本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自組裝雙層氨基酸膜電極及其制備方法和用途，更具體地，涉及一種自組裝l-asp/l-cys/cu膜電極及其制備方法和用途。

背景技術(shù)：

自組裝單分子膜(self-assembledmonolayers，sams)的形成是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型有機(jī)超薄膜技術(shù)。單分子膜的生成是一個(gè)自發(fā)的過程，將金屬或金屬氧化物浸入含活性分子的稀溶液中，活性分子通過化學(xué)鍵自發(fā)吸附在異相界面上而形成的有序分子組裝體系，早在1946年zisman等就報(bào)道了表面活性物質(zhì)在潔凈金屬表面上吸附而形成單分子膜的現(xiàn)象，sams制備方法簡(jiǎn)單且具有高的穩(wěn)定性。金屬銅是一種地殼含量相對(duì)較豐富，相對(duì)較便宜的金屬，而且工業(yè)上應(yīng)用廣泛，因此研究銅的自組裝膜對(duì)研究第三代生物傳感器具有重要價(jià)值和實(shí)際意義。

l-半胱氨酸(l-cys)是20種天然氨基酸中唯一具有巰基(-sh)基團(tuán)的化合物，利用其特殊的生物兼容性和化學(xué)活性，能夠組裝到銅電極表面。因而對(duì)l-cys在銅電極表面的吸附和電化學(xué)特性研究具有特別重要的意義。

天冬氨酸(asparticacid，簡(jiǎn)稱asp)又稱天門冬氨酸，是一種α-氨基酸，其化學(xué)式為hoocch2ch(nh2)cooh。天冬氨酸是20種氨基酸之一，為酸性氨基酸。

天冬氨酸分子式

對(duì)苯二酚,又名氫醌，化學(xué)名1,4-苯二酚(1,4-dihydroxybenzene；hydroquinone)，其為白色針狀結(jié)晶，分子式c6h4(oh)2。對(duì)苯二酚是重要的化工原料，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛，主要用于顯影劑、蒽醌染料、偶氮染料、合成氨助溶劑、橡膠防老劑、阻聚劑、涂料和香精的穩(wěn)定劑、抗氧劑等。對(duì)苯二酚有中等毒性，長(zhǎng)期接觸對(duì)二苯酚蒸氣、粉塵或煙霧可刺激皮膚、粘膜，并引起眼的水晶體混濁。因此，研究對(duì)苯二酚的去除方法，消除對(duì)苯二酚對(duì)環(huán)境的污染非常重要。

目前已經(jīng)有將含有-sh基的l-半胱氨酸作為連接層，利用分子間相互作用進(jìn)一步連接hrp制得的cu/l-cys/hrp自組裝雙層膜，并且利用該雙層膜電極電催化對(duì)苯二酚，結(jié)果表明對(duì)苯二酚在上述雙層膜中有電催化行為，但hrp對(duì)儲(chǔ)存條件要求較高，且價(jià)格相對(duì)昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的發(fā)明人設(shè)想構(gòu)建雙層氨基酸膜，在l-cys/cu上試驗(yàn)了丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、甘氨酸等多種氨基酸，均沒有達(dá)成目標(biāo)。最終意外地發(fā)現(xiàn)l-天冬氨酸(l-asp)可以實(shí)現(xiàn)雙層氨基酸膜的組裝，因此，構(gòu)建了l-asp/l-cys/cu電極。本發(fā)明的發(fā)明人還意外地發(fā)現(xiàn)，對(duì)苯二酚在構(gòu)建的上述雙層膜上有顯著的電催化行為，其電催化行為優(yōu)于現(xiàn)有的其他自組裝膜電極。

因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種自組裝雙層氨基酸膜電極。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述自組裝雙層氨基酸膜電極的制備方法。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供上述自組裝雙層氨基酸膜電極的用途。

本發(fā)明的上述目的是采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一方面，本發(fā)明提供一種自組裝雙層氨基酸膜電極(l-天冬氨酸/l-半胱氨酸/cu，l-asp/l-cys/cu)，該電極以銅電極為基底，依次覆蓋有l(wèi)-半胱氨酸層(l-cys)和l-天冬氨酸層(l-asp)。

另一方面，本發(fā)明提供一種上述自組裝雙層氨基酸膜電極的制備方法，該制備方法包括如下步驟：

(1)銅電極的預(yù)處理

將銅電極打磨至光亮后，以去離子水清洗，在酸中浸泡，再依次用無(wú)水乙醇和去離子水清洗，得到預(yù)處理后的銅電極；

(2)l-半胱氨酸自組裝膜電極(l-cys/cu)的制備

將步驟(1)制備得到的預(yù)處理后的銅電極放入1ⅹ10^-3-1ⅹ10^-6mol/l，ph為5-11的l-半胱氨酸水溶液中浸泡0.5-24小時(shí)，即得l-半胱氨酸自組裝膜電極；

(3)l-天冬氨酸/l-半胱氨酸自組裝膜電極(l-asp/l-cys/cu)的制備

將步驟(2)制備得到的l-半胱氨酸自組裝膜電極，清洗，晾干，放入1ⅹ10^-3-1ⅹ10^-6mol/l，ph為4.0-7.0的l-天冬氨酸水溶液中浸泡1-24小時(shí)，即得l-天冬氨酸/l-半胱氨酸自組裝膜電極。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(1)中，所述酸為無(wú)機(jī)酸，選自鹽酸、硫酸、硝酸、高氯酸，優(yōu)選為硝酸。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(1)中，在所述酸中浸泡的時(shí)間為5秒-30秒，優(yōu)選為10秒。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(2)中，所述l-半胱氨酸水溶液的濃度為1×10^-3mol/l。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(2)中，在所述l-半胱氨酸水溶液中浸泡的時(shí)間為2-3小時(shí)。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(2)中，所述l-半胱氨酸水溶液的ph值為7。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(3)中，所述l-天冬氨酸水溶液的濃度為1×10^-5mol/l。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(3)中，在所述l-天冬氨酸水溶液中浸泡的時(shí)間為1小時(shí)。

優(yōu)選地，在上述制備方法中，在步驟(3)中，所述l-天冬氨酸水溶液的ph值為7。

又一方面，本發(fā)明提供一種上述自組裝雙層氨基酸膜在對(duì)苯二酚降解中的應(yīng)用。

優(yōu)選地，應(yīng)用時(shí)，使用ph為5.5-7，優(yōu)選為5.5或7的pbs緩沖溶液作為底液。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)異的技術(shù)效果。

本發(fā)明的自組裝膜致密性好，氧化還原的可逆性良好，并且制得的l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極對(duì)對(duì)苯二酚有顯著的電催化氧化作用。

附圖說(shuō)明

圖1為不同濃度的天冬氨酸對(duì)l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極的電化學(xué)行為的影響，其中a的濃度(c)為1×10^-7mol/l，b的濃度為1×10^-5mol/l，c的濃度為1×10^-3mol/l，d的濃度為1×10^-2mol/l；

圖2為不同ph的l-天冬氨酸水溶液對(duì)l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極的電化學(xué)行為的影響，其中a為ph＝8，b為ph＝7，c為ph＝4，d為ph＝2；

圖3為組裝時(shí)間對(duì)l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極的電化學(xué)行為的影響；其中a為0.5小時(shí)，b為1小時(shí)，c為4小時(shí)，d為13小時(shí)；

圖4為l-cys/cu自組裝膜電極分別在空白底液(ph＝7.0的pbs緩沖溶液)和含對(duì)苯二酚(hq)的溶液中的循環(huán)伏安(cv)曲線，其中a為在不含對(duì)苯二酚的溶液中的曲線，b為在含對(duì)苯二酚的溶液中的曲線；

圖5為l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極分別在空白底液(ph＝7.0的pbs緩沖溶液)和含對(duì)苯二酚的溶液中的循環(huán)伏安(cv)曲線，其中a為在含對(duì)苯二酚的溶液中的曲線，b為在不含對(duì)苯二酚的溶液中的曲線；

圖6為l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極在不同ph值(4.0、5.5、6.5、7.0、7.5)的pbs緩沖溶液中電催化對(duì)苯二酚(1mmol/l)氧化還原反應(yīng)的循環(huán)伏安曲線，a為ph＝4.0時(shí)的曲線，b為ph＝5.5時(shí)的曲線，c為ph＝6.5時(shí)的曲線，d為ph＝7.0時(shí)的曲線，e為ph＝7.5時(shí)的曲線；

圖7為hrp/l-cys/cu自組裝膜電極在空白的pbs溶液(ph＝7.0的pbs緩沖溶液)和含有對(duì)苯二酚溶液的循環(huán)伏安圖，其中a為空白溶液，b為對(duì)苯二酚；

圖8為裸銅電極(cu)和ala/l-cys/cu、val/l-cys/cu、leu/l-cys/cu、gly/l-cys/cu的循環(huán)伏安圖，其中a為裸銅，b為ala/l-cys/cu，c為 val/l-cys/cu，d為leu/l-cys/cu，e為gly/l-cys/cu。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

以下實(shí)施例使用的試劑、電化學(xué)儀器及測(cè)試方法如下：

1、試劑

k2hpo4(分析純，上?；瘜W(xué)試劑總廠所屬上海試劑二廠)，kh2po4(分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)，配成pbs緩沖溶液；l-半胱氨酸(純度≥98.5﹪，北京奧博生物技術(shù)有限責(zé)任公司)，用水配制成10^-3mol/l溶液；l-天冬氨酸(純度≥10.4，上海藍(lán)季科技發(fā)展公司)，對(duì)苯二酚(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；去離子水。

2、儀器

電化學(xué)工作站(chi660b,上海辰華儀器有限公司)；電子天平；ph酸度計(jì)；水砂紙(500^#、2000^#號(hào))。

3、測(cè)試方法

上海辰華儀器有限公司的chi660b電化學(xué)工作站，三電極系統(tǒng)：cu電極為工作電極，用99.9％純銅棒制成，環(huán)氧樹脂密封，飽和甘汞電極(sce)為參比電極，鉑片為對(duì)比電極。所有電化學(xué)測(cè)試均在三室電解池中進(jìn)行。在0.4～-0.4v之間，以0.01v/s的掃描速率，在pbs緩沖溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安曲線測(cè)試。

實(shí)施例1l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極的制備

將銅電極依次在500^#、2000^#水砂紙上打磨光亮，以去離子水清洗，在6mol/lhno3溶液中浸泡10秒，再依次盡可能快地在無(wú)水乙醇和去離子水中浸洗2次，立即將電極放入1×10^-3mol/ll-cys水溶液中自組裝一定時(shí)間(2h)，即制得l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極。

實(shí)施例2l-asp/l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極的制備

依次用500^#、2000^#水砂紙將銅電極打磨好，以去離子水清洗，在6 mol/lhno3溶液中浸泡10秒，再依次在無(wú)水乙醇和去離子水中浸洗2次，立即將電極放入1×10^-3mol/l，ph為7的l-cys水溶液中自組裝2h，再將自組裝膜修飾銅電極取出，用水洗凈，晾干，放入1×10^-5mol/l，ph為7的l-asp水溶液中自組裝1h，即制得l-asp/l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極。

實(shí)施例3l-asp/l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極的制備

用水砂紙將銅電極打磨好，以去離子水清洗，在6mol/lhno3溶液中浸泡10秒，再依次盡可能快地在無(wú)水乙醇和去離子水中浸洗2次，立即將電極放入1×10^-6mol/l，ph為11的l-cys水溶液中自組裝24h，再將自組裝膜修飾銅電極取出，用水洗凈，晾干，放入1×10^-6mol/l，ph為7的l-asp水溶液中自組裝24h，即制得l-asp/l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極。

實(shí)施例4l-asp/l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極的制備

用水砂紙將銅電極打磨好，以去離子水清洗，在6mol/lhno3溶液中浸泡10秒，再依次盡可能快地在無(wú)水乙醇和去離子水中浸洗2次，立即將電極放入1×10^-3mol/l，ph為5的l-cys溶液中自組裝0.5h，再將自組裝膜修飾銅電極取出，用水洗凈，晾干，放入1×10^-3mol/l，ph為4的l-asp水溶液中自組裝1h，即制得l-asp/l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極。

實(shí)施例5不同濃度的l-天冬氨酸對(duì)l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極的電化學(xué)行為的影響

根據(jù)實(shí)施例2的制備方法制備本發(fā)明的l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極，其中采用了不同濃度的l-天冬氨酸溶液，其余條件與實(shí)施例2相同。l-天冬氨酸溶液的濃度分別為1×10^-2mol/l，1×10^-3mol/l，1×10^-4mol/l，1×10^-5mol/l，1×10^-6mol/l，1×10^-7mol/l。

其中，1×10^-4mo1/l、1×10^-6mo1/l與1×10^-5mol/l的曲線形狀接近重合，所以圖1僅將濃度為1×10^-5mo1/l的圖畫出。

銅表面上形成致密的自組裝膜，加大電子在溶液和電極表面之間的傳 質(zhì)阻力，cv曲線的峰電流減小。從圖1中的cv曲線可以看出：當(dāng)l-asp溶液的濃度為1×10^-2mo1/l時(shí)，氧化還原峰電流很高，說(shuō)明此濃度不利于形成致密的自組裝膜；當(dāng)l-asp溶液的濃度為1×10^-7mo1/l時(shí)，氧化峰雖消失，但還有較小的還原峰存在，說(shuō)明此濃度形成的自組裝膜有空隙；濃度在1×10^-3-1×10^-6mo1/l范圍內(nèi)，氧化還原峰電流均完全消失，說(shuō)明在此濃度范圍內(nèi)，形成了致密的自組裝膜；濃度c＝1×10^-5mo1/l時(shí)，氧化還原峰電流達(dá)到最低，膜最致密。即制膜的最佳l-asp濃度為1×10^-5mo1/l。

實(shí)施例6不同ph值的l-天冬氨酸水溶液對(duì)l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極的電化學(xué)行為的影響

根據(jù)實(shí)施例2的制備方法制備本發(fā)明的l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極，其中采用了不同ph值的l-天冬氨酸水溶液，其余條件與實(shí)施例2相同。l-天冬氨酸溶液的ph值分別為2.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0。其循環(huán)伏安圖(cv)見圖2所示。由于ph＝5、6和4的峰形相似，所以圖中只展示4個(gè)ph值的cv曲線。

從圖2中的cv圖可以看出，在酸性條件下，ph＝2.0，雖然沒有氧化峰，但有一個(gè)很高的還原峰，說(shuō)明膜的致密性較差；在偏堿性條件下，ph＝8.0，氧化還原的峰電流較高，說(shuō)明膜的致密性也差。在ph＝4.0-7.0的范圍內(nèi)，還原峰與氧化峰電流均達(dá)最低，說(shuō)明此ph范圍內(nèi)，可制得致密的l-asp/l-cys/cu自組裝膜。

實(shí)施例7在l-asp中組裝時(shí)間不同對(duì)l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極的電化學(xué)行為的影響

圖3為l-半胱氨酸/cu(實(shí)施例1制備)電極分別在t＝0.5h、1h、4h和13h的ph＝7、濃度為10^-5mol/l的天冬氨酸溶液中自組裝膜的循環(huán)伏安曲線。由圖可知，組裝時(shí)間為0.5h時(shí)，因修飾時(shí)間太短，l-半胱氨酸膜電極表面吸附的l-天冬氨酸未達(dá)到飽和，電極不穩(wěn)定，存在空隙，致使峰電流增高；隨著組裝時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)組裝1h時(shí)，峰電流明顯減小，說(shuō)明l-天冬氨酸在l-半胱氨酸膜電極表面形成了一層較致密的薄膜，降低了電極 表面和緩沖液間的電子轉(zhuǎn)移速率；且隨著時(shí)間的增加峰電流無(wú)明顯變化，說(shuō)明膜致密性較好，因此選擇1h為最佳組裝時(shí)間。

實(shí)施例8l-cys/cu膜電極在對(duì)苯二酚降解中的應(yīng)用

將制好的l-cys/cu膜電極(由實(shí)施例1制備而成)在ph＝7.00、濃度為1×10^-3mol/l的對(duì)苯二酚溶液(是指將對(duì)苯二酚溶于ph為7.0的pbs緩沖溶液獲得的溶液)及ph＝7.00的pbs緩沖溶液中測(cè)其循環(huán)伏安(cv)曲線。結(jié)果見圖4。

從圖4可知，單層膜l-cys/cu電極在含有對(duì)苯二酚的溶液中的氧化還原峰電流略有變化，說(shuō)明單層膜l-cys/cu電極對(duì)對(duì)苯二酚略有電催化作用。

實(shí)施例9l-asp/l-cys/cu膜電極在對(duì)苯二酚降解中的應(yīng)用

將制好的l-asp/l-cys/cu膜電極(由實(shí)施例2制備而成)在ph＝7.00、濃度為1×10^-3mol/l的對(duì)苯二酚溶液(是指將對(duì)苯二酚溶于ph為7.0的pbs緩沖溶液獲得的溶液)及ph＝7.00的pbs緩沖溶液中測(cè)其循環(huán)伏安(cv)曲線。結(jié)果見圖5。

從圖5可知，當(dāng)向pbs中加入對(duì)苯二酚溶液后，l-asp/l-cys/cu膜電極催化對(duì)苯二酚溶液的氧化還原電流明顯增大，說(shuō)明l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極對(duì)對(duì)苯二酚有顯著的電催化作用。

實(shí)施例10hrp/l-cys/cu膜電極在對(duì)苯二酚降解中的應(yīng)用

hrp/l-cys/cu膜電極的制備

將銅電極依次在500#、2000#水砂紙上打磨之光亮，以去離子水清洗，在6mol/lhno3溶液中浸泡10秒，再依次盡可能快地在無(wú)水乙醇和去離子水中浸洗2次，立即將電極放入1×10^-3mol/ll-cys溶液中自組裝一定時(shí)間(2h)，即制得l-cys/cu自組裝膜修飾銅電極。然后取出迅速將該電極置于15mg/l，ph為7.0的辣根過氧化物酶溶液中浸泡3h，取出后迅速用三次去離子水清洗待用。即制得hrp/l-cys/cu自組裝膜電極。

如7圖所示，其中曲線a、b分別是上述制備的cu/l-cys/hrp自組裝 膜電極在空白的pbs溶液(ph＝7.00的pbs緩沖溶液)、ph為7，濃度為5.0×10^-3mol/l的對(duì)苯二酚溶液(是指將對(duì)苯二酚溶于ph為7.0的pbs緩沖溶液獲得的溶液)的循環(huán)伏安圖。對(duì)苯二酚(曲線b)在cu/l-cys/hrp自組裝膜電極表面有明顯的氧化還原峰，即cu/l-cys/hrp自組裝膜電極對(duì)對(duì)苯二酚表現(xiàn)出明顯的電催化作用。

實(shí)施例11不同ph值的pbs緩沖液對(duì)l-asp/l-cys/cu電極電催化對(duì)苯二酚的影響

將制好的l-asp/l-cys/cu膜電極(由實(shí)施例2制備而成)分別在ph＝4.0、5.5、6.5、7.0、7.5的濃度為1×10^-3mol/l的對(duì)苯二酚的pbs緩沖溶液中測(cè)其循環(huán)伏安(cv)曲線。結(jié)果見圖6。

從圖6可知，在不同ph值條件下，l-asp/l-cys/cu電極自組裝膜電極電催化對(duì)苯二酚的循環(huán)伏安曲線中的氧化還原電流峰高變化比較明顯。當(dāng)ph＝5.5時(shí)，氧化還原電流最大；且隨ph值的增加，氧化還原電流減??；當(dāng)ph＝7.0時(shí)氧化還原電流峰又增高，說(shuō)明在ph＝7.0時(shí)，l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極對(duì)對(duì)苯二酚也有明顯的催化作用。綜上，在ph＝5.5和7.0的pbs緩沖溶液作為底液時(shí)，對(duì)苯二酚在l-asp/l-cys/cu自組裝膜電極上反應(yīng)具有顯著的電催化作用。和實(shí)施例10相比，實(shí)驗(yàn)濃度降低了5倍，氧化峰電流卻增加，且本發(fā)明的第二層天冬氨酸和實(shí)施例中的辣根過氧化物酶相比，具有價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)施例12采用不同的氨基酸自組裝形成的膜電極

為了構(gòu)建雙層氨基酸膜。發(fā)明人在l-cys/cu上試驗(yàn)了丙氨酸(ala)、纈氨酸(val)、亮氨酸(leu)、甘氨酸(gly)。其制備方法與實(shí)施例2相同，區(qū)別僅在于使用的氨基酸種類不同。形成的循環(huán)伏安圖如圖8所示。從圖8可以看出，使用丙氨酸(ala)、纈氨酸(val)、亮氨酸(leu)和甘氨酸(gly)的氧化還原峰電流沒有明顯下降，說(shuō)明沒有構(gòu)成致密的雙層氨基酸膜。而使用l-天冬氨酸(l-asp)的氧化還原峰電流明顯下降(見圖3)，說(shuō)明可以構(gòu)成致密的雙層氨基酸膜。

上述實(shí)施例用于解釋本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。