[发明专利]一种基于肌红蛋白和二氧化钛-碳纤维纳米复合材料修饰电极的制备与应用研究

说明书

本发明公开了一种基于肌红蛋白和二氧化钛‑碳纤维（TiO₂‑CNFs）纳米复合材料修饰电极的制备与应用研究。所述二氧化钛‑碳纤维（TiO₂‑CNFs）复合纳米材料采用TiO₂纳米颗粒和聚丙烯腈（PAN）共混静电纺丝法制备后高温碳化而成。所述蛋白质电化学传感器制备方法包括以下步骤：以离子液体修饰碳糊电极（CILE）为基底电极，依次涂覆TiO₂‑CNFs分散液、肌红蛋白（Mb）溶液和Nafion溶液，制得修饰电极Nafion/Mb/TiO₂‑CNFs/CILE。结果表明Mb在TiO₂‑CNFs膜内保持原有的蛋白质二级结构和生物活性，修饰电极在pH=4的磷酸盐缓冲溶液表现出准可逆的电化学行为。进一步探究了修饰电极对三氯乙酸（TCA）和亚硝酸钠（NaNO₂）的电催化行为，表现出高的灵敏度、较宽的线性范围和较低的检测限。

技术领域

本发明涉及生物电化学及纳米电化学传感技术领域，尤其涉及一种基于二氧化钛-碳纤维纳米复合材料和肌红蛋白修饰的电化学传感器的制备与应用。

背景技术

电化学生物传感器是一种将酶、抗体、DNA等生物组分引入电极界面，以这些生物材料作为敏感元件，各种工作电极作为转换元件，记录电流、电导、电位、电阻或电容等电化学特征检测信号的传感器，具有专一、快速、灵敏等优点，已被广泛应用于临床检测、生化分析和环境监测等领域。肌红蛋白（Myoglobin, Mb）是一种主要存在于肌肉细胞中的水溶性蛋白，相对分子质量为17800，其结构中含有一个亚铁血红素基团，在细胞中起储氧和载氧的作用，此外还能与H₂O、CO、OH^-、NO等离子或分子配位或键合。由于Mb分子结构简单，成本低廉易得，成为探索生命过程中电子传递机理的重要模型分子。研究蛋白质和酶的直接电化学行为为新一代电化学酶传感器的开发奠定了重要的理论基础。

静电纺丝法是在静电场力的作用下进行纺丝的加工方法，是一种获得连续纳米纤维的直接方法，其制造工艺简单，易于大量制备，成本低廉，易于功能化修饰。通过静电纺丝法可以制备具有独特网状结构和高孔隙率的非织造纤维材料，经热处理后可以形成独特的导电网络结构，缩短了离子传输路径，提高材料的电导率。以静电纺丝法制备的掺杂其它纳米粒子的碳纤维纳米复合材料，不但具有碳纤维良好的电子传输性能，而且可以提高掺杂材料的分散度，表现出复合材料的特殊性能，在催化、生物医学、传感器、环境修复等诸多领域应用广泛。

氯化消毒是自来水厂常用的消毒方法，用于保证出水微生物学指标以防止传染病的传播。三氯乙酸（TCA）作为氯化消毒的主要副产物，经常存在于用次氯酸消毒过的饮用水中，对人体健康危害极大，具有“致癌、致畸、致突变”的作用。我国建设部和卫生部制定的《国家城市供水水质标准》规定二氯乙酸和三氯乙酸的浓度和不超过0.06 mg·L^-1，世界卫生组织明确规定水环境中三氯乙酸的安全存在量为100 μg·L^-1。

亚硝酸盐在食品、饮用水和环境中普遍存在，可以使人体正常的血红蛋白氧化而失去运输氧分子的能力，并可与蛋白质作用产生高致癌的亚硝胺，对人类健康具有很大的危害。过量摄入亚硝酸盐会引发如胃癌和食道癌、婴儿高铁血红蛋白症等，因此对亚硝酸盐的测定和监测具有重要的意义。我国国家标准规定亚硝酸盐可作为护色剂和防腐剂，在腌腊肉和酱卤肉等食品中最大使用量为0.15 g·kg^-1。

综上，研发一种基于纳米材料并可以快速准确响应、高灵敏度检测三氯乙酸（TCA）和亚硝酸钠（NaNO₂）的新型电化学酶传感器，显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于二氧化钛-碳纤维纳米复合材料和肌红蛋白修饰的电化学传感器的制备方法与应用研究，所制备的修饰电极对三氯乙酸和亚硝酸钠具有良好的电催化还原性能，表现出线性范围宽、检测限低、灵敏度高等优点，可应用于此类物质的定量测定。