一种用于灵敏检测铅离子的柔性光电阴极传感器的制备方法

1.本发明涉及电化学检测技术领域，更具体的说是一种用于灵敏检测铅离子的柔性光电阴极传感器的制备方法。


背景技术：

2.近年来，水体环境中铅离子污染因为其毒性、生物积累性和持久性而受到社会前所未有的关注。在各种重金属污染物中，铅离子对生物体的损害极大，几乎可以干扰胎儿发育的各个方面，造成脑、肾损伤甚至死亡。为了防止铅离子对生物体和环境造成危害，人们提出了许多快速、定量检测环境中铅离子的分析测试技术，包括电化学、荧光、表面等离子体共振和电化学发光等多种方法。然而，上述技术依赖复杂的仪器设备和繁琐的样品预处理过程，在实际应用方面受到较多的限制。因此，有必要探索一种简单、可靠、低成本的铅离子测定方法。
3.柔性光电阴极传感器因其灵敏度高、背景噪声小、稳定性好等优点受到越来越多的关注。此外，光电化学检测方法可以通过一个简单的电子读出装置快速、准确的对被测物进行定量分析，很实现柔性光电阴极传感器的微型化和便捷化。目前，人们对各种n型半导体材料如zno、tio2和cds等进行了深入研究，开发了用于蛋白质、dna和金属离子检测的阳极光电化学传感平台。但是，这些基于光电阳极的光电化学检测平台受到了真实样品中还原性物质的干扰，使其应用受到限制。基于p型半导体的光电阴极材料可以防止光电阳极界面固有的空穴发生氧化反应，极大地拓宽了光电阴极传感器的应用范围。因此，开发一种低成本、高效的新型光电阴极材料用于柔性光电阴极传感器变得刻不容缓。值得庆幸的是，卟啉及其衍生物作为光电阴极材料应用于柔性光电阴极传感器已被广泛研究。这些四吡咯大环化合物在450 nm和500
‑
650 nm波段具有很强的光吸收。此外，卟啉及其衍生物具有超快的电子注入、缓慢的电荷重组动力学和良好的化学稳定性，还具有快速产生空穴
‑
电子对以及电荷重组慢的优点。然而，卟啉分子之间的无序排列及其低电荷传输效率是其实际应用上面临的最大挑战和难题。
4.共价有机框架由于其在二维平面上的共轭以及垂直方向上的原子周期性柱状π阵列，提供了电荷传输的通道，大大提高了电荷转移的能力。近年来，基于卟啉的共价有机框架材料在光电领域被证明是一种优秀的阴极光电材料。在上述认识的启发下，制备卟啉基共价有机框架薄膜作为光电器件，为开发高性能柔性光电阴极传感器提供了一条可行的途径。


技术实现要素：

5.针对目前存在的问题，本发明提供一种用于灵敏检测铅离子的柔性光电阴极传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤：（1）柔性氧化铟锡电极的制备：将柔性氧化铟锡电极裁至面积为1 cm
×
4 cm，依次放入丙酮、无水乙醇、超纯水超声处理10
‑
20 min，然后置于氮气流下干燥10
‑
20 min，其中
柔性氧化铟锡简写为pet
‑
ito；（2）卟啉基共价有机框架薄膜的制备：采用液/液界面生长的方法，将3.6
‑
3.8 mg的对苯二甲醛溶于50 ml的二氯甲烷中，在醛溶液的上层加入40 ml的超纯水作为间隔水层，随后将8.4 mg的四氨基苯基卟啉和9.7 mg的对甲苯磺酸溶于35 ml的水和15 ml的乙腈的混合溶液中，并将其缓慢滴加到间隔水的顶部，整个体系置于室温下保存70
‑
74 h，在液/液界面处形成卟啉基共价有机框架薄膜，其中卟啉基共价有机框架薄膜简写为tapp
‑
cofs薄膜；（3）硒化镉/二氧化硅核壳量子点的制备：将硒化镉量子点分散在300 μl的甲苯中，加入1.5 μl正硅酸乙酯搅拌20 h得到硅烷化量子点，然后在剧烈搅拌下将1.0 g的igepal co
‑
520和300 μl硅烷化的量子点加入到10 ml环己烷中，随后加入0.3 ml氨水溶液并注入1.5 μl正硅酸乙酯，反应时间控制在11
‑
13 h，反应结束后将混合液冷却至室温，离心收集硒化镉/二氧化硅核壳量子点，其中硒化镉/二氧化硅核壳量子点简写为cdse@sio
2 qds；（4）cdse@sio
2 qds与dna链进行偶联：将100 μl的1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐和1 od的dna链加入到1 ml的ph为7.4的磷酸缓冲盐溶液中，其中dna链包括h1链或h2链，磷酸缓冲盐溶液简写为pbs，随后将40 μl的cdse@sio
2 qds溶液添加到上述体系，在室温下孵育11
‑
13 h，再次加入100 μl的1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐震荡反应4 h，在离心条件下将多余杂质用超纯水洗涤三次，均匀分散于ph为7.4的pbs中，获得h1‑
量子点或h2‑
量子点，其中h1‑
量子点简写为h1‑
qds，h2‑
量子点简写为h2‑
qds；（5）柔性光电阴极传感器的构建：将tapp
‑
cofs薄膜转移到干净的pet
‑
ito基底上，置于40 ℃的烘箱内干燥过夜，将1 od的dnazyme s1链置于1050
‑
1100 μl含20 mm 1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐和10 mm n
‑
羟基琥珀酰亚胺的ph为7.4的pbs中激活dna序列中的羧基，接下来将40 μl的s1链滴加在tapp
‑
cofs薄膜上孵育6 h，然后加入40 μl的2 mm的6
‑
巯基
‑1‑
己醇溶液，再次洗涤，在传感器表面滴加40 μl 2.5 μμ的s2链，室温孵育6 h，将未反应的dna链用ph为7.4的pbs冲洗掉，最后加入35 μl 1 μm的h1‑
qds及35 μl 1 μm的h2‑
qds，室温孵育2 h，得到一种用于灵敏检测铅离子的柔性光电阴极传感器。
6.本发明的有益效果：（1）本发明中采用液/液界面生长的方法制备tapp
‑
cofs薄膜，制备方法简单，且后处理相对容易，合成的cdse@sio
2 qds具有多重猝灭效应和空间位阻效应；（2）本发明使用的阴极光电材料能够提高阴极光电信号的强度，减少还原性物质对柔性阴极光电传感器的干扰，改善柔性阴极光电传感器的光电性能，使制备的柔性光电阴极传感器具有较高的灵敏度；（3）本发明构建的柔性光电阴极传感器检测线性范围宽、检测限低，选择性好，具有良好的稳定性和重现性，可实现对自来水和湖水样品中的铅离子的在线实时检测，并且在检测铅离子时显示出高的性能。
附图说明
7.图1是（a）tapp
‑
cofs薄膜的扫描电子显微镜图，（b）tapp
‑
cofs薄膜扫描电子显微镜截面图，插图：光学显微镜图；
图2是tapp
‑
cofs薄膜的紫外
‑
可见吸收光谱图；图3是cdse@sio
2 qds的透射电子显微镜图；图4是柔性光电阴极传感器的制备工艺流程图；图5是（a）添加不同浓度铅离子后柔性光电阴极传感器的光电流值，（b）不同浓度下铅离子检测的校准曲线；图6是柔性光电阴极传感器的选择性测试图；图7是柔性光电阴极传感器时间
‑
光电流响应曲线图，插图：传感器长期稳定性测试。
具体实施方式
8.下面将结合本发明中的附图说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
9.实施例1 柔性光电阴极传感器的制备方法（1）pet
‑
ito电极的制备：将pet
‑
ito电极裁至面积为1 cm
×
4 cm，依次放入丙酮、无水乙醇、超纯水超声处理15 min，然后置于氮气流下干燥15 min；（2）tapp
‑
cofs薄膜的制备：采用液/液界面生长的方法，将3.7 mg的对苯二甲醛溶于50 ml的二氯甲烷中，在醛溶液的上层加入40 ml的超纯水作为间隔水层，随后将8.4 mg的四氨基苯基卟啉和9.7 mg的对甲苯磺酸溶于35 ml的水和15 ml的乙腈的混合溶液中，并将其缓慢滴加到间隔水的顶部，整个体系置于室温下保存72 h，在液/液界面处形成tapp
‑
cofs薄膜；图1是tapp
‑
cofs薄膜扫描电子显微镜图，清晰地显示了tapp
‑
cofs薄膜的形貌呈现出一种均匀、连续的层状结构，厚度约为300 nm且厚度均匀，说明本发明采用的液/液界面生长的方法很好的保持了tapp
‑
cofs薄膜的典型结构，图2是tapp
‑
cofs薄膜的紫外
‑
可见吸收光谱图，可以看出tapp
‑
cofs薄膜在300
‑
1300 nm范围内有较宽的吸收范围，说明本发明制备的tapp
‑
cofs薄膜在紫外和可见光范围内有较强的收光能力；（3）cdse@sio
2 qds的制备：将硒化镉量子点分散在300 μl的甲苯中，加入1.5 μl正硅酸乙酯搅拌20 h得到硅烷化量子点，然后在剧烈搅拌下将1.0 g的igepal co
‑
520和300 μl硅烷化的量子点加入到10 ml环己烷中，随后加入0.3 ml氨水溶液并注入1.5 μl正硅酸乙酯，反应时间控制在12 h，反应结束后将混合液冷却至室温，离心收集得到cdse@sio
2 qds；图3是cdse@sio
2 qds的透射电子显微镜图，清晰地显示了cdse@sio
2 qds近似球形，直径为9
‑
12 nm，说明本发明合成的方法很好的保持了cdse@sio
2 qds的典型结构；（4）cdse@sio
2 qds与dna链进行偶联：将100 μl的1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐和1 od的dna链加入到1 ml的ph为7.4的磷酸缓冲盐溶液中，其中dna链包括h1链或h2链，磷酸缓冲盐溶液简写为pbs，随后将40 μl的cdse@sio
2 qds溶液添加到上述体系，在室温下孵育11
‑
13 h，再次加入100 μl的1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐震荡反应4 h，在离心条件下将多余杂质用超纯水洗涤三次，均匀分散于ph为7.4的pbs中，获得h1‑
量子点或h2‑
量子点，其中h1‑
量子点简写为h1‑
qds，h2‑
量子点简写为h2‑
qds；（5）柔性光电阴极传感器的构建：将tapp
‑
cofs薄膜转移到干净的pet
‑
ito基底上，置于40 ℃的烘箱内干燥过夜，将1 od的dnazyme s1链置于1050
‑
1100 μl含20 mm 1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐和10 mm n
‑
羟基琥珀酰亚胺的ph为7.4的pbs中激活
dna序列中的羧基，接下来将40 μl的s1链滴加在tapp
‑
cofs薄膜上孵育6 h，然后加入40 μl的2 mm的6
‑
巯基
‑1‑
己醇溶液，再次洗涤，在传感器表面滴加40 μl 2.5 μμ的s2链，室温孵育6 h，将未反应的dna链用ph为7.4的pbs冲洗掉，最后加入35 μl 1 μm的h1‑
qds及35 μl 1 μm的h2‑
qds，室温孵育2 h，得到一种用于灵敏检测铅离子的柔性光电阴极传感器；图4是柔性光电阴极传感器的制备工艺流程图。
10.实施例2 柔性光电阴极传感器的性能测试（1）利用电流
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时间曲线法，以tapp
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cofs薄膜/cdse@sio
2 qds
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dna修饰的pet
‑
ito为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂丝为对电极组成三电极体系；（2）柔性光电阴极传感器的工作曲线的测定：在柔性光电阴极传感器上滴入35 μl不同浓度的铅离子溶液，在铅离子特异性识别后，用ph为7.4的pbs多次清洗电极，并在氮气流下干燥，然后进行光电化学信号检测，通过目标铅离子的浓度与阴极光电流信号之间的关系，实现对目标铅离子的定量检测；图5是添加不同浓度铅离子后柔性光电阴极传感器的工作曲线，可以看出光电流强度随着铅离子浓度的升高而增大，且光电流强度和铅离子浓度在0.05
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1 nm以及1
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1000 nm范围内呈现出线性关系，检测限为0.012 nm，说明本发明制备的柔性光电阴极传感器检测线性范围宽、检测限低；（3）柔性光电阴极传感器的选择性测试：对空白样品、浓度为1000 nm的干扰金属离子、浓度为100 nm的铅离子以及100 nm的铅离子和1000 nm的全部干扰金属离子的混合溶液进行选择性测试，并记录光电流响应；图6是柔性光电阴极传感器的选择性测试图，传感器对铅离子检测灵敏而对于其它干扰金属离子则没有光电信号，说明本发明制备的柔性光电阴极传感器可以准确的对铅离子进行检测，选择性好；（4）柔性光电阴极传感器的稳定性测试：记录10个周期的光电流与时间的曲线来测试传感器的稳定性，并将其保存在4 ℃的冰箱中，每隔一周测量一次；图7是柔性光电阴极传感器的时间
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光电流响应曲线图，在十次循环过程中，光电流响应是相当稳定的，连续存放5个周期后稳定性仍然达到初始值的90％，说明本发明制备的柔性光电阴极传感器具有良好的重现性和稳定性。
11.实施例3 柔性光电阴极传感器检测自来水和湖水样品中的铅离子（1）柔性光电阴极传感器检测自来水样品中的铅离子：采用标准添加法，分别向自来水样品中添加1 nm、10 nm、50 nm、100 nm的铅离子，检测到自来水样品中分别有0.982 nm、10.124 nm、48.361 nm、99.752 nm的铅离子，回收率为96.72 %
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101.24 %；（2）柔性光电阴极传感器检测湖水样品中的铅离子：采用标准添加法，分别向湖水样品中添加1 nm、10 nm、50 nm、100 nm的铅离子，检测到自来水样品中分别有1.023 nm、10.224 nm、48.125 nm、99.887 nm的铅离子，回收率为96.24 %
‑
102.30 %；（3）通过上述得到的数据来看，测定的结果相对标准偏差小，仅为1.34 %
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3.19 %，实际应用的可行性强，可实现对铅离子的在线和实时监控。