步骤2制得的pda/gce作为工作电极浸入前驱体溶液中，并施加-2.2v的恒电位10s来生长垂直有序介孔二氧化硅膜(vmsf)；3)生长完vmsf后快速将工作电极从前驱体溶液中取出，用大量的超纯水冲洗，然后在80℃烘箱中干燥固化过夜；4)为了去除vmsf纳米通道中的表面活性剂胶束(sm)，再将工作电极浸入0.1m的hcl-乙醇溶液中，搅拌5min，最后得到经聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰的玻碳电极，记为vmsf/pda/gce。
38.4、将步骤3制得的玻碳电极vmsf/pda/gce浸入含有10％(v/v)的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(aptes)的乙醇溶液中过夜进行氨基化，依次用无水乙醇和超纯水洗涤后再浸入0.5％haucl4的水溶液中，并施加-0.5v的电压3s，得到经氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰的玻碳电极，记为aunp@nh
2-vmsf/pda/gce。
39.对比例1：一种电极修饰材料的制备方法
40.制备方法同实施例1中的步骤1-2，得到只有聚多巴胺修饰的玻碳电极pda/gce。
41.对比例2：一种电极修饰材料的制备方法
42.将玻碳电极按实施例1中的步骤1抛光清洗后，采用实施例1中步骤3的电化学辅助自组装法在玻碳电极表面制备垂直有序介孔二氧化硅膜(vmsf)，得到只有垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极vmsf/gce。
43.对比例3：一种电极修饰材料的制备方法
44.将对比例2制备好的电极vmsf/gce浸入含有10％(v/v)的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(aptes)的乙醇溶液中过夜进行氨基化，得到只有氨基化的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极nh
2-vmsf/gce。
45.对比例4：一种电极修饰材料的制备方法
46.制备方法同实施例1，不同之处在于，氨基化后没有浸入0.5％haucl4的水溶液中负载金纳米颗粒，从而制得氨基化的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜修饰的玻碳电极nh
2-vmsf/pda/gce。
47.对比例5：一种电极修饰材料的制备方法
48.将对比例2制备好的电极vmsf/gce用超纯水洗涤后浸入0.5％haucl4的水溶液中，并施加-0.5v的电压3s，得到负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极aunp@vmsf/gce。
49.对比例6：一种电极修饰材料的制备方法
50.将对比例3制备好的电极nh
2-vmsf/gce用无水乙醇和超纯水洗涤后再浸入0.5％haucl4的水溶液中，并施加-0.5v的电压3s，得到氨基化且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极aunp@nh
2-vmsf/gce。
51.实验例1：分析不同电极修饰材料的电化学性能
52.1、根据亲水的浸润角小，水会铺展开；疏水的浸润角大，水形成一个个圆滴。采用接触角测定仪来分析实施例1和对比例1-4制得的不同电极修饰材料对电极润湿性的影响。
53.实验结果：
54.如图2a所示，pda/gce为只有聚多巴胺修饰的玻碳电极，vmsf/gce为只有垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极，nh
2-vmsf/gce为只有氨基化的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极，nh
2-vmsf/pda/gce为氨基化的垂直有序介孔二氧化硅膜和聚多巴胺修饰的玻碳电极，aunp@nh
2-vmsf/pda/gce为实施例1制备的经氨基化后且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜和聚多巴胺修饰的玻碳电极。聚多巴胺(pda)与垂直有序介孔二氧化硅膜(vmsf)一起修饰的玻碳电极nh
2-vmsf/pda/gce、aunp@nh
2-vmsf/pda/gce均具有一定的亲水性。聚多巴胺作为粘合剂不仅提高了vmsf的稳定性，与vmsf一起修饰玻碳电极比单一组分修饰电极有更优异的亲水性，并且由aunp@nh
2-vmsf/pda/gc e可知，在氨基化后的vmsf孔道内通过电化学沉积金纳米颗粒后，修饰玻碳电极时表现出超亲水性，其水接触角在5
°
以下。
55.2、在0.3m的pbs溶液(ph＝7)中通过chi650e电化学工作站(来源上海辰华仪器有限公司)依次采用循坏伏安法(cv)与差分脉冲伏安法(dpv)测试普通玻碳电极或对比例1-4制得的不同电极修饰材料的金信号变化。设置cv测试电位区间为0-1.1v，扫速为100mv/s，扫描段数为2；dpv测试扫描范围为1.1v-0v，振幅为0.05v，脉冲宽度为0.05s，采样周期为0.0167s。
56.实验结果：
57.如图2b和2c所示，gce为普通玻碳电极，aunp@vmsf/gce为负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极，aunp@nh
2-vmsf/gce为氨基化且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极，aunp@nh
2-vmsf/pda/gce为实施例1制备的经氨基化后且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜和聚多巴胺修饰的玻碳电极。电极aunp@nh
2-vmsf/gce、电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce的电流均要高于电极gce、电极aunp@vmsf/gce，并且电极aunp@nh
2-vmsf/gce和电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce均进行了氨基化，说明氨基化后的vmsf能够负载更多的金纳米颗粒，使用聚多巴胺后金的信号有所下降，进一步证明了聚多巴胺在修饰电极上的成功合成。
58.3、分析玻碳电极aunp@nh2-vmsf/gce或aunp@nh2-vmsf/pda/gce在制备过程中的机械稳定性。具体操作包括：将玻碳电极vmsf/gce或vmsf/pda/gce浸入0.1m的hcl-乙醇溶液中搅拌5min去除表面活性剂胶束(sm)后，用肉眼观察玻碳电极上vmsf的脱落情况，再设置未去除表面活性剂胶束(sm)的玻碳电极sm@vmsf/gce或sm@vmsf/pda/gce为对照组。
59.实验结果：
60.如图3a所示，未使用聚多巴胺作为粘合剂时，在去除表面活性剂胶束后，vmsf容易从电极表面上脱落，而当使用聚多巴胺作为粘合剂后，去除表面活性剂胶束后vmsf仍能稳
定存在于电极表面。
61.4、在0.3m的磷酸盐缓冲液(ph＝7)中通过chi650e电化学工作站(来源上海辰华仪器有限公司)分别对实施例1、对比例5、对比例6制得的电极修饰材料进行10次循环的cv测试，再采用cv测试电极修饰材料在磷酸盐缓冲液中放置12h后的金信号变化，来验证信号的稳定性。设置cv测试电位区间为0-1.1v，扫速为100mv/s，扫描段数为20。
62.实验结果：
63.如图3b所示，在经过重复的cv扫描后，使用聚多巴胺作为连接剂的电极cv曲线几乎没有变化，而未使用聚多巴胺的电极cv曲线峰电流有所下降。如图3c所示，经过12h的放置后，aunp@nh
2-vmsf/pda/gce的金信号几乎没有变化，而aunp@nh
2-vmsf/gce的金信号则有一定的波动与下降。
64.5、在0.3m的磷酸盐缓冲液(ph＝7)中分别加入0.1mg/ml、0.5mg/ml、1mg/ml的牛血清白蛋白(bsa)作为干扰蛋白，再通过chi650e电化学工作站(来源上海辰华仪器有限公司)采用dpv测试电极的金信号变化来衡量电极的防污性能。设置dpv测试扫描范围为1.1v-0v，振幅为0.05v，脉冲宽度为0.05s，采样周期为0.0167s。
65.实验结果：
66.图4a是负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极aunp@vmsf/gce，图4b是氨基化且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜修饰的玻碳电极aunp@nh
2-vmsf/gce，图4c是氨基化且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜和聚多巴胺修饰的玻碳电极。如图4a和图4b所示，在未使用聚多巴胺作为粘合剂时，牛血清白蛋白浓度越高，金的信号越低，证明在电解质溶液中牛血清白蛋白的干扰使金的信号有明显的下降(27.4％、11.4％)，如图4c所示，使用聚多巴胺作为粘合剂后，电极的金的信号几乎没有变化(1.6％)，证明聚多巴胺修饰电极具有优异的亲水性，从而能够有效提高电极的防污性能。
67.6、分析对乙酰氨基酚在玻碳电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce上的电化学行为
68.分别对电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce添加对乙酰氨基酚(apap)前、加入250μm乙酰氨基酚(apap)后通过chi650e电化学工作站(来源上海辰华仪器有限公司)进行cv测试与dpv测试，再分别在apap浓度为10、38.5、56.6、74.1、90.9、130.4、166.7、200μm时进行dpv测试。将氨基化后且负载金纳米颗粒的垂直有序介孔二氧化硅膜和聚多巴胺修饰的玻碳电极aunp@nh
2-vmsf/pda/gce作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极(sce)为参比电极，磷酸盐缓冲液作为电解质。设置cv测试电位区间为0-1.1v，扫速为100mv/s，扫描段数为2；dpv测试扫描范围为1.1v-0v，振幅为0.05v，脉冲宽度为0.05s，采样周期为0.0167s。
69.实验结果：
70.修饰电极在磷酸盐缓冲液中得到一对金的氧化还原峰，其中金的还原峰在0.5v左右，apap加入后能够得到一对属于apap的新的氧化还原峰，其还原电位在0.3v左右，可以与金的还原峰明显的区分开。如图5a所示，在电解质溶液中加入25μm的apap后，除了金的氧化还原峰外，额外得到了apap的氧化还原峰且金的氧化还原峰并不会随着apap的加入而变化。如图5b所示，采用dpv测试时，加入了apap的电极的dpv曲线出现了一个新的还原峰，而金的还原峰没有变化。如图5c所示，电极随着apap浓度的增加，其dpv曲线中apap的峰电流也随之增加。如图5d所示，将apap峰电流与金的峰电流比值与apap的浓度之间进行线性拟
合，得到拟合方程为iapap/iau＝0.31396 0.00227capap(r2＝0.9977)，线性范围为10-200μm。
71.综上所述，本发明制备的氨基化且负载金纳米颗粒的聚多巴胺膜-垂直有序介孔二氧化硅膜复合膜，用于修饰玻碳电极，相比现有的电极修饰材料，采用聚多巴胺作为粘合剂不仅可以提高垂直有序介孔二氧化硅膜(vmsf)的机械稳定性以及金纳米颗粒的信号稳定性，与vmsf结合修饰电极还表现出超亲水性，即使是在牛血清白蛋白的干扰下电极的金信号也几乎没有变化，其优异的亲水性能，使得复合膜具有一定的抗蛋白污损与抗细菌黏附性能。此外，稳定的金信号还能实现对乙酰氨基酚的高灵敏检测，检测范围在10-200μm。
72.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。