一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法与应用

摘要

本发明涉及一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法与应用，属于纳米复合材料技术领域。本发明所述的制备方法，包括以下步骤，(1)用培养基培养微藻至对数生长期，加入1‑5mM的金属离子溶液继续培养10‑15天，经离心、脱盐、冷冻干燥，得到共培养的微藻粉；(2)惰性气氛下，对步骤(1)所述的共培养的微藻粉进行碳化，得到所述微藻基碳纳米复合材料。本发明所述的微藻基碳纳米复合材料NC/Me具有更优的催化作用，同时共培养也改善了金属在碳材料内部的分布状态增强了导电性。NC/Me可作为传感材料制造高性能的电化学生物传感器，并将NC/Me构建的电化学传感器用于多巴胺等生物分子的检测获得了较宽的检测范围。

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，尤其涉及一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

生物传感器在食品、制药、生物医学、石油化工、环境监测以及临床检测等方面都有较多应用。目前的研究主要聚焦在开发新型纳米复合材料，提高生物分子检测的灵敏度和选择性等传感性能方面。

生物质碳具有高化学稳定性、高导电性、结构稳定性等特点已被广泛用于电化学生物传感领域，综合来说未来的努力应该致力于系统地定义材料结构和传感性能之间的关系，同时参考其他碳质材料(如石墨烯)的应用，用含生物质碳的油墨在不同的基底材料上进行印刷构建小型化电化学传感器件，促进基于生物质碳材料的便携式电化学传感器件的大规模生产。

微藻基生物质碳材料是一种新兴的、低成本和可持续的传感应用材料。虽然基于微藻基生物质碳材料(NC)已被用于构建电化学生物传感器，但其作为传感材料通过功能化修饰可进一步提升其电催化活性，从而提高测定目标分子的灵敏度。目前的材料功能化修饰大多采用物理混合等表面修饰的方法，使得获得的材料存在修饰不均匀，如修饰的纳米颗粒等已发生团聚等现象，从而导致传感材料的性能提升较弱。

金藻8701等常见藻类是广泛分布与海洋的浮游单细胞微藻，具有繁殖快、个体小等特点，其中最突出的特点是金藻8701的细胞没有细胞壁并且具有两根等长的鞭毛。由于其丰富的脂质产量，目前大部分研究都聚焦将其作为生产生物燃料的原材料，很少将其作为生物质碳的前驱体。因此，如何采用微藻来制备性能更优的碳纳米复合材料是值得关注的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法与应用。采用微藻培养过程中加入金属离子进行共培养的方法，来实现对微藻基生物质碳材料的高效率、均匀金属内外共掺杂，从而基于对掺杂金属的高效利用，为目标分子的检测提供更多的反应活性位点和更高的催化活性，这对于实现相关目标分子引发的疾病的早期诊断具有重要意义。

本发明的第一个目的是提供一种微藻基碳纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤，

(1)用培养基培养微藻至对数生长期，加入1-5mM的金属离子溶液继续培养10-15天，经离心、脱盐、冷冻干燥，得到共培养的微藻粉；

(2)惰性气氛下，对步骤(1)所述的共培养的微藻粉进行碳化，得到所述微藻基碳纳米复合材料。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述培养基为f/2培养基。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述培养基中微藻的接入量为5-15％；该接入量是刚好适合生长的比较好的状态，接入量太低微藻状态不好生长缓慢，接入量过高生长过快也会影响藻的状态。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述微藻为球等鞭金藻8701、小球藻、IMET-1和小新月中的一种或多种，微藻的含氮量较高。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述金属离子溶液与所述培养基的体积比为1：50-150。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述离心的转速为2000rpm-6000rpm。离心转速的设定可以更好的收集材料，转速太低离心不完全材料有损失，转速太高会导致微藻形貌被破坏。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述金属离子为金离子、铂离子、铁离子、锰离子、铜离子和镍离子中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述碳化的升温速率为2℃/min；碳化的温度为600℃-900℃；碳化的时间为1.5h-3h。碳化温度过低碳化不完全，温度太高碳材料结构会发生塌陷并影响N、金属的掺杂效果。

在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述惰性气氛为氮气或氩气。

本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的微藻基碳纳米复合材料。

本发明的第三个目的是提供一种所述的微藻基碳纳米复合材料作为电化学生物传感器的应用。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的制备方法利用微藻具有优异的抗逆性，能够适应酸碱失衡的环境，因此在球等鞭金藻8701等微藻的培养过程中加入如酸性的氯金酸等生物相容性较好金属离子，进行共培养，利用其光合作用来达到还原利用金属离子的目的。在微藻生长过程中原位进行金属掺杂，培养结束后进行收集和碳化处理，得到微藻基碳纳米复合材料(NC/Me，Me代表金属)，与传统的物理混合修饰法(更多的是表面修饰)相比，得到的材料中金属掺杂能实现对微藻的内部和外部的共掺杂，金属分布更均匀且其颗粒比较小能够暴露更多的反应活性中心，大大提高传感检测的灵敏度，此外这种合成方法更加绿色环保可以扩展应用于多种不同的领域，为扩大其应用范围提供了新思路。

(2)本发明所述的微藻基碳纳米复合材料NC/Me具有更优的催化作用，同时共培养也改善了金属在碳材料内部的分布状态增强了导电性。NC材料与Me可以产生相互协同作用，金属元素提供丰富的反应活性位点同时氮掺杂会加快电子转移速率，从而促进Me的活性中心诱导多巴胺等生物分子在NC表面的快速电子转移，实现对多巴胺等生物分子的高效催化氧化反应。NC/Me可作为传感材料制造高性能的电化学生物传感器，并将NC/Me构建的电化学传感器用于多巴胺等生物分子的检测获得了较宽的检测范围。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明测试例1中的NC和NC/Au在不同纳米尺度的SEM图；其中，A、A

图2为本发明测试例1中的NC/Au中各元素的分布图；其中，A为NC/Au；B为C的元素分布图；C为N的元素分布图；D为Au的元素分布图；

图3为本发明测试例2中的NC和NC/Au对多巴胺电化学响应测试；其中，A为NC和NC/Au对多巴胺的DPV响应；B为NC/Au对不同浓度多巴胺的CV响应；

图4为本发明测试例2中的NC/Au对多巴胺的选择性测试。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

在本发明中，除非另有说明，f/2培养基的配方如下：

(1)准确称取7.5g的NaNO

(2)配制金属盐混合溶液：

①准确称取0.98g的CuSO

②称取0.315g的FeCl

(3)配制维生素混合液：

①准确称取0.01g生物素和0.01g维生素B12分别用超纯水定容至100mL等待取用。

②称取0.02g盐酸硫胺素溶解于90mL，并分别量取步骤①配置的两种溶液各1mL加入其中，用超纯水定容至100mL后选用0.22μm的无菌滤膜过滤除菌，最后将溶液放置在4℃冰箱避光保存。

(4)准备过滤的天然海水950mL，110℃高压灭菌30min，并向其分别加入1mL步骤(1)配制的NaNO

实施例1

一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法，具体包括以下步骤：

(1)微藻与金属离子的培养与收集：将球等鞭金藻8701按照10％的接种量将其接种入带有450mLf/2培养基中，在微藻的对数生长期接入2mM氯金酸溶液，氯金酸溶液与f/2培养基体积比为1：100。最后生长至第12天，将藻液以4000rpm离心收集浓缩，脱去海水盐后，冷冻干燥，得到共培养的微藻粉。

(2)NC/Au的合成：在氩气氛围下，将共培养的微藻粉在管式炉中以2℃/min的升温速率在600℃下碳化2h，并将获得的固体粉末研磨得到微藻基碳纳米复合材料NC/Au。

实施例2

一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法，具体包括以下步骤：

(1)微藻与金属离子的培养与收集：将球等鞭金藻8701按照5％的接种量将其接种入带有450mLf/2培养基中，在微藻的对数生长期接入1mM氯金酸溶液，氯金酸溶液与f/2培养基体积比为1：50。最后生长至第10天，将藻液以3000rpm离心收集浓缩，脱去海水盐后，冷冻干燥，得到共培养的微藻粉。

(2)NC/Au的合成：在氩气氛围下，将共培养的微藻粉在管式炉中以2℃/min的升温速率在600℃下碳化1.5h，并将获得的固体粉末研磨得到微藻基碳纳米复合材料NC/Au。

实施例3

一种微藻基碳纳米复合材料及其制备方法，具体包括以下步骤：

(1)微藻与金属离子的培养与收集：将球等鞭金藻8701按照15％的接种量将其接种入带有450mLf/2培养基中，在微藻的对数生长期接入5mM氯金酸溶液，氯金酸溶液与f/2培养基体积比为1：150。最后生长至第15天，将藻液以6000rpm离心收集浓缩，脱去海水盐后，冷冻干燥，得到共培养的微藻粉。

(2)NC/Au的合成：在氩气氛围下，将共培养的微藻粉在管式炉中以2℃/min的升温速率在900℃下碳化3h，并将获得的固体粉末研磨得到微藻基碳纳米复合材料NC/Au。

对比例1

(1)微藻与金属离子的培养与收集：将球等鞭金藻8701按照10％的接种量将其接种入带有450mLf/2培养基中，在微藻的对数生长期将藻液以4000rpm离心收集浓缩，脱去海水盐后，冷冻干燥，得到共培养的微藻粉。

(2)NC/Au的合成：在氩气氛围下，将共培养的微藻粉在管式炉中以2℃/min的升温速率在600℃下碳化2h，并将获得的固体粉末研磨得到微藻基碳纳米复合材料NC/Au。

测试例1

基于实施例1和对比例1，对未掺杂氯金酸的直接碳化的球等鞭金藻8701(NC)和与氯金酸共培养后碳化得到的NC/Au进行SEM的表征分析碳材料的形貌，结果如图1-2所示。从图1A可以看出NC在直接碳化后呈现出不规则的孔状结构而没有保持藻细胞正常的球形结构。从图1A

测试例2

基于实施例1和对比例1，对NC和NC/Au构建的多巴胺传感器的电化学性能进行分析。将NC和NC/Au分别通过标准三电极体系在玻碳电极上修饰材料(5μL2mg/mL)进行多巴胺的测试。采用循环伏安法(cyclicvoltammetry，CV)和差分脉冲伏安法(differentialpulsevoltammetry，DPV)对电极界面发生的氧化还原反应进行测试分析，结果如图3-4所示。

从图3可以看出，通过对比单独的NC和NC/Au对多巴胺的电化学响应，相比于NC，NC/Au对多巴胺具有更高的氧化电流响应(图3A)，且通过对不同浓度的多巴胺测试，证明与Au共培养获得的NC/Au对于多巴胺的传感响应具有5-800μM的较宽检测范围(图3B)。

从图4可以看出，通过测试不同的干扰物来分析NC/Au对于多巴胺的选择性，检测结果显示对200μM多巴胺(DA)的氧化电流响应最高，对其他相同浓度的干扰物质葡萄糖(Glu)、抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)几乎没有响应，表明了NC/Au材料具有优异的抗干扰能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。