二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于納米/微米尺度材料制備和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備方法及其應(yīng)用。具體步驟為：先用固態(tài)水熱法合成稀土硼酸鹽納米材料，然后將漆酶固定于稀土硼酸鹽納米材料的層狀結(jié)構(gòu)中，制成稀土硼酸鹽漆酶傳感器，研究該納米生物傳感器在酚溶液中的電化學(xué)性質(zhì)，并將其應(yīng)用于水體中酚類污染物的監(jiān)測與處理。利用層狀硼酸鹽納米材料固定漆酶，方法簡單、高效；利用漆酶/稀土硼酸納米生物傳感器測定對苯二酚，鄰苯二酚的方法靈敏度高、簡單易行，具有較高的應(yīng)用潛力。
【專利說明】二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備方法。屬于納米/微米尺度材料制備和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來，稀土硼酸鹽的制備與性質(zhì)的研究受到了廣泛的關(guān)注，形成這種現(xiàn)象的原因主要歸功于:1)其有趣的微觀形貌；2)其特殊的性質(zhì)。眾所周知，物質(zhì)微觀形貌的多樣化不僅與不同的制備路線有關(guān)，而且與晶體結(jié)構(gòu)的多樣性相聯(lián)系。稀土硼酸鹽晶體結(jié)構(gòu)多樣性產(chǎn)生的主要原因是硼酸根陰離子的結(jié)構(gòu)單元和空間位置的多變性。稀土硼酸鹽的化學(xué)通式是LnBO3，其中B原子既可以與3個O原子配位形成平面和非平面的BO3結(jié)構(gòu)單元，也可以與4個O原子配位形成四面體的BO4結(jié)構(gòu)單元；其中BO3和BO4結(jié)構(gòu)單元可以以不同的連接方式形成島狀、環(huán)狀、鏈狀、層狀、架狀結(jié)構(gòu)，這種硼酸根陰離子組合方式的多變性導(dǎo)致了稀土硼酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的多樣性。在過去幾十年里，由于稀土硼酸鹽具有高的真空紫外透明度，寬的電子帶隙，特殊的光學(xué)損傷閾值，物理和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，其被廣泛應(yīng)用于光源，顯示成像，醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。納米材料的微觀形貌和尺寸的差異會對其物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響，因此大量的制備方法被用來制備結(jié)構(gòu)多樣的納米材料。到目前為止，已經(jīng)報道制備出形貌多種多樣的稀土硼鹽，包括納米棒，納米纖維，納米球，納米核殼結(jié)構(gòu)，有序納米片，微納米盤，分散納米晶，花狀結(jié)構(gòu)和多層納米餅。通過文獻查閱，我們發(fā)現(xiàn)固態(tài)水熱法具有很多優(yōu)點:1)沒有副產(chǎn)物；2)操作簡易；3)成本低。但是，用固態(tài)水熱法制備稀土硼酸鹽的報道卻非常少。
[0003]漆酶屬于多銅蛋白，其廣泛存在于自然界特別是真菌，它是一種酚類氧化酶，因此能催化氧化水中的多種有機污染物。由于漆酶對底物具有專一性，同時不對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，因此其常結(jié)合其他方法一起來去除環(huán)境中的污染物。盡管漆酶本身具有相當(dāng)可觀的穩(wěn)定性，但由于環(huán)境條件的復(fù)雜性，其在實際應(yīng)用中常常容易失活，因此限制了其在工業(yè)領(lǐng)域中的進一步應(yīng)用。相比于游離酶，固定化酶具有很多優(yōu)點，其主要包括以下四點:1)可重復(fù)利用；2)易從反應(yīng)介質(zhì)中分離出產(chǎn)物；3)易回收；4)穩(wěn)定性提高。因此，近年來，漆酶的固定化受到了廣泛的關(guān)注。漆酶的固定化方法多種多樣，其中常見的有吸附法，誘捕法，交聯(lián)法，共價連接法。成功用于固定漆酶的載體種類也很多，例如活性碳，磁性殼聚糖，海藻酸鹽殼聚糖，多孔玻璃，纖維素-聚氨復(fù)合物，海藻酸鹽，高嶺土，玻璃粉聚合物，聚苯乙烯微球薄膜，短程有序氫氧化鋁等。但是在漆酶固定化過程中，由于漆酶自身，載體，反應(yīng)試劑，工藝條件等相關(guān)因素，存在漆酶的泄漏、解吸以及活性損失等問題。因此，探索新奇的漆酶固定化技術(shù)來提高催化活性和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域成為近年來的研究熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種操作簡便、條件易控、副產(chǎn)物少、經(jīng)濟的二維稀土硼酸鹽納米材料的制備方法。[0005]先用固態(tài)水熱法合成稀土硼酸鹽納米材料，合成反應(yīng)經(jīng)歷了兩個步驟，首先Ln2O3 與水反應(yīng)生成Ln (OH) 3,然后Ln (OH) 3與H3BO3反應(yīng)生成稀土硼酸鹽LnBO3。經(jīng)過SEM表征， 該稀土硼酸鹽呈多層穿插的納米片狀結(jié)構(gòu)?；谠摷{米材料層狀穿插的特殊結(jié)構(gòu)，可以將 漆酶固定于稀土硼酸鹽納米材料的層狀結(jié)構(gòu)中，從而成功制備了二維納米稀土硼酸鹽漆酶 傳感器。被固定在稀土硼酸鹽納米材料中的漆酶保持著原有的化學(xué)性質(zhì)，能夠氧化酚類物 質(zhì)。因此研究該納米生物傳感器在酚溶液中的電化學(xué)性質(zhì)，可以將其應(yīng)用于酚類污染物的 監(jiān)測與處理。
[0006]本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備方法，其特征在于，包括 大步驟I，稀土硼酸鹽納米片的合成:
采用以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的密閉水熱反應(yīng)釜，在中溫條件下，利用固態(tài)水熱法制備產(chǎn) 物二維層狀稀土硼酸鹽納米材料，具體為:
1)首先，在清潔干燥的聚四氟乙烯內(nèi)襯中依次加入0.5-1.0 mmol Ln2O3, 1.2摩爾當(dāng) 量的H3BO3和10-15 ml H2O原料，保證H3BO3過量，使混合原料分散均勻；
2)將內(nèi)襯放入反應(yīng)釜中密閉，控制在180°C-220 °C并保持24-48小時進行反應(yīng)；
3)反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫后，進行分離和洗滌；
4)在55°C-65 V內(nèi)真空干燥后即得納米片狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。
[0007]大步驟2，漆酶在稀土硼酸鹽納米片中的固定化:
將質(zhì)量比為3倍-6倍的LnBO3 (Ln=Sm, Gd)與漆酶，并依次加入到PH值接近中性的磷 酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，超聲，在室溫下攪拌使之吸附，離心分離，得到固定化樣品 漆酶 /LnBO3 (Ln=Sm, Gd)。
[0008]大步驟3，稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備，具體為:
1)取漆酶/LnBO3(Ln=Sm,Gd),將其溶于Nafion溶液中，在室溫下將其分散均勻，獲 得混合溶；
2)將玻碳電極在拋光布上分別用兩次不同量的Al2O3粉末拋光，并依次清洗、干燥；
3)然后用漆酶/LnBO3(Ln=Sm, Gd) /Nafion混合溶液滴在潔凈的玻碳電極上，在常溫下 自然涼干，即得稀土硼酸鹽漆酶傳感器。
[0009]上述技術(shù)方案，利用固態(tài)水熱法合成了層狀稀土硼酸鹽納米材料，并將其作為載 體實現(xiàn)了對漆酶的固定，制備出二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明 的優(yōu)點在于此二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的合成方法簡單，對設(shè)備要求較低；在制備 時不產(chǎn)生對環(huán)境有污染的副產(chǎn)物，符合可持續(xù)發(fā)展要求，是一種環(huán)保型合成工藝。利用層狀 稀土硼酸鹽納米片固定漆酶，方法簡單、高效；利用漆酶/稀土硼酸鹽修飾電極測定對苯二 酚，鄰苯二酚的方法靈敏度高、簡單易行，因此易于大規(guī)模的生產(chǎn)。本發(fā)明制備獲得的二維 納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器可以在酚類污染物的監(jiān)測及處理中應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為實施例1所得產(chǎn)物的SEM圖。其中:(a)稀土硼酸鹽SmBO3納米片產(chǎn)物相 對低倍數(shù)的SEM圖；(b)為稀土硼酸鹽SmBO3納米片產(chǎn)物較大倍數(shù)的SEM圖；(c)所得產(chǎn)物 漆酶在SmBO3納米片中的固定化的SEM圖。[0011]圖2為實施例2所得產(chǎn)物的SEM圖。其中:(a)為所得產(chǎn)物稀土硼酸鹽GdBO3納米片的SEM圖；(b)為所得產(chǎn)物稀土硼酸鹽GdBO3納米片較大倍數(shù)的的SEM圖；(c)所得產(chǎn)物漆酶在GdB03納米片中的固定化的SEM圖。
[0012]圖3為本發(fā)明所得產(chǎn)物的XRD圖。其中:(a)為實施例1所得產(chǎn)物的XRD圖，(b)為實施例2所得產(chǎn)物的XRD圖。
[0013]圖4為實施例1中的FTIR圖。其中:(a)為所得產(chǎn)物的FTIR圖，(b)為漆酶的FTIR圖，(c)為所得產(chǎn)物漆酶在SmBO3納米片中的固定化的FTIR圖。
[0014]圖5為實施例2中的FTIR圖。其中:(a)為所得產(chǎn)物的FTIR圖，(b)為漆酶的FTIR圖，(c)為所得產(chǎn)物漆酶在GdB03納米片中的固定化的的FTIR圖。
[0015]圖6為在對苯二酚濃度為5X 10_5 mo I.?Λ ρΗ=4.50的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線。其中:(a)為實施例1所得的漆酶/SmBO3修飾電極循環(huán)伏安曲線；(b)為實施例2所得的漆酶/GdBO3修飾電極循環(huán)伏安曲線；(c)為裸電極的循環(huán)伏安曲線。
【具體實施方式】
[0016]下面通過實施例進一步描述本發(fā)明技術(shù)方案。
[0017]實施例1
首先，稀土硼酸鹽SmBO3納米片的制備:
本實驗采用以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的20 mL密閉水熱反應(yīng)釜，在中溫條件下，利用固態(tài)水熱法制備硼酸釤微納米材料。詳細(xì)反應(yīng)過程描述如下:在清潔干燥的聚四氟乙烯內(nèi)襯中依次加入 209.2 mg Sm2O3 (0.6 mmol`), 44.5 mg H3BO3 (0.72 mmol,過量 10 %)和 14 mlH2O ;然后把該內(nèi)襯放入超聲波清洗器中分散15 min ;取出并拭掉內(nèi)襯外部的水份，將其放入反應(yīng)釜中密閉；密閉的反應(yīng)釜放入溫控恒溫干燥箱中200 °C并保持36小時；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫后，利用離心分離器進行分離和洗滌。用去離子水洗滌4次后，再用無水乙醇洗滌4次；在60 °C下真空干燥后即得產(chǎn)物。
[0018]接著，漆酶在SmBO3納米片中的固定化:
分別稱取100 mg SmBO3與20 mg漆酶，將其依次加入到10 ml ρΗ=7.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，超聲10 min，在室溫下(20 °C)攪拌吸附12 h，離心分離，并用pH=7.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液多次洗滌至液體中檢測沒有漆酶存在，將離心液收集在100 ml容量瓶中，利用紫外可見分光光度計檢測其濃度。固定化樣品在常溫下干燥，將其與變色硅膠一起密封保存于4 °C待用。
[0019]然后，納米稀土硼酸鹽(SmBO3)漆酶傳感器的制備:
稱取I mg漆酶/SmBO3將其溶于I mL 0.05 % Naf ion溶液中，在室溫下超聲I min將其分散均勻。將玻碳電極在拋光布上分別用0.3 μπι,Ο.05 μπι Al2O3粉末拋光，并依次用濃硝酸、蒸餾水和無水乙醇超聲清洗5 min后于紅外燈下干燥。然后用微量注射器吸取10μ L漆酶/SmB03/Nafion混合溶液，將其均勻滴在潔凈的玻碳電極上，在常溫下自然涼干，即得納米稀土硼酸鹽(SmBO3)漆酶傳感器。
[0020]最后，納米稀土硼酸鹽(SmBO3)漆酶傳感器電化學(xué)性質(zhì)的測定:
在室溫下，利用三電極體系(玻碳電極，Pt絲電極，Ag/AgCl電極)對漆酶/SmBO3修飾電極進行電化學(xué)性質(zhì)檢測。首先，漆酶/SmBO3修飾玻碳電極在0.1 mol/L磷酸氫二鈉-檸檬酸(pH=4.5)的空白溶液中用循環(huán)伏安法快速掃描10 min至基線穩(wěn)，然后往空白溶液中加入一定濃度的鄰苯二酚或者對苯二酚，使被測物質(zhì)終濃度為5X10_5 mol/L，設(shè)置掃描速度為0.05 1!^/8，掃描范圍為-1.2 V~1.2 V，采用循環(huán)伏安法或線性掃描技術(shù)進行測定，記錄實驗曲線，扣除背景，根據(jù)氧化峰電流的大小可以定量測定被測物質(zhì)的濃度。
[0021]實施例2
首先，稀土硼酸鹽GdBO3納米片的制備:
本實驗采用以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的20 mL密閉水熱反應(yīng)釜，在中溫條件下，利用固態(tài)水熱法制備硼酸釤微納米材料。詳細(xì)反應(yīng)過程描述如下:在清潔干燥的聚四氟乙烯內(nèi)襯中依次加入 217.5 mg Gd2O3 (0.6 mmol), 44.5 mg H3BO3 (0.72 mmol,過量 10 %)和 14 mlH2O ;然后把該內(nèi)襯放入超聲波清洗器中分散15 min ;取出并拭掉內(nèi)襯外部的水份，將其放入反應(yīng)釜中密閉；密閉的反應(yīng)釜放入溫控恒溫干燥箱中200 °C并保持36小時；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫后，利用離心分離器進行分離和洗滌。用去離子水洗滌4次后，再用無水乙醇洗滌4次；在60 °C下真空干燥后即得產(chǎn)物。
[0022]接著，漆酶在GdBO3納米片中的固定化:
分別稱取100 mg GdBO3與20 mg漆酶，將其依次加入到10 ml ρΗ=7.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，超聲10 min，在室溫下(20 °C)攪拌吸附12 h，離心分離，并用pH=7.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液多次洗滌至液體中檢測沒有漆酶存在，將離心液收集在100 ml容量瓶中，利用紫外可見分光光度計檢測其濃度。固定化樣品在常溫下干燥，將其與變色硅膠一起密封保存于4 °C待用。
[0023]然后，納米稀土硼酸鹽(GdBO3)漆酶傳感器的制備:
稱取I mg漆酶/ GdBOJf其溶于I mL` 0.05 % Nafion溶液中，在室溫下超聲I min將其分散均勻。將玻碳電極在拋光布上分別用0.3 μπι,Ο.05 μπι Al2O3粉末拋光，并依次用濃硝酸、蒸餾水和無水乙醇超聲清洗5 min后于紅外燈下干燥。然后用微量注射器吸取10yL漆酶/GdB03/Nafion混合溶液，將其均勻滴在潔凈的玻碳電極上，在常溫下自然涼干，SP得納米稀土硼酸鹽(GdBO3)漆酶傳感器。
[0024]最后，納米稀土硼酸鹽(GdBO3)漆酶傳感器電化學(xué)性質(zhì)的測定:
在室溫下，利用三電極體系(玻碳電極，Pt絲電極，Ag/AgCl電極)對漆酶/SmBO3修飾電極進行電化學(xué)性質(zhì)檢測。首先，漆酶/ GdBO3修飾玻碳電極在0.1 mol/L磷酸氫二鈉-檸檬酸(pH=4.5)的空白溶液中用循環(huán)伏安法快速掃描10 min至基線穩(wěn)，然后往空白溶液中加入一定濃度的鄰苯二酚或者對苯二酚，使被測物質(zhì)終濃度為5X10_5 mol/L，設(shè)置掃描速度為0.05 1!^/8，掃描范圍為-1.2 V~1.2 V，采用循環(huán)伏安法或線性掃描技術(shù)進行測定，記錄實驗曲線，扣除背景，根據(jù)氧化峰電流的大小可以定量測定被測物質(zhì)的濃度。
【權(quán)利要求】
1.一種二維納米稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備方法，其特征在于，包括 大步驟I，稀土硼酸鹽納米片的合成:采用以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的密閉水熱反應(yīng)釜，在中溫條件下，利用固態(tài)水熱法制備產(chǎn) 物二維層狀稀土硼酸鹽納米材料，具體為:1)首先，在清潔干燥的聚四氟乙烯內(nèi)襯中依次加入0.5-1.0 mmol Ln2O3, 1.2摩爾當(dāng) 量的H3BO3和10-15 ml H2O原料，保證H3BO3過量，使混合原料分散均勻；2)將內(nèi)襯放入反應(yīng)釜中密閉，控制在180°C-220 °C并保持24-48小時進行反應(yīng)；3)反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫后，進行分離和洗滌；4)在55°C-65 V內(nèi)真空干燥后即得納米片狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物；大步驟2，漆酶在稀土硼酸鹽納米片中的固定化:將質(zhì)量比為3倍-6倍的LnBO3與漆酶，依次加入到PH值接近中性的磷酸氫二鈉-檸 檬酸緩沖溶液中，超聲，在室溫下攪拌使之吸附，離心分離，得到固定化樣品漆酶/LnBO3; 大步驟3，稀土硼酸鹽漆酶傳感器的制備，具體為:1)取漆酶/LnBO3,將其溶于Nafion溶液中，在室溫下將其分散均勻，獲得混合溶；2)將玻碳電極在拋光布上分別用兩次不同量的Al2O3粉末拋光，并依次清洗、干燥；3)然后用漆酶/LnB03/Nafion混合溶液滴在潔凈的玻碳電極上，在常溫下自然涼干，即 得稀土硼酸鹽漆酶傳感器。
2.由權(quán)利要求1方法制備的納米生物傳感器在監(jiān)測和處理水中酚類污染物中的應(yīng)用。
【文檔編號】G01N27/327GK103499625SQ201310417343
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】胡萍, 周心琳, 吳慶生 申請人:同濟大學(xué)