鲁米诺电化学发光反应用催化剂与检测系统及其制备方法

摘要

本发明公开了一种鲁米诺电化学发光反应用催化剂与检测系统及其制备方法。所述检测系统采用Fe‑N‑C单原子催化剂修饰电极，在碱性电解液中，以H

说明书

技术领域

本发明属于电化学发光反应的技术领域，具体涉及低电位下驱动鲁米诺电化学发光反应用催化剂的技术领域。

背景技术

早期诊断和早期治疗是防治肿瘤与降低癌症死亡率的最有效的方法。因此，长期以来，寻找能灵敏、准确诊断肿瘤标志物的检测方法成为人们关注的焦点。其中，电化学发光(ECL)检测法具有仪器简单、操作方便、易于实现自动化等优点，在痕量肿瘤标志物检测中得到了一定的临床应用。

依据发光体激发态或者正负离子自由基的产生方式的不同，可将ECL发光的途径分为两种，即湮灭途径和共反应剂途径。相比湮灭途径，在共反应剂途径中引入的共反应物可以克服溶剂相电势的限制，产生比湮没反应更强的ECL发射。如成熟的电化学发光免疫测定系统Elecsys，即以三联吡啶钌(Ru(bpy

然而，由于Ru(bpy

但对于鲁米诺ECL体系，通常需要小分子化合物作为共反应物，通过分解小分子产生活性氧物质(ROS)来促进鲁米诺的氧化，进而增强鲁米诺的ECL性能，其反应过程繁琐、反应效率较低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可通过超低电位(≤±0.2V)驱动鲁米诺电化学发光反应进行的方法，本发明同时提供了基于鲁米诺电化学发光反应催化剂、检测系统的制备方法，该检测系统可在超低电位下，实现鲁米诺发光反应，有望准确、灵敏、高效地实现肿瘤标志物检测，检测过程中能有效保护目标物的生物活性。

本发明的技术方案如下：

鲁米诺电化学发光反应用催化剂的制备方法，其包括：

将Zn(NO

向第一混合液中加入2-甲基咪唑的甲醇溶液，得到第二混合溶液；

使第二混合溶液在55-65℃下进行混合反应，分离其得到的固体沉淀；

将所述固体沉淀清洗、烘干后，在惰性氛围下进行煅烧，煅烧温度为850-950℃，煅烧时间为0.8-1.2h，得到所述催化剂。

根据本发明的一些优选实施方式，所述Zn(NO

根据本发明的一些优选实施方式，所述第一混合液中，所述Zn(NO

根据本发明的一些优选实施方式，所述Zn(NO

根据本发明的一些优选实施方式，所述第二混合溶液中，所述2-甲基咪唑的浓度为6～7mg/mL。

根据本发明的一些优选实施方式，所述烘干的温度为55～65℃。

本发明进一步提供了上述制备方法制得的鲁米诺电化学发光反应用催化剂Fe-N-C SACs单原子催化剂，该催化剂中没有纳米颗粒和团簇，为单原子结构。

本发明进一步提供了含有上述鲁米诺电化学发光反应用催化剂的电化学检测系统，该电化学检测系统可在超低电位(≤±0.2V)下实现鲁米诺的电化学发光(ECL)，所得发光信号较强。

根据本发明的一些优选实施方式，所述电化学检测系统，包括：添加有所述鲁米诺电化学检测用催化剂的玻碳电极、含鲁米诺的酸碱缓冲液的电解液，及小分子共反应物H

根据本发明的一些优选实施方式，所述检测系统的制备方法包括：

将所述鲁米诺电化学检测用催化剂分散在乙醇、去离子水和浓度为4～6wt％的全氟磺酸的混合溶液中，得到催化剂分散液；

将所述催化剂分散液滴加至所述玻碳电极上，形成均匀薄膜，得到所述添加有所述鲁米诺电化学检测用催化剂的玻碳电极；

将该玻碳电极加入电解液中，得到反应系统；其中，所述电解液为含鲁米诺的B-R缓冲液、其pH为10、其中鲁米诺的浓度为0.1～0.15mM；

向所述反应系统中添加共反应物H

本发明具备以下有益效果：

本发明可得到Fe-N-C单原子催化剂，该催化剂在0到-0.2V的超低负扫描电位下即表现出显著的H

本发明的检测系统可以所得催化剂作为高效共反应催化剂，以小分子化合物H

本发明的检测系统中，催化剂得益于其独特的电子结构，在0到-0.2V的超低电位下，可还原H

附图说明

图1为实施例1中Fe-N-C SACs单原子催化剂的球差扫描透射电子显微镜图像。

图2为实施例1中Fe-N-C SACs单原子催化剂、铁箔(Fe foil)和铁卟啉(FePc)中Fe的傅立叶变换EXAFS光谱图。

图3为实施例1中Fe-N-C SACs单原子催化剂和N-C修饰玻碳电极以及裸玻碳电极在鲁米诺/H

图4为实施例1中Fe-N-C SACs单原子催化剂和N-C修饰GCE以及裸GCE在鲁米诺-H

图5为实施例1中Fe-N-C SACs/GCE电极在鲁米诺-N

图6为实施例1中连续12次循环电位扫描下Fe-N-C SACs-鲁米诺-H

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

根据本发明的技术方案，一些具体的鲁米诺电化学检测用催化剂的制备方法包括以下过程：

将Zn(NO

向第一混合液中加入2-甲基咪唑的甲醇溶液，得到第二混合溶液；

在55-65℃下通过搅拌所述第二混合溶液，收集所得固体沉淀；

将所述固体沉淀清洗、烘干后，在惰性氛围下进行煅烧，煅烧温度为850-950℃，煅烧时间为0.8-1.2h，得到所述催化剂Fe-N-C SACs。

在一些具体的实施方式中，Zn(NO

在一些优选实施方式中，第一混合液中，Zn(NO

在一些优选实施方式中，Zn(NO

在一些优选实施方式中，第二混合溶液中，2-甲基咪唑的浓度为6～7mg/mL。

在一些优选实施方式中，第二混合溶液的搅拌时间为20～28h。

在一些优选实施方式中，所述清洗使用乙醇。

在一些优选实施方式中，所述烘干为55～65℃的真空烘干。

在一些优选实施方式中，所述惰性氛围由氮气提供。

根据本发明的技术方案，一些具体的应用所得鲁米诺电化学检测用催化剂进行肿瘤标志物检测的检测系统包括：

添加有所述鲁米诺电化学检测用催化剂的玻碳电极、含鲁米诺(luminol)的B-R缓冲液的电解液，及小分子共反应物H

其中，B-R缓冲液为由NaH

在一些优选实施方式中，所述检测系统的制备包括：

将制得的Fe-N-C SACs催化剂超声分散在乙醇、去离子水和全氟磺酸(nafion)的混合溶液中，得到催化剂分散液；

将催化剂分散液滴加至玻碳电极上，形成均匀薄膜，得到所述添加有所述鲁米诺电化学检测用催化剂的玻碳电极；

将该玻碳电极转移至电解池内，添加电解液，电解液为含鲁米诺的B-R缓冲液，得到反应系统；

向所述反应系统中添加共反应物H

在一些优选实施方式中，全氟磺酸(nafion)的浓度为4～6wt.％。

在一些优选实施方式中，所述电解液中鲁米诺的浓度为0.1～0.15mM。

在一些优选实施方式中，所述B-R缓冲液由0.035～0.045M的NaH

以下结合具体实施例对本发明的技术方案进行展示：

实施例1

通过以下过程进行Fe-N-C SACs催化剂的制备：

将3.39g Zn(NO

对所得催化剂进行球差扫描透射电子显微镜表征，如附图1所示，可以看出，Fe-N-C SACs中没有纳米颗粒或团簇，且存在原子尺度的光点，说明在Fe-N-C SACs中存在原子分布的Fe物种。

对所得Fe-N-C SACs单原子催化剂与铁箔(Fe foil)和铁卟啉(FePc)进行EXAFS光谱表征与对比，其中Fe的傅立叶变换EXAFS光谱图如附图2所示，可以看出，Fe-N-C SACs的Fe k边EXAFS曲线在

对以上催化剂进行电化学发光性能测试：

催化剂溶液的配制：将2mg已制备的的Fe-N-C SACs催化剂分散在乙醇、去离子水和5wt.％nafion(体积比为79:20:1)的1mL的混合溶液中，并超声30分钟，得到催化剂溶液。

将所得2mg/mL的3μL催化剂溶液均匀滴涂到打磨好的玻碳电极上，形成均匀的薄膜。

将制备好的电极转移到电解池中，电解液为含0.12mM luminol的B-R缓冲液，该缓冲溶液由0.04M的NaH

对电解池进行电化学发光测试。测试时：电化学发光扫描速率为100mV/s，电位扫描范围为0到-0.2V。光电倍增管(PMT)在检测过程中电压设定为400V。

根据以上测试可得到如附图3-6所示的测试曲线。

其中，

如附图3所示，Fe-N-C SACs作为luminol/H

如附图4所示，在循环伏安法电化学测试中，Fe-N-C SACs/GCE、N-C/GCE和裸GCE电流密度的变化趋势与其ECL强度变化一致，说明Fe-N-C SACs具有显著的H

如附图5所示，将Fe-N-C SACs/GCE电极在N

如附图6所示，在以Fe-N-C SACs为共反应催化剂，在超低电位下驱动luminol-H

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。