一种光电化学传感器及其制备方法和在检测四环素中的应用

1.本发明涉及光电化学传感技术领域，特别涉及一种光电化学传感器及其制备方法和在检测四环素中的应用。


背景技术：

2.四环素(tetracycline简称tc)是一种多功能的广谱抗生素，由于能够有效地抑制细菌蛋白质的合成，被广泛应用于治疗人类或动物的细菌感染疾病。此外，由于具有促进动物生长的作用，tc在畜牧业中常被用作饲料添加剂。tc的化学结构非常稳定，难以被人体及动物代谢或者自然降解。过量使用tc会导致少量的tc残留在奶制品、肉类、鱼类等食物中，甚至会对饮用水造成污染。通过上述饮食途径，长期小剂量地摄入tc对人体健康会造成严重危害，如造成过敏反应、肠道紊乱、肝脏中毒等不良反应，同时还会增强细菌对抗生素的耐药性。因此，对微量tc的快速、灵敏检测具有重要的意义。
3.检测tc的传统方法主要有比色法、分光光度法、液相色谱法、液-质联用色谱法等。虽然这些方法在一定程度上已经实现了对tc的定性或定量分析，但也存在明显的不足，如设备昂贵、操作复杂、耗时、灵敏度低、选择性差等。光电化学分析法是一种近年来新兴的分析技术，相比于传统的检测方法具有设备成本低、操作简单、灵敏度高、响应速度快等优点。
4.但是，现有的光电化学分析法对tc的检测限为nm，响应时间为几十秒，灵敏度仍然有待提高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明目的在于提供一种光电化学传感器及其制备方法和在检测四环素中的应用。本发明提供的光电化学传感器在检测tc时具有灵敏度高、抗干扰能力强的特点。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种光电化学传感器，包括fto电极和修饰在所述fto电极导电面的znins@zif-8复合修饰层；所述znins@zif-8复合修饰层包括生长在所述fto电极导电面的znins纳米片阵列和生长在所述znins纳米片阵列表面的zif-8纳米膜。
8.优选的，所述znins纳米片阵列中znins纳米片的厚度≤8nm；所述zif-8纳米膜的厚度≤4nm。
9.本发明还提供了上述技术方案所述光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
10.将可溶性锌盐、可溶性铟盐和硫代乙酰胺溶于水中，得到前驱液；
11.将fto电极的导电面置于所述前驱液中进行水热反应，在所述fto电极的导电面生长znins纳米片阵列，得到znins修饰fto电极；
12.将所述znins修饰fto电极在二甲基咪唑的甲醇溶液中浸泡，向所述二甲基咪唑的甲醇溶液中加入硝酸锌进行自模板原位反应，得到所述光电化学传感器。
13.优选的，所述可溶性锌盐包括zncl2、zn(no3)2、zn(cooh)2或znso4，所述可溶性铟盐
包括incl3、in2(so4)3或in(no3)3。
14.优选的，所述可溶性锌盐中锌原子、所述可溶性铟盐中铟原子和硫代乙酰胺的化学计量比为1：1～2：0.1～5；所述前驱液中锌原子的浓度为9～20mmol/l。
15.优选的，所述水热反应的温度为80～240℃，所述水热反应的时间为3～12h。
16.优选的，所述二甲基咪唑的甲醇溶液中二甲基咪唑的浓度为0.5～1mol/l，加入硝酸锌后所得混合料液中硝酸锌的浓度为50～100mmol/l。
17.优选的，所述浸泡的时间为3～8h；所述自模板原位反应的温度为40～100℃，所述自模板原位反应的时间为1～4h。
18.本发明还提供了上述技术方案所述光化学传感器或上述技术方案所述制备方法制备的光化学传感器在检测四环素中的应用。
19.优选的，所述应用包括：采用三电极体系，在光照下，在电解液中检测四环素；所述三电极体系的工作电极为所述光电化学传感器，参比电极为ag/agcl电极，对电极为pt丝；所述电解液为pbs缓冲液；所述光照的波长为365～400nm。
20.本发明提供了一种光电化学传感器，包括fto电极和修饰在所述fto电极导电面的znins@zif-8复合修饰层；所述znins@zif-8复合修饰层包括生长在所述fto电极导电面的znins纳米片阵列和生长在所述znins纳米片阵列表面的zif-8纳米膜。本发明将fto电极和znins@zif-8复合修饰层结合，zif-8膜可以吸附tc，使其在膜表面富集，znins纳米片阵列的二维结构改善光电子的传导路径，使znins@zif-8结构捕获痕量tc时产生的微弱光能信号变化可以快速稳定地转变为能够被检测出来的电能信号，从而降低了tc的检出限和响应时间，提高了光电化学传感器的灵敏度。
21.本发明提供了一种光电化学传感器的制备方法，本发明采用水热法和自模板原位生长法制备得到光电化学传感器，操作简单，无污染，成本低可批量生产。
22.本发明提供了上述方案所述的光电化学传感器在检测四环素中的应用。所述光电化学传感器中，znins@zif-8复合修饰层能够与tc络合，由光激发znins@zif-8复合修饰层产生并转移到fto的受激电子数量减少，从而使原来的光电流减弱，达到检测tc的目的。本发明实施例的实验数据表明，本发明制备得到的光电化学传感器组成的三电极体系对tc的检测限达到0.1pm，响应时间为6s，灵敏度高，响应速度快，在同时加入卡那霉素、土霉素、潮霉素、嘌呤霉素和左氧氟沙星等其他抗生素时，仅对tc响应，对tc检测表现出单一的选择性，抗干扰能力强。
附图说明
23.图1为实施例1制备得到的znins修饰fto电极的扫描电子显微镜图；
24.图2为实施例1制备得到的znins修饰fto电极原子力显微镜图；
25.图3为实施例1制备得到的光电化学传感器的扫描电子显微镜图；
26.图4为实施例1制备得到的光电化学传感器原子力显微镜图；
27.图5为实施例1制备得到的znins修饰fto电极和光电化学传感器的x射线光电子能谱对比图；
28.图6为应用例1制备的光电化学传感体系响应四环素的i-t图；
29.图7为应用例1制备的光电化学传感体系响应tc循环稳定性实验的i-t图；
30.图8为应用例1制备得到的光化学感应体系响应电流的变化率随tc的浓度变化的关系图；
31.图9为应用例1制备得到的光化学感应体系对5种100μm的干扰抗生素和10μm tc响应电流变化率的对比图。
具体实施方式
32.本发明提供了一种光电化学传感器，包括fto电极和修饰在所述fto电极导电面的znins@zif-8复合修饰层；所述znins@zif-8复合修饰层包括生长在所述fto电极导电面的znins纳米片阵列和生长在所述znins纳米片阵列表面的zif-8纳米膜。
33.在本发明中，所述znins纳米片阵列中znins纳米片的厚度优选为≤8nm，进一步优选为1～3nm，更优选为2nm；所述zif-8纳米膜的厚度优选为≤4nm，进一步优选为1～3nm，更优选为2nm。本发明中将znins纳米片和zif-8纳米膜的厚度的厚度控制在上述范围内，使传感器的二维复合结构具备一定的强度，同时，较薄的膜层使tc和传感器接受位点的接触性更好，可以进一步减少信号的传递路径，从而提高传感器和tc接触时的信号变化量的传递速度，有利于提高传感器的灵敏度。
34.本发明还提供了上述技术方案所述光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
35.将可溶性锌盐、可溶性铟盐和硫代乙酰胺溶于水中，得到前驱液；
36.将fto电极的导电面置于所述前驱液中进行水热反应，在所述fto电极的导电面生长znins纳米片阵列，得到znins修饰fto电极；
37.将所述znins修饰fto电极在二甲基咪唑的甲醇溶液中浸泡，向所述二甲基咪唑的甲醇溶液中加入硝酸锌进行自模板原位反应，得到所述光电化学传感器。
38.本发明将可溶性锌盐、可溶性铟盐和硫代乙酰胺溶于水中，得到前驱液。在本发明中，所述可溶性锌盐优选包括zncl2、zn(no3)2、zn(cooh)2或znso4，进一步优选为zncl2或zn(no3)2，更优选为zncl2；所述可溶性铟盐优选包括incl3、in2(so4)3或in(no3)3，更进一步优选为incl3或in(no3)3，更优选为incl3。在本发明中，所述可溶性锌盐中锌原子、所述可溶性铟盐中铟原子和硫代乙酰胺的化学计量比优选为1：1～2：0.1～5，更优选为1：1.3～2：1～4.5，进一步优选为1：1.3～1.5：2～3.5，最优选为1：1.32：2.42。在本发明中，所述前驱液中锌原子的浓度优选为9～20mmol/l，更优选为11～17mmol/l，进一步优选为16.74mmol/l。本发明将前驱液中锌原子、铟原子和硫代乙酰胺控制在上述范围内，有利于提高znins的纯度，并获得更薄的纳米片厚度。
39.得到前驱液后，本发明将fto电极的导电面置于所述前驱液中进行水热反应，在所述fto电极的导电面生长znins纳米片阵列，得到znins修饰fto电极。在本发明中，所述fto电极的长宽比优选为7:3，在本发明的具体实施例中，所用的fto电极的长度为7mm，宽度为3mm。本发明优选在水热釜中进行水热反应。在进行水热反应时，优选将所述fto电极的较短边作为底边放置，fto电极优选与水热釜底部垂直放置，或者斜靠侧壁放置。本发明在放置fto电极时，所述fto电极的导电面需要朝向反应釜侧壁，以便在水热反应时使fto电极的导电面上生长znins纳米片阵列。
40.在本发明中，所述水热反应的温度优选为80～240℃，更优选为120～200℃，进一步优选为160～180℃；所述水热反应的时间优选为3～12h，更优选为4～10h，进一步优选为
6～8h。本发明优选将水热反应温度和时间控制在上述范围内，有利于在fto电极的导电面上负载合适厚度的纳米znins纳米片阵列。
41.得到znins修饰fto电极后，本发明将所述得到znins修饰fto电极在二甲基咪唑的甲醇溶液中浸泡，之后向所述二甲基咪唑的甲醇溶液中加入硝酸锌进行自模板原位反应，得到所述光电化学传感器。在本发明中，所述二甲基咪唑的甲醇溶液中二甲基咪唑的浓度优选为0.5～1mol/l，更优选为0.5～0.8mol/l，进一步优选为0.5～0.6mol/l。加入硝酸锌后所得混合料液中硝酸锌的浓度优选为50～100mmol/l，更优选为50～80mmol/l，进一步优选为50～60mmol/l。在本发明中，将所述得到znins修饰fto电极在二甲基咪唑的甲醇溶液中浸泡，所述浸泡的时间优选为1～6h，更优选为2～5h，进一步优选为2～4h，最优选为4h，本发明优选采用先浸泡的方式使二甲基咪唑与znins纳米片上的zn配位，在纳米片表面均匀地形成制备zif-8膜的前驱体，之后与硝酸锌在加热的条件下发生原位反应形成zif-8膜。
42.在本发明中，所述自模板原位反应的温度优选为40～100℃，更优选为60～80℃，进一步优选为80℃，所述自模板原位反应的时间优选为1～4h，更优选为1～3h，进一步优选为2h。在本发明中，通过控制原料的用量、浸泡时间以及自模板反应的时间和温度，使zif-8纳米膜均匀生长在znins纳米片阵列表面，并且该纳米膜具有更薄的厚度，可以有效地提高tc和传感器接受位点的接触性并减少光电信号的传递路径，提高传感器的灵敏度。
43.本发明还提供了上述技术方案所述的光电化学传感器或上述技术方案所述的制备方法得到的光电化学传感器在检测四环素中的应用。
44.在本发明中，所述光电化学传感器在检测四环素中的应用包括：采用三电极体系，在光照下，在电解液中检测四环素。所述三电极体系的工作电极为所述光电化学传感器，参比电极为ag/agcl电极，对电极为pt丝；所述电解液为pbs缓冲液；所述光照的波长为365～400nm。在本发明的实施例中，在380nm的光照射条件下，pbs缓冲液的浓度为10mm。上述检测体系中的传感器可以瞬间产生强烈的光电流并长时间内保持稳定的电流输出，在加入tc后，原先保持稳定输出的光电流会在极短的时间内出现明显降低，表现出良好的光电响应性以及灵敏度。
45.下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
46.实施例1
47.将102.70mg zncl2、219.90mg incl3和137.00mg硫代乙酰胺溶于45ml水中，配制前驱液，之后称取20ml上述前驱液转移至放置有fto电极的聚四氟乙烯反应釜中，fto电极的长为7mm，宽为3mm，fto电极的放置方式为较短边为底边，斜靠在反应釜侧壁上，电极面朝向侧壁，在160℃下加热6h，待反应结束后，将水热反应后的fto电极取出，蒸馏水洗后得到znins修饰fto电极。之后，将得到的znins修饰fto电极浸泡于含有二甲基咪唑的甲醇溶液中4h，二甲基咪唑的浓度为0.5mol/l。之后向上述溶液中加入硝酸锌，所得混合料液中硝酸锌的浓度为60mmol/l。之后在80℃下进行自模板原位反应2h，待反应结束后，经甲醇洗涤得到光电传感器。
48.采用扫描电子显微镜对实施例1所得的znins修饰fto电极进行形貌表征，表征结果如图1所示；图1为znins修饰fto电极电极的扫描电子显微镜图，图1右上角的小图为
znins修饰fto电极形貌的局部放大图，从图1可以看出，fto电极上生成了znins纳米片阵列，该纳米片具有良好的有序二维结构，可以提高光电相应的稳定性，并且该阵列中存在丰富的孔道，提高了电传感器对于目标检测物的捕获和富集能力。从图1中右上角的小图可以看出，纳米片的厚度＜10nm，为了获得纳米片更为精确的厚度，采用原子力显微镜对znins纳米片的厚度进行测量，测量结果见图2，图2为实施例1制备得到的znins修饰fto电极的原子力显微镜图。根据图中距离和高度的关系曲线，可以计算得到znins纳米片的厚度在2～3nm之间，较薄的纳米片厚度有利于提高光电信号在光电传感器中的传递速率。
49.采用扫描电子显微镜对实施例1所得的光电化学传感器进行形貌表征，表征结果如图3所示，图3为光电化学传感器的扫描电子显微镜图，图3右上角的小图为光电化学传感器形貌的局部放大图，根据图3可以看出，电传感器中纳米片阵列的形貌得到了很好的保持。从图3右上角的小图可以看出，纳米片的表面不再光滑，而是变得粗糙，可以看到均匀分布凸起的结构，上述凸起结构进一步提高了传感器表面和tc的接触面积。为了获得zif-8薄膜的精确厚度，采用原子力显微镜对光电化学传感器的znins@zif-8复合修饰层厚度进行测量，测量结果见图4，图4为实施例1制备得到的光电化学传感器原子力显微镜图。从图中距离和高度的关系曲线，可以计算得到复合修饰层的厚度为4～5nm之间，结合znins纳米片的厚度数据，可以计算出zif-8膜的厚度在1～3nm之间，更接近于2nm。较薄的zif-8膜使tc和传感器接受位点的接触性更好，与具有二维结构的纳米片阵列配合，进一步提高了传感器的灵敏度。
50.采用x射线电子能谱仪对实施例1中znins修饰fto电极和光电化学传感器进行元素分析，所得结果如图5所示。
51.图5为znins修饰fto电极和光电化学传感器的x射线光电子能谱对比图，其中，左侧为各元素的比对图，右侧为n元素的对比图。从图5可以看出，光电化学传感器中的n含量高于znins修饰fto电极中的n含量，结合图3的形貌和图4的测量结果，证明zif-8确实生长到了znins纳米片上。
52.实施例2
53.将实施例1中的zncl2、incl3和硫代乙酰胺的用量分别调整为68.2mg、221.2mg和152.2mg，溶于50ml的水中配制前驱液，将自模板原位反应的温度调整为50℃，其余条件与实施例1相同。
54.应用例1
55.以实施例1制备得到的fto/znins@zif-8传感器为工作电极，以ag/agcl为参比电极，以pt丝为对电极，以pbs缓冲液为电解液，在上述三电极体系中进行光电测试。具体为：将上述三个电极放置在同一电解池中，pbs缓冲液中pbs的浓度为10mm。采用波长为380nm的光作为激发光源，然后采用型号为chi750的电化学工作站采集体系中所产生的光电流。
56.测试结果表明，在黑暗条件下，该体系中没有电流产生，打开光源，在380nm的光照射条件下，传感器瞬间产生强烈的光电流并且长时间内保持稳定的电流输出，关闭光源后，电流又瞬间回到黑暗条件下的初始值，表明该传感器具有很好的光电响应。当每次调整tc的浓度变化10μm时，原先保持稳定输出的光电流出现明显的降低。
57.图6为实施例1制备的光电化学传感体系响应四环素的i-t图，横坐标为时间，纵坐标为光电流的大小。通过图6中实时的电流记录可以看出，该传感器可以在6秒内完全检测
出tc含量的变化，表明所述光电化学传感器可以实现对tc的快速、实时的检测。
58.应用例2
59.应用例2中的三电极体系和应用例1相同，在500s内，在初始黑暗条件下，对三电极体系进行循环开/关光照，并记录体系中电流随时间变化的结果。结果见图7，图7为光电化学传感体系响应四环素循环稳定性实验的i-t图，横坐标为时间，纵坐标为光电流的强度。从图7中可以看出，三电极体系随着循环开/关光照快速产生或猝灭循环可逆的光电流，在各状态下并保持相对稳定的信号输出。表明由本发明制备得到的传感器具有良好的结构和光电响应稳定性。当传感器响应tc后，在循环的开-关光照下，传感器依旧可以输出稳定可逆的电信号，表明制备得到的光电化学传感器具有良好的稳定性，可实现对tc的准确检测。
60.应用例3
61.应用例3中的三电极体系和应用例1相同，在光照条件下，记录体系中的响应电流为i0，之后调整体系中tc的浓度，每个tc浓度下记录下体系中的响应电流为i，以tc浓度的对数为横坐标，响应电流的变化率(i
0-i)/i为纵坐标，绘制响应电流的变化率随tc的浓度变化的关系图，结果见图8。从图8可以看出，随着tc浓度的增加，光照条件下传感器产生的光电流逐渐降低，当体系中tc的浓度达到400μm后，体系中电流降低的趋势趋于平缓。通过在origin9.8.5中以tc浓度为横坐标，响应光电流为纵坐标作图，可得tc浓度在1pm～100nm范围内与传感器响应电流变化率之间的关系图，具体结果见图8中的小图。从图中可以看出，在1pm～100nm的浓度范围内，曲线的r2＝0.995。表明tc浓度和与传感器响应电流变化率之间构成良好的线性关系。
62.之后，通过三倍信噪比计算可以得到该传感器对tc的检测限可以达到0.1pm。表明本发明制备的光电化学传感器具有更的高灵敏度，可实现对痕量tc的灵敏检测。
63.应用例4
64.应用例4中的三电极体系和应用例1相同，在光照条件下，记录体系中的初始响应电流i0，之后，分别在三电极体系中单独加入不同的抗生素作为干扰物，作为干扰所用的抗生素为卡那霉素(kanamycin)、土霉素(oxytetracycline)、潮霉素(hygromycin)、嘌呤霉素(puromycin)和左氧氟沙星(ofloxacin)。每种干扰物的浓度为100μm。记录每种干扰素单独加入体系时的响应电流i，计算得到响应电流的变化率。在应用例4的三电极体系中单独加入四环素，将其浓度调整为10μm，记录四环素加入体系时的响应电流i，计算得到响应电流的变化率。将上述抗生素的种类和加入时响应电流的变化率进行对比，对比结果见图9。
65.从图9可以看出，本发明制备得到的光电化学传感器对四环素具有极高选择性，四环素的浓度由0变为10μm时，传感器的光电流已经出现明显的降低。但对于上述其他种类的抗生素，其浓度由0变为100μm时，其浓度变化量远远大于四环素的浓度变化量，但该传感器的光电流未发生明显变化。表明该光电化学传感器具备对四环素的检测具有高选择性，抗干扰能力强。
66.以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。