[发明专利]过渡金属取代的层状氧化钛固定蛋白修饰电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种过渡金属取代的层状氧化钛固定蛋白修饰电极及其制备方法和应用，属于生物传感器领域。

背景技术

生物传感器是一种以生物活性物质(如酶、抗体、核酸、细胞等)为敏感基元，并将其固定在信号转换器上，构成生物转化器，并通过把生物化学信号转换为相应的物理化学信号的仪器。生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等特点，其在生物、医学、环境监测、食品、医药与军事医学领域有着重要的应用价值，已引起世界各国的极大的关注。遗憾的是，在生物传感器中，蛋白质在电极表面通常易被吸附，可能造成构像变化和丧失活性，从而使得蛋白质在电极表面的电子传递能力受到抑制。为了要实现这些缺乏长程电子通道的蛋白质的直接电子转移，就需要达到如下目的：1)使蛋白质的活性中心尽可能的接近电极表面；2)使蛋白质分子适当变形但不失活；3)使电极表面与蛋白质分子充分接触；4)通过修饰电极打开电子通道。要达到这些目的方法有很多，其中一个比较有效的方法就是用适当的材料固定蛋白质于电极上，从而促进蛋白质与电极的直接电子传递。

很多材料，如聚合物膜、纳米材料、表面活性剂、类脂膜等都被用于固定蛋白质以制造生物传感器。在这些材料中，纳米结构的氧化钛材料也被广泛用于固定蛋白质制造生物传感器。氧化钛纳米材料具有高比表面积、强的吸附能力、良好的生物相容性以及优异的热和化学稳定性等一系列优良特性。许多课题组都报道了利用各种纳米结构氧化钛材料作为主体负载蛋白质制造生物传感器的方法。这些纳米结构，包括氧化钛纳米颗粒、氧化钛纳米管、介孔氧化钛等。由这些不同结构并且利用不同固定方法固定蛋白质的得到的生物传感器，其性能随着载体结构和固定方法的不同有所不同。目前，在本领域中，研究并制备基于纳米氧化钛固定蛋白质的生物传感器的活动依然十分活跃。其目的在于，一方面提高传感器的响应性能，另一方面也为拓展传感器的使用环境。

本发明在上述研究基础上，利用过渡金属部分取代的层状氧化钛固定蛋白，用此新制备的复合材料修饰电极，制备得到一类新颖的生物传感器，目前国内外还未见报道。

发明内容

本发明提供了一种过渡金属取代的层状氧化钛固定蛋白修饰电极及其制备方法和应用。过渡金属元素和组分的不同可以得到一系列的修饰电极，通过调整氧化钛的组成，可以制备性能不同的修饰电极。

本发明中材料制备步骤依次如下：

(1)首先将碱金属碳酸盐，二氧化钛和过渡金属氧化物按化学式A_xTi_2-yM_yO₄称量，混合，其中，A为元素K，Rb，Cs；x，y为掺杂实际组分，0.7≤x≤0.9，0.25≤y≤0.6；M为Co，Ni，Cu，Zn，Mn(III)，Fe(III)。然后在600-1200℃下焙烧20-40小时，冷却至室温并研磨，重复高温反应一次并再次室温研磨，得到层状钛酸盐。

(2)上面所述的层状钛酸盐与1.0-2.0mol/L无机强酸(如盐酸、硝酸和硫酸)以固液比(10-20)g/L的比例进行质子交换反应，室温搅拌20小时以上，为了使质子化充分化，需要重复上述步骤三次以上，最后经过离心、水洗、在室温下风干，得到质子化的层状钛酸盐。

(3)(a)将所得产物与季铵碱按0.2-1∶1的酸碱摩尔比混合搅拌，反应1-8天后，将所得的悬浮液离心分离，去除下层沉淀后，得到上层半透明溶胶；

(b)或者将所得产物与氨基十一酸或氨基十酸或氨基十二酸按0.2-0.4∶1的质量比在水中混合，加热至沸后保持10-20分钟，然后剧烈搅拌，离心，热水洗，风干，得到产物按固液比1g-2g/1L在pH值为8.0-9.0的水溶液中分散，超声反应2小时以上，将所得的悬浮液离心分离，去除下层沉淀后，得到上层半透明溶胶。

(4)将上面(a)或(b)所得的半透明溶胶用0.5-2.0mol/L有机弱酸(如醋酸、柠檬酸、丙酸等)调pH至7.0-9.0，然后，将蛋白质分子与该调节后的半透明溶胶按1-10∶1的质量比在室温搅拌混合，逐滴加入有机酸直到引发沉淀生成过渡金属取代的层状氧化钛固定蛋白。

(5)将上述所得的过渡金属取代的层状氧化钛固定蛋白涂覆在电极(包括热解石墨电极、玻碳电极或者ITO电极)上，在空气中干燥，得到层状氧化钛固定蛋白修饰电极，并对其进行各种电化学分析。