辉钼矿基邻苯二酚传感器制备及性能研究.pdf

第46卷 第4期2023年8月Vol.46 No.4Aug.2023辽 宁 科 技 大 学 学 报Journal of University of Science and Technology Liaoning辉钼矿基邻苯二酚传感器制备及性能研究尹昱菲1，马婷婷1，吴鑫予1，卢凯嘉1，王月2（1.辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁 鞍山114051；2.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山114051）摘要：以天然辉钼矿（MLN）、戊二醛（GA）和酪氨酸酶（TYR）为修饰材料，采用化学偶联方法将三种物质修饰在玻碳电极表面制备TYR/GA/MLN/GCE电化学传感器，对邻苯二酚（CC）的含量进行检测。采用扫描电子显微镜和红外光谱等方法对修饰电极进行表征，利用电化学阻抗谱、循环伏安法、定电位法测试修饰电极的电化学性能。实验结果表明，该修饰电极对CC的氧化还原反应具有良好的电化学催化作用，在0.550 mol/L范围内，峰电流与CC浓度呈良好的线性关系，检出限（S/N=3）为0.33 mol/L。传感器线性范围较宽，检测限较低，具有优异的重现性、稳定性和选择性。关键词：辉钼矿；戊二醛；酪氨酸酶；邻苯二酚；电化学传感器中图分类号：O657.1；R446.1文献标识码：A文章编号：1674-1048（2023）04-0279-08DOI：10.13988/j.ustl.2023.04.006邻苯二酚（Catechol,CC），又名儿茶酚，是一种有机化合物，广泛应用于染料、农药和化妆品等行业1。同时，CC又是一种2B类致癌物，对环境和人类健康都会造成很大的危害2。传统检测CC的方法，如高效液相色谱法、荧光光谱法、pH流动注射分析法和同步荧光法等，存在样品前处理繁琐、灵敏度低、检测成本高和耗费时间长等缺点。电化学分析方法灵敏度高，且快速便捷，广泛应用于检测酚类化合物3。酪氨酸酶（Tyrosinase,TYR）是一种双核含铜金属蛋白，具有两种不同的催化活性4，属于多酚氧化酶，广泛分布于微生物和动植物中5。TYR催化产生的醌可以在相对适中的电位下电化学还原为CC。基于TYR的安培生物传感器选择性和灵敏度较高，具有小型化和自动化的潜力。生物装置的构建方法对保持酶原有的生物活性起着重要作用。此外，在酶固定化过程中，电极材料的选择也是影响生物传感器性能的关键因素，应优选能防止酶和蛋白质构象变化的电极材料。近年来，纳米材料、金属配合物、碳纳米管 6、石墨烯7、MoS28和导电聚合物等多种材料被应用于酶基生物传感器的制备。其中，MoS2是一种过渡金属硫化物，具有类石墨烯结构。辉钼矿（Molyb-denite,MLN）是一种天然硫化矿物，主要化学成分为层状MoS2。MLN具有低成本、环保、物理化学性质稳定、无毒、生物相容性好等优点，且在自然界中蕴藏丰富，是最有发展前景的电化学传感材料之一。MoS2的独特结构可以为电子提供快速通道，提高反应速率9。戊二醛（Glutaraldehyde,GA）广泛应用于生物传感器，可以使酶强烈吸附在电极表面，在检测过程中不易从表面分离。本文以 MLN 为基材，以GA作为偶联试剂，采用化学偶联方法将MLN、GA和TYR修饰在玻碳电极（Glassy carbon electrode,GCE）表面，制备TYR/GA/MLN/GCE电化学传感器，用于CC的电化学检测。收稿日期：2023-04-04。基金项目：2023年辽宁科技大学大学生创新创业训练计划（X202310146037）；辽宁科技大学青年教师基金资助项目（2020QN09）；2023年度辽宁科技大学实验室开放基金资助项目。作者简介：尹昱菲（2002），女，辽宁鞍山人。研究方向：电化学。通讯作者：马婷婷（1988），女，辽宁葫芦岛人，实验师。研究方向：电化学。辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷1实验材料及仪器1.1试剂辉钼矿购自中国宜春鹿鸣矿业有限公司，戊二醛、邻苯二酚、苯酚、对苯二酚、对氯苯酚、3-氨基酚、多巴胺、3，4-二羟基苯乙酸均购自国药集团化学试剂有限公司，酪氨酸酶购自Sigma-Aldrich有限公司。采用0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液（PBS，由K2HPO4和KH2PO4配制）制备电解质溶液。所有试剂均为分析纯。实验用水均为双蒸馏水。1.2实验仪器CHI750D电化学工作站：上海辰华仪器有限公司；TM-D24UV密理博超纯水机：苏州和泽精密仪器有限公司；AR-2140电子分析天平：上海奥豪斯仪器有限公司；PHS-25型号pH计：上海仪电科学仪器股份有限公司；85-1B型磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限公司；IGMA-HD场发射扫描电子显微镜：德国蔡司公司；VERTEX 80v傅里叶变换红外光谱仪：德国布鲁克公司。电化学实验用三电极体系：GCE（=3.0 mm）或TYR/GA/MLN/GCE作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极。所有实验均在室温条件下进行。2传感器制备方法TYR/GA/MLN/GCE 的制备过程如图 1a 所示。称量15 mg MLN，加入 1 mL pH=8.0的磷酸缓冲溶液中，放入超声波振荡器中 15 min，配制好的悬浊液放入冰箱待用。将10 L的 MLN溶液滴于预处理干净的GCE表面，自然晾干后，将10 LGA溶液涂覆在MLN修饰的GCE上，继续自然晾干，最后在修饰电极表面涂覆10 L的TYR，所得生物传感器记为TYR/GA/MLN/GCE。TYR/GA/MLN/GCE 传感器的检测原理如图1b所示。反应过程中CC在TYR的作用下与氧气发生氧化反应，失去电子得到邻苯二醌。还原过程中邻苯二醌得到两个电子发生还原反应，在循图1TYR/GA/MLN/GCE电化学传感器的制备及对CC的检测原理Fig.1Preparation of TYR/GA/MLN/GCE electrochemical sensor and detection mechanism for catechol环伏安图中，随CC浓度的增大，还原电流增加。3结果与讨论3.1TYR/GA/MLN/GCE修饰电极的表征采用扫描电子显微镜（SEM）对修饰电极进行表征，微观形貌如图2所示。天然MLN具有层状和鳞片状结构，这是MoS2的典型结构，比表面积较大，且MLN结构稳定，不易变形，不易被氧化。GA呈棒条状形貌。MLN表面覆盖TYR后，在MLN表面形成膜状物质。当MLN、GA和TYR偶联之后，MLN 表面吸附许多棒条状的 GA，而GA表面又吸附一层薄膜状的TYR，三种物质紧密吸附在一起，可以防止MLN脱落，增加MLN稳定性。采 用 FT-IR 光 谱 对 MLN、GA/MLN、TYR、TYR/GA/MLN的结构和官能团进行表征，如图3所示。2 947.9 cm1和1 720.2 cm1处的峰由GA的CH伸缩振动和CO伸缩振动引起，1 648.4 cm1 280第4期处的峰由TYR的NH伸缩振动引起。1 596.4 cm1处的峰对应 MLN 的 MoS 的伸缩振动峰。在MLN上修饰GA之后，1 596.4 cm1左右的峰几乎消失，说明MLN和GA偶联成功。在GA/MLN上修饰TYR之后，只有1 720 cm1处的有峰，TYR的1 648.4 cm1峰变得很小，说明TYR的NH2与GA的CO成键。FT-IR光谱数据与文献 10 中GA和TYR发生偶联的数据一致。3.2TYR/GA/MLN/GCE修饰电极的电化学性能电 化 学 阻 抗 谱（Electrochemical impedancespectroscopy,EIS）是评价改性电极界面特性的有效工具。电荷转移电阻（Rct）可以用Nyquist图中图2MLN/GCE、GA/MLN/GCE、TYR/MLN/GCE和TYR/GA/MLN/GCE的SEM图像Fig.2SEM images of MLN/GCE、GA/MLN/GCE、TYR/MLN/GCE and TYR/GA/MLN/GCE图3MLN、GA/MLN、TYR和TYR/GA/MLN的红外光谱图Fig.3FT-IR spectra of MLN，GA/MLN，TYR and TYR/GA/MLN尹昱菲，等：辉钼矿基邻苯二酚传感器制备及性能研究 281辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷半圆的直径来量化。在扫描速率为50 mV/s条件下，以 Fe（CN）63-/4-作为电化学氧化还原探针，得到四种修饰电极的 Nyquist 图，详见图 4a。与裸GCE 相比，MLN/GCE 的Rct更大，这可能缘于MLN的半导电性。修饰TYR后，TYR/GA/MLN/GCE的Rct达到最大值，表明TYR在电极表面修饰成功。此外，GA/MLN/GCE 的Rct值小于 MLN/GCE，说明GA的加入可以提高MLN的导电性，从而加快 Fe（CN）63-/4-电子在电极表面的转移速率。四种修饰电极在含有100 mol/L CC的空气饱和PBS中获得的CV曲线如图4b所示。在TYR存在的条件下，CC的还原电流随着CC氧化电流的减小会明显增大，从而导致伏安图呈不对称形状。TYR/GA/MLN/GCE 的 还 原 电 流 最 大，而TYR/MLN/GCE 的还原电流较小。TYR/GCE 的CV曲线形状几乎是对称的，GA/GCE的CV曲线图4不同修饰电极的EIS图和对CC的CV曲线Fig.4EIS of different modified electrodes and CV curves of p-catechol也无明显响应信号。这些结果表明，MLN和GA的协同作用使GCE表面吸附的TYR具有更大的生物电催化响应，能加速电极之间的电子转移。3.3不同测试条件对检测的影响为了考察CC在TYR/GA/MLN/GCE修饰电极表面的动力学过程，在50 mol/L CC的条件下，利用CV法检测扫描速率从100280 mV/s时与还原峰值电流之间的关系，实验结果如图5a所示。随着扫描速率不断增加，CC的还原峰电流和氧化峰电流都不断增大。CC的峰电流与扫描速率关系如图5b所示。氧化峰电流Ipa和还原峰电流Ipc与扫描速率Sr均呈现良好的线性关系：Ipa=12.83Sr+0.445 1（R2=0.996 0），Ipc=-8.903Sr-2.763（R2=0.991 0）。这表明，CC在修饰电极TYR/GA/MLN/GCE上是一种吸附控制过程的电化学反应。不同的电极制备条件对传感器的性能影响较图5TYR/GA/MLN/GCE在不同扫描速率下的CV曲线以及峰电流与扫速速率的关系图Fig.5CV curve of TYR/GA/MLN/GCE at different scan rate and relationship between peak current and scan rate 282第4期大，分别改变 MLN、GA、TYR 的浓度制备 TYR/GA/MLN/GCE传感器，或者调整电解质溶液的pH值，检测浓度为20 mol/L 的CC，响应电流如图6所示。当MLN浓度在2030 mg/mL范围内，响应电流随MLN浓度增大先增大后减小，当MLN浓度为 15 mg/mL 时的响应电流最大。因此，选择15 mg/mL作为后续实验的最佳MLN浓度。当GA质量分数在20%30%范围内，响应电流随GA浓度增加先增大后减小；当GA质量分数为10%时，响应电流最大。可能的原因是过高的GA容易加重TYR的负担。当TYR浓度在0.253 mg/mL 范围内，随着TYR浓度的增加，电流响应值先增大后减小；当TYR浓度为1.5 mg/mL时，响应电流最大。这是因为适度增加TYR浓度，可以增加CC氧化还原的催化活性位点，而过量的TYR会使蛋白质厚度增加，阻碍电子传递，从而导致响应电流下降。因此，选择1.5 mg/mL的TYR为最优浓度。电解质溶液的pH值对固定化酶也很重要，当电解质溶液pH值在5.58.0范围内时，TYR在碱性条件下的电流响应优于酸性条件，与文献 11结果一致。当pH=8.0时，响应电流达到最大。因此，选择pH=8.0为最佳pH值电解质溶液。3.4TYR/GA/MLN/GCE 传感器对 CC 的电化学响应和校准曲线选取 TYR、GA、MLN 的最优浓度制备 TYR/GA/MLN/GCE传感器。为了评价传感器的性能，在外加电位为-0.05 V时，在pH=8.0的电解液中间隔50 s连续添加不同浓度的CC，采用传感器检测响应电流，结果如图7a所示。随着CC的加入，响应电流对应增大，并在5 s内达到稳态。CC浓度在0.550 mol/L 范围内，电流与浓度C呈线性关系：I=0.022 1C+0.015 1，相关系数为 0.998 7，如图7b所示。检测下限为0.33 mol/L，信噪比为3。图6MLN浓度、GA浓度、TYR浓度和电解质溶液pH值对响应电流的影响Fig.6Influences of MLN concentration，GAconcentration，TYR concentration and electrolyte pH on response current尹昱菲，等：辉钼矿基邻苯二酚传感器制备及性能研究 283辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷间隔50 s连续添加5 mol/L CC，检测传感器操作稳定性。内插图为CC浓度与电流响应的线性关系如图7c。随着CC的加入，响应电流阶梯式增大，表明TYR/GA/MLN/GCE电化学传感器具有良好的操作稳定性。这归因于MLN稳定的物理化学性能和GA良好的黏着力，使MLN可以稳定地固定在电极表面不脱落，还可以使TYR发挥活性，保持其良好的催化性能和持久性。经过连续9次测定，电极信号仍保持平稳状态，其相对标准偏差（RSD）为6.64%。选择性也是评价传感器性能的一个重要因素。传感器检测CC时对不同物质的抗干扰能力实验结果如图 7d 所示。首先在 0.1 mol/L PBS（pH=8.0）溶液中加入50 mol/L的CC，修饰电极对CC有明显的电流响应，之后依次向溶液中加入5 mol/L的苯酚、对氯苯酚、对苯二酚、3-氨基酚、多巴胺、3，4-二羟基苯乙酸等干扰物。实验发现，对CC干扰最大的物质是苯酚和对氯苯酚，干扰信号相对误差分别为11.4%和9.8%，其他杂质对于CC的检测没有明显干扰，干扰的相对误差不超过10%。接着再向溶液中加入CC之后，又出现明显的电流响应，说明TYR/GA/MLN/GCE电极对CC具有良好的选择性，表明修饰电极抗干扰能力比较强。选取TYR、GA、MLN的最优浓度，采用完全相同的方法制备9根TYR/GA/MLN/GCE传感器，在pH=8.0的电解质溶液中，对CC进行重复性检测实验。9根传感器的电流响应信号相对标准偏差仅为2.13%。这表明所制备的传感器具有良好的重复性。将本文制备的TYR/GA/MLN/GCE传感器与文献中采用TYR修饰的各种传感器进行对比，对CC的检测结果详见表1。采用天然矿物制备的TYR/GA/MLN/GCE传感器与其他纳米材料制备图7TYR/GA/MLN/GCE传感器对CC的电化学响应曲线Fig.7Electrochemical response curve of TYR/GA/MLN/GCE biosensors to CC 284第4期的传感器性能相当。4结论采用化学偶联方法将MLN、GA和TYR修饰在玻碳电极表面制备TYR/GA/MLN/GCE电化学传感器，该传感器可对CC的含量进行检测，采用SEM和EIS对修饰电极TYR/GA/MLN/GCE进行形貌和电化学表征，利用循环伏安法、定电位法对CC进行电化学测定。该电化学传感器可对CC的氧化还原反应产生良好的电化学催化作用，在0.550 mol/L范围内，还原峰电流与CC浓度表现出良好的线性关系，检出限为0.33 mol/L。该电化学传感器具有优异的重现性、选择性和稳定性，并具有较宽的线性范围，较低的检测限。参 考 文 献：1STOYTCHEVA M，ZLATEV R，GOCHEV V，et al.Amperometric biosensors precision improvement：appli-cation to phenolic pollutants determinationJ.Electro-chimica Acta，2014，147：25-30.2WANG X，WU M，LI H，et al.Simultaneous electro-chemical determination of hydroquinone and catecholbased on three-dimensional graphene/MWCNTs/MIMPF6nanocomposite modified electrode J.Sensors&Actua-tors B Chemical，2014，192：452-458.3YIN H S，ZHANG Q M，ZHOU Y L，et al.Electro-chemical behavior of catechol，resorcinol and hydroqui-none at graphene-chitosan composite film modifiedglassy carbon electrode and their simultaneous determina-tion in water samples J.Electrochimica Acta，2011，56（6）：2748-2753.4 WILCOX D E，PORRAS AG，HWANG Y T，et al.Sub-strate analog binding to the coupled binuclear copper ac-tive site in tyrosinase J.Journal of the American Chemi-cal Society，1985，107（13）：4015-4027.5 FERNANDES M S，KERKAR S.Microorganisms as asource of tyrosinase inhibitors：a reviewJ.Annals ofMicrobiology，2017，67（4）：343-358.6 WANG Y，LIU X L，LIU S L，et al.Multilayered chemi-cally modified electrode based on carbon nanotubes con-glutinated by polydopamine：a new strategy for the elec-trochemical signal enhancement for the determination ofcatechol J.Analytical Letters，2020，53：1061-1074.7 HU F X，CHEN S H，WANG C Y，et al.Study on theapplication of reduced graphene oxide and multiwall car-bon nanotubes hybrid materials for simultaneous determi-nation of catechol，hydroquinone，p-cresol and nitriteJ.Analytica Chimica Acta，2012，724：40-46.8 TEMEBE S，INAMBER S，HARAM S，et al.Electro-chemical biosensor for catechol using agarose-guar gumentrapped tyrosinaseJ.Journal of Biotechnology，2007，128（1）：80-85.9 ANDREIJ C G，ALISSON R C，LUCAS L，et al.Localphotodoping in monolayer MoS2J.Nanotechnology，2020，31（25）：255701.10 WANG Y，ZHAI F，HASEBE Y，et al.A highly sensi-tive electrochemical biosensor for phenol derivatives us-ing a graphene oxide-modified tyrosinase electrode J.Bioelectrochemistry，2018，122：174-182.11 ZHANG Y，WANG Y，ZHANG Z，et al.Natural mo-lybdenite-and tyrosinase-based amperometric catecholbiosensor using acridine orange as a glue，anchor，andstabilizer for the adsorbed tyrosinase J.ACS Omega，2021，21：13719-13727.12 VICENTINI F C，GARCIA L，FIGUEIRED L，et al.Abiosensor based on gold nanoparticles，dihexadecy-lphosphate，and tyrosinase for the determination of cate-chol in natural water J.Enzyme and Microbial Tech-表1TYR基电化学邻苯二酚生物传感器的比较Tab.1Comparison of TYR-based electrochemical catechol biosensorsTYR基生物传感器TYR/AuNPs/DHP-GCETYR/Au/GO-SPETYR/BBNDTYR/GO-GCETYR/GA/MLN/GCE线性范围/（molL-1）2.5950.083235.01200.05500.550检测限/（molL-1）0.170.0823.280.030.33文献12131415本文注：AuNPs为金纳米颗粒；DHP为十六烷基磷酸酯；GO为氧化石墨烯；SPE为丝网印刷电极；BBND为掺硼纳米金刚石。尹昱菲，等：辉钼矿基邻苯二酚传感器制备及性能研究 285辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷Study on preparation and performance ofmolybdenite based catechol sensorYIN Yufei1，MA Tingting1，WU Xinyu1，LU Kaijia1，WANG Yue2（1.School of Mining Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）Abstract：A chemical coupling method was used to construct a TYR/GA/MLN/GCE electrochemical sensormodified with molybdenite（MLN），glutaraldehyde（GA）and tyrosinase（TYR）on the surface of glassy car-bon electrode，and the prepared sensor can detect the content of catechol（CC）.The prepared sensor was cha-racterized by scanning electron microscopy and infrared spectroscopy.The electrochemical performance of themodified electrode was tested by electrochemical impedance spectroscopy，cyclic voltammetry，and steady-state amperometric method.The results show that the modified electrode has a good electrochemical catalyticeffect on the redox reaction of CC.The peak current has a good linear relationship with the concentration ofCC in the range of 0.550 mol/L，and the detection limit（S/N=3）is 0.33 mol/L.The designed sensor hasa wide linear range，low detection limit，excellent reproducibility，stability and selectivity.Keywords：molybdenite；glutaraldehyde；tyrosinase；catechol；electrochemical sensor（Received April 4，2023）nology，2016，84：17-23.13 WEI S，LI D W，LI Y T，et al.Disposable biosensorbased on graphene oxide conjugated with tyrosinase as-sembled gold nanoparticles J.Biosensors and Bioelec-tronics，2011，26（7）：3181-3186.14 ZOU Y S，LOU D，DOU K，et al.Amperometric tyros-inase biosensor based on borondoped nanocrystalline di-amond film electrode for the detection of phenolic com-poundsJ.Journal of Solid State Electrochemistry，2015，20（1）：47-54.15WANG Y，ZHAI F G，YASUSHI H，et al.A highlysensitive electrochemical biosensor for phenol deriva-tives using a graphene oxide-modified tyrosinase elec-trode J.Bioelectrochemistry，2018，122：174-182.张颖，王宇，李昊，菅泽，徐自强：弹性边界功能梯度石墨烯增强薄壁圆柱壳的振动特性摘要：基于一阶剪切变形理论、Halpin-Tsai微观力学模型和Rayleigh-Ritz法分析FG-GPLRC圆柱壳振动特性。为满足复杂的使役环境，引入人工弹簧技术，分析GPLs质量分数、分布模式和层数等参数对壳体结构振动特性的影响，探究弹性边界条件下周向波数、轴向半波数和固有频率之间的规律。研究结果表明，GPLs作为增强体可以显著提高基体的力学性能；分布模式对薄壁圆柱壳的固有频率有重要影响，GPL-X分布模式的固有频率最高；固有频率随层数的增加变化趋势减小。拟发表论文预报：286