基于硼酸亲和作用的电化学传感器：制备、性能及应用的深度剖析

基于硼酸亲和作用的电化学传感器：制备、性能及应用的深度剖析一、引言1.1研究背景与意义在科学技术飞速发展的今天，传感器作为获取信息的关键器件，在众多领域发挥着举足轻重的作用。其中，电化学传感器以其独特的优势，如高灵敏度、快速响应、易于微型化和成本相对较低等，成为了研究的热点之一。它能够将化学信号转化为电信号，通过对电信号的检测和分析，实现对目标物质的定性和定量检测。从生命科学领域中对生物分子的检测，到环境科学中对污染物的监测，再到工业生产中对各种物质的质量控制，电化学传感器都展现出了巨大的应用潜力。在生命科学领域，它可以用于检测生物标志物，帮助医生进行疾病的早期诊断和治疗监测；在环境科学领域，能够实时监测空气中的有害气体和水中的污染物，为环境保护提供重要的数据支持；在工业生产中，可用于监测化学反应的进程和产品的质量，提高生产效率和产品质量。硼酸亲和作用是一种特殊的分子间相互作用，近年来在传感器制备领域引起了广泛关注。硼酸及其衍生物能够与含有顺式二醇结构的化合物，如糖类、糖蛋白、核苷酸等，在特定条件下形成可逆的共价键。这种独特的亲和特性使得硼酸亲和作用在传感器设计中具有诸多优势。由于硼酸与顺式二醇结构的特异性结合，基于硼酸亲和作用的传感器能够实现对目标物质的高选择性识别，有效减少其他物质的干扰。在复杂的生物样品中，能够准确地检测出目标糖类或糖蛋白，而不受其他生物分子的影响。硼酸与顺式二醇形成的共价键在一定条件下是可逆的，这使得传感器具有良好的再生性能，可以重复使用，降低了检测成本。而且，硼酸亲和作用的反应条件相对温和，不会对目标物质的结构和活性造成破坏，有利于保持生物分子的原有特性。将硼酸亲和作用引入电化学传感器的制备中，为提升传感器的性能开辟了新的途径。一方面，硼酸亲和作用的高选择性能够显著提高电化学传感器的特异性，使其在复杂样品检测中准确识别目标物，减少误判；另一方面，利用硼酸与顺式二醇基团的可逆结合特性，可实现传感器的重复使用，降低检测成本，拓展其应用范围。通过合理设计硼酸修饰的电极材料或传感界面，能够增强传感器对目标物质的吸附和检测能力，进一步提高传感器的灵敏度和稳定性。在检测糖类物质时，通过优化硼酸修饰的电极表面结构，能够增加与糖类分子的结合位点，从而提高检测的灵敏度。1.2研究现状近年来，基于硼酸亲和作用的电化学传感器的研究取得了显著进展，众多科研团队在制备方法、性质研究及应用拓展等方面不断探索创新，使得这类传感器的性能和应用范围得到了大幅提升。在制备方法上，研究人员采用了多种策略来构建基于硼酸亲和作用的电化学传感器。共价键合是一种常用的方法，通过化学反应将硼酸基团共价连接到电极表面或其他载体材料上，以实现对目标物质的特异性识别。利用碳纳米管优良的导电性和高比表面积，先对碳纳米管进行羧基化处理，然后通过偶联剂将硼酸基团共价修饰到羧基化碳纳米管表面，再将修饰后的碳纳米管修饰到玻碳电极表面，制备出对含有顺式二醇结构的生物分子具有高选择性的电化学传感器。这种方法能够使硼酸基团牢固地结合在电极表面，提高传感器的稳定性和使用寿命，但制备过程相对复杂，需要严格控制反应条件。自组装技术也在传感器制备中得到广泛应用，利用分子间的自组装作用，将硼酸衍生物自组装到电极表面形成有序的分子层，从而实现对目标物质的亲和识别。将巯基苯硼酸通过自组装的方式修饰到金电极表面，利用硼酸与糖类分子的特异性结合，实现了对糖类物质的快速检测。该方法操作简单，能够在电极表面形成均匀、致密的分子层，有利于提高传感器的灵敏度和选择性，但自组装过程可能受到溶液环境等因素的影响，导致分子层的稳定性存在一定差异。电聚合方法同样备受关注，通过电聚合反应在电极表面原位生成含有硼酸基团的聚合物膜，构建具有硼酸亲和作用的传感界面。以苯胺和硼酸为单体，在电极表面通过电聚合制备出聚苯胺-硼酸复合膜修饰的电极，用于检测糖蛋白。电聚合方法可以精确控制聚合物膜的厚度和组成，便于对传感器性能进行调控，然而，聚合过程中可能会引入杂质，影响传感器的性能，且不同批次制备的传感器重复性有待提高。在性质研究方面，科研人员对基于硼酸亲和作用的电化学传感器的灵敏度、选择性、稳定性和重现性等性能进行了深入探究。灵敏度是衡量传感器性能的关键指标之一，研究发现，通过优化传感器的制备工艺和选择合适的信号放大策略，可以显著提高传感器的灵敏度。在检测癌胚抗原（CEA）时，借助硼酸盐亲和辅助电化学调控原子转移自由基聚合（BA-eATRP）的双重信号放大作用，每个CEA抗原上可标记大量的二茂铁（Fc）探针，使得传感器能够实现浓度低至0.34pg・mL-1的CEA的高选择性检测。选择性也是这类传感器的重要特性，由于硼酸与顺式二醇结构的特异性结合，基于硼酸亲和作用的传感器在检测含有顺式二醇结构的目标物质时表现出良好的选择性。在复杂的生物样品中，能够有效区分目标糖蛋白与其他生物分子，减少干扰信号的影响。但当样品中存在其他含有类似结构的物质时，可能会对检测结果产生一定的干扰，如何进一步提高传感器在复杂环境中的选择性仍是研究的重点之一。稳定性和重现性对于传感器的实际应用至关重要，传感器的稳定性主要受电极材料、修饰层的稳定性以及环境因素等影响。为了提高稳定性，研究人员采用了多种方法，如选择稳定性好的电极材料、优化修饰层的制备工艺以及对传感器进行适当的封装等。在重现性方面，尽管通过标准化制备流程和严格控制实验条件可以在一定程度上提高传感器的重现性，但由于制备过程中存在一些难以完全控制的因素，不同批次制备的传感器之间仍可能存在一定的性能差异。在应用领域，基于硼酸亲和作用的电化学传感器展现出了广阔的应用前景，在生物医学领域，可用于生物标志物的检测，为疾病的早期诊断和治疗监测提供有力支持。通过检测血清中的糖蛋白标志物，实现对肿瘤、糖尿病等疾病的早期筛查和病情评估。在环境监测方面，能够用于检测水中的有机污染物和重金属离子等，为环境保护提供实时、准确的数据。对水中的酚类污染物进行检测，利用硼酸与酚类物质的亲和作用，实现对酚类污染物的快速、灵敏检测。在食品检测领域，可用于检测食品中的糖类、蛋白质等营养成分以及有害物质，保障食品安全。检测蜂蜜中的糖类含量，判断蜂蜜的品质和真伪。然而，当前基于硼酸亲和作用的电化学传感器的研究仍存在一些不足之处。部分制备方法存在步骤繁琐、耗时较长、成本较高等问题，限制了传感器的大规模制备和实际应用。在共价键合制备方法中，涉及多个化学反应步骤，需要使用多种化学试剂，不仅增加了制备成本，还可能对环境造成一定的污染。而且，一些制备方法对实验条件要求苛刻，难以在常规实验室或工业生产中推广应用。虽然基于硼酸亲和作用的传感器在选择性方面具有一定优势，但在复杂样品检测中，仍可能受到其他物质的干扰，导致检测结果的准确性下降。当样品中存在多种含有顺式二醇结构的物质时，传感器难以准确区分目标物质与干扰物质，从而影响检测的特异性。并且，目前对传感器选择性的研究主要集中在特定目标物质的检测上，对于如何提高传感器对复杂样品中多种目标物质的同时检测能力，还需要进一步深入研究。现有传感器的稳定性和重现性有待进一步提高，尽管采取了一些措施来改善稳定性和重现性，但在实际应用中，传感器仍可能受到温度、湿度、溶液pH值等环境因素的影响，导致性能发生变化。不同批次制备的传感器之间存在性能差异，这给传感器的批量生产和质量控制带来了困难，如何提高传感器在不同环境条件下的稳定性和不同批次之间的重现性，是需要解决的关键问题之一。在信号放大和检测灵敏度方面，虽然已经取得了一些进展，但对于一些低浓度目标物质的检测，仍然难以满足实际需求。部分传感器的检测限较高，无法检测到痕量的目标物质，限制了其在一些对检测灵敏度要求较高的领域的应用。因此，需要进一步探索新的信号放大策略和检测技术，以提高传感器的检测灵敏度，实现对低浓度目标物质的准确检测。1.3研究内容与创新点本研究聚焦于基于硼酸亲和作用的电化学传感器，深入探索其制备方法、性质特征及实际应用，旨在突破现有技术局限，开发出高性能、多功能的新型电化学传感器。在传感器的制备方面，本研究将创新地结合纳米材料的独特优势与硼酸亲和作用，致力于开发一种全新的制备工艺。拟采用层层自组装技术，将具有高比表面积和良好导电性的纳米材料，如石墨烯量子点、金属有机框架（MOF）衍生的纳米材料等，与硼酸修饰的聚合物进行有序组装，构建出具有丰富活性位点和高效电子传输通道的传感界面。这种制备方法不仅能够显著提高传感器对目标物质的吸附能力和检测灵敏度，还能充分发挥纳米材料的优异性能，增强传感器的稳定性和重现性。在将石墨烯量子点与聚苯胺-硼酸聚合物进行层层自组装时，利用石墨烯量子点的高导电性和大比表面积，为电子传输提供快速通道，同时增加传感界面与目标物质的接触面积，从而提高传感器的检测性能。对基于硼酸亲和作用的电化学传感器的性质进行系统研究，是本研究的关键内容之一。通过多种电化学技术，如循环伏安法、差分脉冲伏安法、电化学阻抗谱等，深入探究传感器在不同条件下对含有顺式二醇结构的目标物质的响应特性。详细考察溶液pH值、温度、离子强度等因素对传感器性能的影响，明确传感器的最佳工作条件，为其实际应用提供理论依据。利用循环伏安法研究不同pH值下传感器对葡萄糖的响应，确定传感器对葡萄糖检测的最适pH值范围，以提高检测的准确性和灵敏度。并且，借助光谱分析技术，如傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等，深入分析传感器与目标物质之间的相互作用机制，揭示硼酸亲和作用在传感器检测过程中的关键作用，为进一步优化传感器性能提供指导。通过傅里叶变换红外光谱分析传感器修饰前后的结构变化，以及与目标物质结合后的特征峰变化，探究硼酸与顺式二醇基团的结合方式和作用机理。为了拓展基于硼酸亲和作用的电化学传感器的应用领域，本研究将针对生物医学、环境监测和食品安全等领域的实际需求，开展一系列应用研究。在生物医学领域，开发用于检测重要生物标志物的电化学传感器，如肿瘤标志物、血糖、胰岛素等，实现对疾病的早期诊断和治疗监测。以检测肿瘤标志物癌胚抗原（CEA）为例，利用硼酸与CEA上顺式二醇结构的特异性结合，结合纳米材料的信号放大作用，构建高灵敏度、高选择性的电化学传感器，用于血清中CEA的快速检测，为肿瘤的早期诊断提供有力工具。在环境监测方面，设计能够检测水中痕量有机污染物和重金属离子的传感器，实现对环境污染物的实时、快速检测。对于水中的酚类污染物，利用硼酸与酚类物质的亲和作用，结合纳米材料修饰的电极，提高传感器对酚类污染物的检测灵敏度和选择性，为环境保护提供可靠的监测手段。在食品安全领域，研发用于检测食品中添加剂、农药残留和微生物的传感器，保障食品安全。检测食品中的农药残留时，利用硼酸亲和作用特异性识别农药分子中的顺式二醇结构，结合电化学检测技术，实现对农药残留的快速、准确检测，确保食品安全。本研究的创新点主要体现在以下几个方面：在制备方法上，首次将纳米材料的独特性能与层层自组装技术相结合，构建基于硼酸亲和作用的传感界面，为传感器的制备提供了新的思路和方法，有望显著提升传感器的性能。在性质研究方面，综合运用多种先进的电化学和光谱分析技术，深入系统地研究传感器的性能和作用机制，全面揭示硼酸亲和作用在传感器检测过程中的本质特征，为传感器的优化和改进提供深入的理论基础。在应用拓展方面，针对不同领域的实际需求，开发具有特定功能的传感器，实现对多种目标物质的高灵敏、高选择性检测，拓宽了基于硼酸亲和作用的电化学传感器的应用范围，具有重要的实际应用价值。二、硼酸亲和作用原理及电化学传感器基础2.1硼酸亲和作用的化学机制硼酸亲和作用的核心在于硼酸与具有顺式二醇基团的化合物之间能够发生可逆的共价键合反应，这一独特的化学过程赋予了硼酸在众多领域，尤其是传感器制备领域的重要应用价值。从化学结构角度来看，硼酸（H_3BO_3）是一种具有缺电子特性的化合物，其中心硼原子外层仅具有6个电子，处于未饱和状态，这种电子结构使得硼酸具有接受电子对的能力，表现出较强的Lewis酸性。顺式二醇基团则是指两个羟基（-OH）处于相邻位置且在同一平面上的结构，常见于糖类、糖蛋白、核苷酸等生物分子中。在一定条件下，硼酸能够与顺式二醇基团发生特异性相互作用，形成稳定的五元或六元环酯结构，这一过程涉及到化学键的重新组合和电子云的重新分布。在碱性条件下，硼酸与顺式二醇基团之间的酯化反应是一个逐步进行的过程。溶液中的氢氧根离子（OH^-）会与硼酸分子发生作用，促使硼酸分子中的硼原子接受OH^-提供的电子对，形成四羟基硼酸根离子（B(OH)_4^-）。四羟基硼酸根离子具有更强的亲核性，能够与顺式二醇基团中的羟基发生反应，其中一个羟基的氧原子进攻四羟基硼酸根离子中的硼原子，形成一个过渡态。在过渡态中，硼原子与顺式二醇基团中的两个氧原子以及剩余的两个羟基氧原子形成一个不稳定的中间体。随着反应的进行，中间体发生重排，失去一分子水，最终形成稳定的五元或六元环酯结构。以葡萄糖为例，其分子中含有多个顺式二醇结构，在碱性环境下，硼酸能够与葡萄糖分子中的顺式二醇基团发生酯化反应，形成稳定的硼酸-葡萄糖酯，具体反应方程式如下：H_3BO_3+OH^-\rightleftharpoonsB(OH)_4^-；B(OH)_4^-+Glucose-cis-diol\rightleftharpoonsBorate-Glucose-ester+H_2O+OH^-。而在酸性条件下，硼酸与顺式二醇基团形成的环酯结构会发生解离。这是因为酸性溶液中存在大量的氢离子（H^+），氢离子能够与环酯结构中的氧原子结合，使得环酯结构中的硼-氧键电子云密度发生变化，从而削弱了硼-氧键的强度。随着氢离子的不断进攻，硼-氧键逐渐断裂，环酯结构开环，释放出顺式二醇化合物和硼酸。继续以硼酸-葡萄糖酯为例，在酸性条件下的解离反应方程式为：Borate-Glucose-ester+H^+\rightleftharpoonsH_3BO_3+Glucose-cis-diol。这种在不同酸碱条件下的可逆反应特性，使得基于硼酸亲和作用的传感器能够通过调节溶液的pH值来实现对目标物质的特异性吸附和释放，为传感器的设计和应用提供了极大的便利。在实际应用中，可以利用碱性条件下硼酸与顺式二醇基团的结合来实现对目标生物分子的富集和检测，而在酸性条件下的解离则可用于传感器的再生和重复使用，有效降低了检测成本，提高了检测效率。2.2电化学传感器的工作原理与结构组成电化学传感器是一种基于电化学原理，将化学物质的浓度、活度等化学量转换为电信号的装置，其工作原理主要基于物质在电极表面发生的氧化还原反应。当被检测物质与电极接触时，如果其能发生氧化还原反应，就会产生电流或电位的变化，通过测量这些变化，就可以得知被检测物质的浓度或存在性。以检测氧气的电化学传感器为例，在工作过程中，氧气分子扩散到工作电极表面，在电极表面得到电子被还原，发生的还原反应为：O_2+2H_2O+4e^-\rightleftharpoons4OH^-，电子从工作电极流出，经过外电路流向对电极，形成电流。在对电极上，发生氧化反应，如4OH^--4e^-\rightleftharpoonsO_2+2H_2O，以维持电荷的平衡。通过测量电路中电流的大小，就可以间接得知参与反应的氧气的量，从而实现对氧气浓度的检测。在基于硼酸亲和作用的电化学传感器中，工作原理更为复杂。当含有顺式二醇结构的目标物质与修饰有硼酸基团的电极表面接触时，在碱性条件下，硼酸基团会与顺式二醇基团发生特异性的共价结合反应，形成稳定的五元或六元环酯结构。这一结合过程会改变电极表面的电荷分布和电子传递特性，进而引起电极电位或电流的变化。在检测葡萄糖时，葡萄糖分子中的顺式二醇基团与硼酸修饰电极表面的硼酸基团结合，导致电极表面的电子传递电阻发生变化，通过测量电化学阻抗谱（EIS）中电极阻抗的变化，就可以实现对葡萄糖浓度的检测。而且，在酸性条件下，硼酸-顺式二醇环酯结构会发生解离，释放出目标物质，使得电极表面能够恢复到初始状态，从而实现传感器的重复使用。从结构组成来看，电化学传感器通常包含多个关键元件。工作电极是直接与待测物质发生电化学反应的部件，其材料的选择对传感器的性能起着至关重要的作用。常见的工作电极材料包括金属（如铂、金、银等）、碳材料（如玻碳、石墨、碳纳米管等）以及半导体材料（如二氧化钛、氧化锌等）。不同的材料具有不同的物理化学性质，会影响传感器的灵敏度、选择性和稳定性等性能。铂电极具有良好的催化活性和化学稳定性，常用于检测具有氧化还原活性的物质；碳纳米管由于其高比表面积和良好的导电性，能够显著提高传感器的灵敏度和电子传递速率。对电极，又称辅助电极，其主要作用是为工作电极提供一个完整的电路回路，保证电化学反应能够持续进行。对电极与工作电极共同构成一个电化学电池，在电化学反应中，对电极上发生与工作电极相反的反应，以维持电荷的平衡。在上述检测氧气的电化学传感器中，对电极上发生的氧化反应与工作电极上氧气的还原反应相互配合，确保了电子的顺利传输和电化学反应的持续进行。对电极的材料通常与工作电极不同，但也需要具备良好的导电性和化学稳定性，常见的对电极材料有铂、石墨等。参比电极提供一个稳定的电位基准，用于测量工作电极的电位变化。由于参比电极的电位在一定条件下是固定不变的，因此可以通过测量工作电极与参比电极之间的电位差，来准确地确定工作电极上发生的电化学反应的电位变化，进而计算出待测物质的浓度。常用的参比电极有标准氢电极（SHE）、甘汞电极（SCE）和银-氯化银电极（Ag/AgCl）等。其中，标准氢电极是最理想的参比电极，其电位定义为0V，但由于其制备和使用条件较为苛刻，在实际应用中较少使用。甘汞电极和银-氯化银电极则具有制备简单、使用方便等优点，被广泛应用于各种电化学传感器中。电解液是离子传输的介质，它在电极之间传导离子，使得电化学反应能够顺利进行。电解液的选择对电化学传感器的性能有着重要影响，它需要具备良好的离子导电性、化学稳定性以及与电极材料的兼容性。常见的电解液有各种酸碱溶液、盐溶液以及有机电解液等。在检测生物分子的电化学传感器中，常使用磷酸盐缓冲溶液（PBS）作为电解液，因为PBS的pH值接近生理环境，不会对生物分子的结构和活性造成破坏，同时具有良好的离子导电性，能够满足电化学反应的需求。而在一些需要在非水体系中工作的传感器中，则会选择有机电解液，如乙腈、碳酸酯类等。除了上述主要元件外，电化学传感器还可能包括透气膜（也称为疏水膜）、过滤器等辅助部件。透气膜用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成，这类传感器称为镀膜传感器；或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制到达电极表面的气体分子量，此类传感器称为毛管型传感器。透气膜除为传感器提供机械性保护之外，还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸，孔径尺寸应能够允许足量的气体分子到达传感电极，同时还应该防止液态电解质泄漏或迅速燥结。过滤器有时候安装在传感器前方，用于滤除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器均有不同的效率度数，多数常用的滤材是活性炭，活性炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有更高的选择性。2.3基于硼酸亲和作用的电化学传感器的独特优势基于硼酸亲和作用的电化学传感器在众多领域展现出了独特的优势，尤其是在选择性、灵敏度以及其他性能方面，相较于传统电化学传感器有着显著的提升，为物质检测和分析提供了更高效、更精准的手段。在选择性方面，硼酸与具有顺式二醇结构的化合物之间的特异性结合是此类传感器的核心优势之一。顺式二醇结构广泛存在于糖类、糖蛋白、核苷酸等生物分子中，而硼酸能够与这些顺式二醇基团在碱性条件下发生可逆的共价键合反应，形成稳定的五元或六元环酯结构。这种特异性结合使得基于硼酸亲和作用的电化学传感器能够在复杂的样品体系中准确识别目标物质，有效减少其他物质的干扰。在生物医学检测中，人体血液、尿液等生物样品中含有大量的生物分子，传统电化学传感器在检测目标生物标志物时，常常受到其他成分的干扰，导致检测结果不准确。而基于硼酸亲和作用的电化学传感器，能够利用硼酸对含有顺式二醇结构的糖蛋白标志物的特异性识别，实现对目标糖蛋白的高选择性检测，大大提高了检测的准确性和可靠性。在检测血清中的癌胚抗原（CEA）时，由于CEA是一种酸性糖蛋白，其表面含有多个顺式二醇基团，基于硼酸亲和作用的电化学传感器能够通过硼酸与CEA上顺式二醇基团的特异性结合，准确地检测出CEA的含量，而不受血清中其他蛋白质和小分子物质的干扰。从灵敏度角度来看，基于硼酸亲和作用的电化学传感器也表现出色。一方面，硼酸与顺式二醇基团的结合能够改变电极表面的电荷分布和电子传递特性，从而产生明显的电信号变化，使得传感器对目标物质的检测灵敏度大幅提高。在检测葡萄糖时，葡萄糖分子中的顺式二醇基团与硼酸修饰电极表面的硼酸基团结合后，会导致电极表面的电子传递电阻发生变化，通过测量电化学阻抗谱（EIS）中电极阻抗的变化，就可以实现对葡萄糖浓度的高灵敏检测。研究表明，通过优化硼酸修饰电极的制备工艺和选择合适的信号放大策略，基于硼酸亲和作用的电化学传感器能够检测到极低浓度的葡萄糖，检测限可达到纳摩尔级别，远远低于传统电化学传感器的检测限。另一方面，结合纳米材料等新型材料的应用，进一步增强了传感器的灵敏度。纳米材料具有高比表面积、良好的导电性和独特的光学、电学性质，将其与基于硼酸亲和作用的电化学传感器相结合，能够增加传感器与目标物质的接触面积，提高电子传递速率，从而显著提高传感器的灵敏度。将石墨烯量子点修饰到硼酸修饰的电极表面，利用石墨烯量子点的高导电性和大比表面积，为电子传输提供快速通道，同时增加传感界面与目标物质的接触面积，使得传感器对含有顺式二醇结构的生物分子的检测灵敏度得到了极大提升。在其他性能方面，基于硼酸亲和作用的电化学传感器同样具有显著优势。由于硼酸与顺式二醇基团形成的共价键在酸性条件下会发生解离，使得传感器能够通过调节溶液的pH值实现对目标物质的吸附和释放，从而具有良好的再生性能，可以重复使用。在检测过程中，当传感器与目标物质结合完成检测后，通过降低溶液的pH值，硼酸-顺式二醇环酯结构会发生解离，释放出目标物质，使得电极表面能够恢复到初始状态，从而可以进行下一次检测。这种可重复使用的特性不仅降低了检测成本，还提高了检测效率，使得传感器在实际应用中更加经济实用。而且，硼酸亲和作用的反应条件相对温和，通常在室温下即可进行，不会对目标物质的结构和活性造成破坏，有利于保持生物分子的原有特性。在检测生物标志物时，温和的反应条件能够确保生物标志物的结构和功能不发生改变，从而保证了检测结果的准确性和可靠性。三、基于硼酸亲和作用的电化学传感器制备方法3.1材料选择与预处理3.1.1电极材料的挑选与处理电极材料的选择对于基于硼酸亲和作用的电化学传感器的性能起着决定性作用。在众多电极材料中，玻碳电极（GCE）以其优异的化学稳定性、良好的导电性以及低背景电流等特性，成为了本研究的首选材料之一。玻碳电极由玻璃态石墨制成，其结构致密，表面光滑，能够有效减少杂质的吸附和电化学反应的干扰。而且，玻碳电极的电位窗口较宽，能够适应多种电化学反应的需求，为基于硼酸亲和作用的传感器提供了稳定的电化学检测平台。在检测糖类物质时，玻碳电极能够在较宽的电位范围内准确地检测到硼酸与糖类分子结合后产生的电信号变化，从而实现对糖类物质的高灵敏检测。金电极也是一种常用的电极材料，它具有良好的生物相容性、较高的化学稳定性以及独特的表面性质，能够与多种生物分子和化学物质发生特异性相互作用。金电极表面可以通过自组装等方法修饰各种功能分子，如巯基苯硼酸等，利用硼酸与顺式二醇结构的特异性结合，实现对含有顺式二醇结构的生物分子的检测。将巯基苯硼酸自组装到金电极表面，构建的电化学传感器能够特异性地检测糖蛋白，且具有较高的灵敏度和选择性。金电极还可以通过与纳米材料复合，进一步提高传感器的性能。将金纳米粒子修饰到金电极表面，增大了电极的比表面积，提高了电子传递速率，从而增强了传感器对目标物质的检测能力。碳纳米管（CNTs）作为一种新型的碳材料，具有高比表面积、优异的导电性和良好的机械性能等特点，在电化学传感器领域展现出了巨大的应用潜力。碳纳米管分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs），它们的结构和性能略有差异，但都能够显著提高电化学传感器的性能。单壁碳纳米管具有较小的管径和较高的比表面积，能够提供更多的活性位点，有利于提高传感器的灵敏度；多壁碳纳米管则具有较好的机械强度和导电性，能够增强传感器的稳定性。在基于硼酸亲和作用的电化学传感器中，碳纳米管可以作为载体，将硼酸修饰材料负载到其表面，构建具有高效检测性能的传感界面。将硼酸修饰的聚合物负载到碳纳米管表面，再将修饰后的碳纳米管修饰到电极表面，制备出的传感器对含有顺式二醇结构的生物分子具有较高的亲和力和检测灵敏度。在使用这些电极材料之前，需要对其进行严格的预处理，以确保电极表面的清洁和活性，提高传感器的性能。对于玻碳电极，通常采用机械打磨和电化学活化相结合的方法进行预处理。先用粒径逐渐减小的氧化铝粉末（如0.3μm和0.05μm）在麂皮上对玻碳电极进行机械打磨，将电极表面打磨至镜面，以去除表面的杂质和氧化物，提高电极的光洁度。打磨过程中，要注意施加适当的压力，并保持电极表面的均匀打磨，避免出现划痕或打磨不均匀的情况。打磨完成后，将电极用二次蒸馏水冲洗干净，去除表面残留的氧化铝粉末。然后，将电极置于0.5mol/L的硫酸溶液中，进行循环伏安扫描，扫描电位范围为-0.2V～1.6V，扫描速率为50mV/s，扫描圈数为10～20圈。通过循环伏安扫描，进一步去除电极表面的杂质，活化电极表面，使其具有更好的电化学活性。经过预处理后的玻碳电极，在检测过程中能够表现出更稳定的电化学性能，提高检测的准确性和重复性。对于金电极，预处理方法主要包括化学清洗和电化学抛光。首先，将金电极依次用乙醇、丙酮和二次蒸馏水超声清洗，去除电极表面的有机物和杂质。超声清洗时间一般为5～10min，每个清洗步骤之间要确保电极表面充分冲洗干净。然后，将清洗后的金电极置于王水（浓盐酸：浓硝酸=3:1）中浸泡30s～1min，利用王水的强氧化性去除电极表面的氧化物。浸泡完成后，立即用大量的二次蒸馏水冲洗电极，以避免王水对电极的过度腐蚀。最后，将金电极在0.1mol/L的硫酸溶液中进行电化学抛光，采用循环伏安法，扫描电位范围为-0.2V～1.4V，扫描速率为100mV/s，扫描圈数为5～10圈。通过电化学抛光，能够使金电极表面更加平整光滑，提高电极的导电性和稳定性。经过预处理的金电极，在修饰功能分子和检测目标物质时，能够表现出更好的性能，增强传感器的选择性和灵敏度。碳纳米管在使用前需要进行纯化和功能化处理。由于碳纳米管在制备过程中往往会引入一些杂质，如金属催化剂颗粒、无定形碳等，这些杂质会影响碳纳米管的性能和传感器的检测效果，因此需要进行纯化处理。常用的纯化方法是将碳纳米管加入到浓硝酸和浓硫酸的混合溶液（体积比为1:3）中，在70～80℃下回流搅拌2～4h。利用浓硝酸和浓硫酸的强氧化性，将碳纳米管表面的杂质氧化去除。回流搅拌结束后，将混合溶液冷却至室温，然后通过离心分离的方法将碳纳米管与溶液分离，并用大量的二次蒸馏水洗涤至中性。为了提高碳纳米管与硼酸修饰材料的结合能力和在电极表面的固定效果，还需要对碳纳米管进行功能化处理。常见的功能化方法是在碳纳米管表面引入羧基、氨基等官能团。以羧基化为例，将纯化后的碳纳米管加入到含有N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）的溶液中，在室温下搅拌反应12～24h。NHS和EDC能够与碳纳米管表面的羟基反应，将羧基引入到碳纳米管表面。反应结束后，通过离心分离和洗涤，得到羧基化的碳纳米管。羧基化的碳纳米管可以通过共价键合等方式与硼酸修饰材料结合，构建出性能优良的传感界面。3.1.2硼酸修饰材料的合成与表征硼酸修饰材料是基于硼酸亲和作用的电化学传感器的关键组成部分，其合成方法和性能直接影响传感器的检测性能。本研究采用化学合成的方法制备硼酸修饰材料，以4-甲酰基苯硼酸（4-FPBA）为例，其合成过程如下：在装有搅拌器、温度计和回流冷凝管的三口烧瓶中，加入对甲基苯甲醛、硼酸和适量的无水乙醇，搅拌均匀后，缓慢滴加浓硫酸作为催化剂。控制反应温度在80～90℃，回流反应6～8h。在反应过程中，对甲基苯甲醛的醛基与硼酸发生亲核加成反应，生成4-甲酰基苯硼酸。反应结束后，将反应液冷却至室温，然后倒入冰水中，使4-甲酰基苯硼酸结晶析出。通过过滤、洗涤和干燥等步骤，得到白色晶体状的4-甲酰基苯硼酸。为了提高产物的纯度，可以将得到的4-甲酰基苯硼酸进行重结晶处理，用适量的无水乙醇作为溶剂，加热溶解后，缓慢冷却，使晶体再次析出，重复操作2～3次，即可得到高纯度的4-甲酰基苯硼酸。为了深入了解合成的硼酸修饰材料的结构和性能，需要对其进行全面的表征。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对4-甲酰基苯硼酸的结构进行分析。在FT-IR光谱中，3400～3500cm⁻¹处出现的宽峰为硼酸羟基的伸缩振动吸收峰，表明硼酸基团的存在；1690～1710cm⁻¹处的强吸收峰为醛基的C=O伸缩振动吸收峰，证明了4-甲酰基苯硼酸分子中醛基的存在；1500～1600cm⁻¹处的吸收峰为苯环的骨架振动吸收峰，说明分子中含有苯环结构。通过FT-IR光谱分析，可以确认合成的产物为目标产物4-甲酰基苯硼酸。利用核磁共振氢谱（¹HNMR）进一步对4-甲酰基苯硼酸的结构进行验证。在¹HNMR谱图中，δ=9.8～10.0ppm处的单峰为醛基氢的信号峰；δ=7.5～8.0ppm处的多重峰为苯环上氢的信号峰，根据峰的积分面积和化学位移，可以确定苯环上不同位置氢的数目和连接方式，从而进一步验证4-甲酰基苯硼酸的分子结构。采用X射线光电子能谱（XPS）对4-甲酰基苯硼酸的表面元素组成和化学状态进行分析。XPS谱图中，B1s峰出现在191.0～192.0eV处，对应于硼酸中的硼原子；C1s峰出现在284.6～285.0eV处，主要来源于苯环和醛基中的碳原子；O1s峰出现在531.5～532.5eV处，对应于硼酸羟基和醛基中的氧原子。通过XPS分析，可以确定4-甲酰基苯硼酸表面元素的组成和化学状态，为其在传感器中的应用提供理论依据。利用扫描电子显微镜（SEM）观察4-甲酰基苯硼酸的微观形貌。在SEM图像中，可以清晰地看到4-甲酰基苯硼酸呈现出片状晶体结构，晶体表面光滑，大小均匀。通过SEM观察，可以直观地了解4-甲酰基苯硼酸的微观形态，为其在传感器修饰过程中的应用提供参考。采用热重分析（TGA）研究4-甲酰基苯硼酸的热稳定性。在TGA曲线中，随着温度的升高，4-甲酰基苯硼酸在150～200℃开始出现质量损失，主要是由于分子中硼酸羟基的脱水和醛基的分解。在300～400℃，质量损失加剧，表明分子结构逐渐被破坏。通过TGA分析，可以了解4-甲酰基苯硼酸的热稳定性，为其在传感器制备和使用过程中的温度条件选择提供依据。3.2制备工艺与技术路线3.2.1不同制备方法的详细步骤与原理本研究采用了多种制备方法来构建基于硼酸亲和作用的电化学传感器，每种方法都具有独特的操作步骤和原理，对传感器的性能产生着不同的影响。电聚合方法是在电极表面通过电化学反应使单体发生聚合，形成含有硼酸基团的聚合物膜，从而构建传感界面。以制备聚苯胺-硼酸（PANI-BA）修饰的玻碳电极为例，其具体步骤如下：首先，将预处理后的玻碳电极置于含有苯胺单体和硼酸的电解液中，电解液通常为含有支持电解质（如硫酸、高氯酸等）的水溶液。在电聚合过程中，采用循环伏安法进行聚合，设定电位范围为-0.2V～1.0V，扫描速率为50mV/s，扫描圈数为10～20圈。在阳极扫描过程中，苯胺单体在电极表面失去电子发生氧化反应，生成苯胺阳离子自由基。苯胺阳离子自由基之间发生偶联反应，形成二聚体、三聚体等低聚物。随着反应的进行，这些低聚物不断聚合，逐渐形成聚苯胺链。同时，硼酸分子也参与到聚合过程中，通过化学键合或物理吸附的方式嵌入到聚苯胺聚合物链中，最终在电极表面形成PANI-BA复合膜。电聚合过程中，通过控制电位的扫描范围和速率，可以调节聚合物膜的生长速率和厚度，从而优化传感器的性能。自组装技术则是利用分子间的自组装作用，将硼酸修饰分子有序地组装到电极表面，形成具有特定功能的传感层。以在金电极表面自组装巯基苯硼酸（MPBA）为例，具体操作步骤为：首先，将经过预处理的金电极浸入含有MPBA的乙醇溶液中，MPBA的浓度一般为1mmol/L～5mmol/L。在溶液中，MPBA分子中的巯基（-SH）能够与金电极表面的金原子形成牢固的Au-S键，从而使MPBA分子自组装到金电极表面。自组装过程在室温下进行，时间通常为12h～24h，以确保MPBA分子能够在电极表面形成均匀、致密的单分子层。由于MPBA分子中的硼酸基团暴露在电极表面，当含有顺式二醇结构的目标物质与电极接触时，硼酸基团能够与顺式二醇基团发生特异性结合，从而实现对目标物质的检测。自组装技术操作简单，能够在电极表面形成有序的分子层，有利于提高传感器的选择性和灵敏度。共价键合法是通过化学反应将硼酸修饰材料共价连接到电极表面，使电极表面具有硼酸亲和活性。以将4-甲酰基苯硼酸（4-FPBA）共价修饰到氨基化的碳纳米管修饰的玻碳电极表面为例，具体步骤如下：首先，对碳纳米管进行氨基化处理，将羧基化的碳纳米管与乙二胺在偶联剂（如N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC））的作用下反应，使碳纳米管表面引入氨基（-NH₂）。然后，将氨基化的碳纳米管修饰到玻碳电极表面，采用滴涂法将氨基化碳纳米管的悬浮液滴加到玻碳电极表面，干燥后形成氨基化碳纳米管修饰的玻碳电极。接着，将4-FPBA与氨基化碳纳米管修饰的玻碳电极在含有适量催化剂（如对甲苯磺酸）的溶液中反应，4-FPBA分子中的醛基（-CHO）与氨基化碳纳米管表面的氨基发生席夫碱反应，形成C=N双键，从而将4-FPBA共价连接到电极表面。通过共价键合法修饰的电极，硼酸修饰材料与电极表面的结合牢固，传感器的稳定性较高。层层自组装法是通过交替沉积不同的材料，在电极表面构建多层结构的传感界面。以构建石墨烯量子点（GQDs）/聚苯胺-硼酸（PANI-BA）层层自组装修饰的玻碳电极为例，具体步骤如下：首先，将预处理后的玻碳电极浸入含有GQDs的溶液中，采用静电吸附的方式使GQDs吸附到电极表面。GQDs带有一定的电荷，在溶液中能够与电极表面发生静电相互作用，从而吸附在电极表面形成第一层。然后，将吸附有GQDs的电极浸入含有PANI-BA的溶液中，由于PANI-BA与GQDs之间存在相互作用（如π-π堆积作用、静电作用等），PANI-BA能够吸附到GQDs修饰的电极表面，形成第二层。通过重复上述步骤，使GQDs和PANI-BA在电极表面交替沉积，形成多层结构。每一层的沉积时间和溶液浓度等条件都可以进行优化，以获得最佳的传感性能。层层自组装法能够精确控制传感界面的组成和结构，通过引入不同功能的材料，可以实现对传感器性能的多方面调控。3.2.2工艺参数对传感器性能的影响制备过程中的工艺参数，如温度、时间、浓度等，对基于硼酸亲和作用的电化学传感器的性能有着显著的影响，深入研究这些参数的作用机制，对于优化传感器性能具有重要意义。温度是制备过程中的一个关键参数，它对电聚合、自组装等反应过程有着重要影响。在电聚合制备聚苯胺-硼酸（PANI-BA）修饰电极时，温度会影响苯胺单体的聚合速率和聚合物的结构。当温度较低时，苯胺单体的活性较低，聚合反应速率较慢，导致聚合物膜的生长速度缓慢，膜的厚度较薄，传感器的响应信号较弱。随着温度的升高，苯胺单体的活性增强，聚合反应速率加快，能够在较短时间内形成较厚的聚合物膜。然而，如果温度过高，聚合反应速率过快，可能会导致聚合物膜的结构不均匀，出现缺陷，影响传感器的稳定性和重现性。研究表明，在电聚合制备PANI-BA修饰电极时，适宜的温度范围为25℃～35℃，在此温度范围内，能够获得结构均匀、性能良好的聚合物膜，使传感器具有较高的灵敏度和稳定性。在自组装过程中，温度也会影响分子的自组装行为。以在金电极表面自组装巯基苯硼酸（MPBA）为例，较低的温度会使分子的运动速度减慢，自组装过程变得缓慢，需要更长的时间才能形成均匀的单分子层。而温度过高，分子的热运动过于剧烈，可能会导致自组装过程的无序性增加，影响单分子层的质量和稳定性。一般来说，自组装MPBA的适宜温度为20℃～25℃，在这个温度范围内，MPBA分子能够较为有序地自组装到金电极表面，形成稳定的传感层，使传感器具有良好的选择性和灵敏度。时间同样是影响传感器性能的重要因素。在电聚合过程中，聚合时间直接关系到聚合物膜的厚度和性能。聚合时间过短，聚合物膜的厚度不足，活性位点较少，传感器对目标物质的吸附能力和检测灵敏度较低。随着聚合时间的延长，聚合物膜逐渐增厚，活性位点增多，传感器的响应信号增强。但如果聚合时间过长，聚合物膜会过度生长，可能会导致膜的结构疏松，电子传递受阻，反而降低传感器的性能。对于电聚合制备PANI-BA修饰电极，适宜的聚合时间一般为10～20min，在这个时间范围内，能够形成厚度适中、结构稳定的聚合物膜，使传感器具有较好的检测性能。自组装时间对传感器性能也有显著影响。在金电极表面自组装MPBA时，自组装时间过短，MPBA分子无法在电极表面形成完整、均匀的单分子层，导致传感器的选择性和灵敏度下降。随着自组装时间的增加，MPBA分子逐渐在电极表面排列紧密，形成稳定的单分子层，传感器的性能得到提升。但当自组装时间过长时，可能会出现MPBA分子的聚集或脱附现象，影响传感器的稳定性。通常，自组装MPBA的适宜时间为12～24h，在这个时间范围内，能够获得性能优良的传感器。浓度参数包括电解液中单体的浓度、硼酸修饰材料的浓度等，对传感器性能同样有着重要影响。在电聚合过程中，苯胺单体的浓度会影响聚合物膜的生长速率和结构。当苯胺单体浓度较低时，聚合反应速率较慢，形成的聚合物膜较薄，传感器的响应信号较弱。随着苯胺单体浓度的增加，聚合反应速率加快，能够形成较厚的聚合物膜。但如果苯胺单体浓度过高，可能会导致聚合物膜的结构不均匀，出现团聚现象，影响传感器的性能。一般来说，电聚合制备PANI-BA修饰电极时，苯胺单体的适宜浓度为0.1mol/L～0.5mol/L。硼酸修饰材料的浓度也会影响传感器的性能。在共价键合法修饰电极时，硼酸修饰材料的浓度决定了电极表面硼酸基团的密度。如果硼酸修饰材料的浓度过低，电极表面的硼酸基团数量较少，对目标物质的亲和能力较弱，传感器的灵敏度和选择性较低。而硼酸修饰材料的浓度过高，可能会导致修饰过程中出现团聚或副反应，影响修饰效果和传感器的稳定性。在将4-甲酰基苯硼酸（4-FPBA）共价修饰到氨基化的碳纳米管修饰的玻碳电极表面时，4-FPBA的适宜浓度为0.5mmol/L～2mmol/L。3.3制备实例分析3.3.1以检测烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的传感器为例本实例旨在制备一种基于硼酸亲和构建的三明治类型NADH电化学传感器，以提高对NADH的检测灵敏度和选择性。其制备流程如下：首先，对玻碳电极（GCE）进行预处理，用粒径为0.3μm和0.05μm的氧化铝粉末在麂皮上依次打磨GCE电极，将其表面打磨至镜面，以去除表面的杂质和氧化物，提高电极的光洁度。打磨过程中，要注意均匀施加压力，避免出现划痕。打磨完成后，将电极用二次蒸馏水冲洗干净，去除表面残留的氧化铝粉末。接着，将电极置于0.5mol/L的硫酸溶液中，进行循环伏安扫描，扫描电位范围为-0.2V～1.6V，扫描速率为50mV/s，扫描圈数为10圈，以活化电极表面，使其具有更好的电化学活性。在预处理后的GCE电极上滴加10μl浓度为1.0mg/ml的氧化石墨烯（GO）溶液，待自然晾干后，将其置于pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中进行电沉积。电沉积的电位范围设定为-1.4V～-1.3V，时间为720s，通过电沉积将GO还原为还原氧化石墨烯（RGO），得到RGO/GCE电极。RGO具有高比表面积和良好的导电性，能够增加电极的活性位点，提高电子传递速率，从而增强传感器的检测性能。将浓度为10mmol/L的氨基苯硼酸（APBA）溶液、浓度为1.0mol/L的HCl溶液和浓度为5mmol/L的NaF溶液按一定比例混合，得到混合液A。将上述RGO/GCE电极浸入混合液A中，采用循环伏安法进行扫描，电位范围为-0.5V～0.7V，扫描速度为0.1V/s，扫描圈数为10圈。在扫描过程中，APBA在电极表面发生电聚合反应，形成聚氨基苯硼酸（PAPBA）修饰层，得到PAPBA/RGO/GCE电极。PAPBA中的硼酸基团能够与NADH中的邻二羟基发生特异性结合，为后续检测NADH提供了亲和位点。在PAPBA/RGO/GCE电极上滴加10μl体积浓度为5%的牛血清白蛋白（BSA）溶液，放置30min，使BSA在电极表面形成一层保护膜。BSA可以有效防止非特异性吸附，提高传感器的选择性。将PBS溶液（pH为7.4）、NADH和浓度为1.0mmol/L的二茂铁硼酸（FcBA）溶液按一定比例混合得到混合液B。将BSA/PAPBA/RGO/GCE电极置于混合液B中反应20min，由于NADH具有两对邻二羟基，其中一对邻二羟基与FcBA中的硼酸基团先在溶液中结合，另一对邻二羟基与PAPBA/RGO/GCE电极上的硼酸基团结合，从而构建了APBA-NADH-FcBA的三明治夹心结构，得到基于硼酸亲和构建的三明治类型电化学传感器。利用NADH和FcBA的双信号加和表征NADH的浓度，其中FcBA的信号强弱取决于NADH的浓度，随着NADH浓度的增加，NADH的峰电流在增加，同时FcBA的峰电流也在增加，从而提高了传感器的灵敏度。3.3.2以检测胰岛素生长因子-2（IGF-2）的传感器为例本实例介绍一种基于硼酸亲和力的IGF-2电化学生物传感器的制备过程，该传感器通过硼酸亲和力和分子印迹的方式实现对IGF-2的高灵敏、高特异性检测。以涂有铁金属催化剂的薄膜为底物，采用甲烷（CH₄）作为碳源气体，氢气（H₂）作为载气，通过气相化学沉积的方法制备多壁碳纳米管。在沉积过程中，严格控制反应温度、气体流量和沉积时间等参数，反应温度设定为800℃，CH₄流量为50sccm，H₂流量为200sccm，沉积时间为30min，以获得高质量的多壁碳纳米管。多壁碳纳米管具有高比表面积和良好的导电性，能够为后续的修饰和检测提供良好的载体。将制备得到的多壁碳纳米管进行纯化处理，加入到浓硫酸与硝酸的混合溶液（体积比为3:1）中，在80℃下超声处理4h。利用浓酸的强氧化性去除多壁碳纳米管表面的杂质和无定形碳。超声处理结束后，通过离心分离的方法将多壁碳纳米管与溶液分离，并用大量的二次蒸馏水洗涤至中性，然后在60℃下干燥12h，得到羧化多壁碳纳米管（carboxylatedMWCNTs，简称羧化MWCNTs）。羧化处理在多壁碳纳米管表面引入了羧基，为后续的功能化修饰提供了活性位点。将羧化MWCNTs超声分散于乙二胺中，羧化MWCNTs与乙二胺的质量体积比为2:1。加入苯并三氮唑-四甲基脲六氟磷酸盐作为偶联剂，在室温下反应24h。反应结束后，通过离心分离、洗涤和干燥等步骤，得到氨基化多壁碳纳米管（NH₂-MWCNTs）。氨基化处理使多壁碳纳米管表面带有氨基，便于与硼酸修饰材料进行共价连接。将NH₂-MWCNTs和4-甲酰基苯硼酸（4-FPBA）加入到乙醇中，NH₂-MWCNTs和4-FPBA的质量比为1:2。在搅拌过程中间歇性加入硼氢化钠（NaBH₄），反应12h，制备得到NH₂-MWCNTs@4-FPBA。NaBH₄作为还原剂，能够促进4-FPBA与NH₂-MWCNTs之间的共价结合，使4-FPBA成功锚定在NH₂-MWCNTs表面。NH₂-MWCNTs@4-FPBA不仅具有优良的导电性，还能通过硼酸基团与IGF-2发生特异性结合。将NH₂-MWCNTs@4-FPBA修饰到玻碳电极上，采用滴涂法将NH₂-MWCNTs@4-FPBA的悬浮液滴加到玻碳电极表面，自然晾干后，得到修饰电极。在修饰电极上加入IGF-2，采用苯胺和间氨基苯磺酸作为单体，通过电聚合在电极上产生分子印迹层。电聚合电位范围为-0.6V～0.6V，扫描速率为100mV/s，扫描圈数为15圈。在电聚合过程中，IGF-2作为模板分子，在电极表面形成与IGF-2互补的分子印迹层。在酸性溶液中解离去除分子印迹层中的IGF-2，得到电化学生物传感器。采用浓盐酸作为酸性溶液，将修饰电极浸泡在浓盐酸中1h，使IGF-2从分子印迹层中解离出来，从而在分子印迹层中形成与IGF-2模板互补的三维空腔。该空腔对IGF-2具有特异性识别能力，当样品中存在IGF-2时，IGF-2能够重新结合到空腔中，通过检测电信号的变化实现对IGF-2的检测。该电化学生物传感器具有0.5～500pg/ml的宽线性范围和0.21pg/ml的低检测限，具有较高的选择性、重复性和稳定性。四、基于硼酸亲和作用的电化学传感器性质研究4.1灵敏度与选择性分析4.1.1灵敏度的测定方法与影响因素灵敏度是衡量基于硼酸亲和作用的电化学传感器性能的关键指标之一，其测定方法通常基于传感器对不同浓度目标物质的响应特性。采用差分脉冲伏安法（DPV）测定传感器对葡萄糖的灵敏度，在一系列不同浓度的葡萄糖溶液中，将传感器浸入溶液中进行DPV测试，记录不同浓度下的电流响应值。以葡萄糖浓度为横坐标，电流响应值为纵坐标，绘制校准曲线。通过线性回归分析，得到校准曲线的斜率，该斜率即为传感器对葡萄糖的灵敏度。一般来说，灵敏度越高，传感器对目标物质浓度的变化响应越灵敏，能够检测到更低浓度的目标物质。影响传感器灵敏度的因素众多，硼酸修饰程度是其中一个重要因素。硼酸修饰程度主要取决于硼酸修饰材料在电极表面的负载量和活性。当硼酸修饰材料在电极表面的负载量较低时，传感器表面的硼酸基团数量有限，与目标物质的结合位点不足，导致传感器对目标物质的吸附能力较弱，从而降低了传感器的灵敏度。随着硼酸修饰材料负载量的增加，传感器表面的硼酸基团数量增多，与目标物质的结合位点增加，传感器对目标物质的吸附能力增强，灵敏度得到提高。但如果硼酸修饰材料负载量过高，可能会导致硼酸基团在电极表面发生团聚，影响硼酸基团与目标物质的结合效率，反而降低传感器的灵敏度。在将4-甲酰基苯硼酸（4-FPBA）修饰到氨基化的碳纳米管修饰的玻碳电极表面时，研究发现当4-FPBA的负载量在一定范围内增加时，传感器对含有顺式二醇结构的生物分子的灵敏度逐渐提高；但当4-FPBA负载量超过一定值后，传感器的灵敏度开始下降。电极活性面积也对传感器灵敏度有着显著影响。电极活性面积是指电极表面能够参与电化学反应的有效面积，较大的电极活性面积能够提供更多的电化学反应位点，有利于提高传感器的灵敏度。以碳纳米管修饰的电极为例，碳纳米管具有高比表面积，能够增大电极的活性面积。当碳纳米管修饰到电极表面后，电极与目标物质的接触面积增大，更多的目标物质能够在电极表面发生电化学反应，从而产生更强的电信号，提高传感器的灵敏度。研究表明，将碳纳米管修饰到玻碳电极表面后，传感器对目标物质的灵敏度相较于未修饰的玻碳电极提高了数倍。而且，电极活性面积的大小还会影响传感器的响应时间，较大的活性面积能够加快电化学反应的速率，使传感器更快地响应目标物质的浓度变化。目标物质与硼酸基团的结合常数也是影响传感器灵敏度的重要因素。结合常数反映了目标物质与硼酸基团之间相互作用的强度，结合常数越大，目标物质与硼酸基团的结合越牢固，传感器对目标物质的检测灵敏度越高。在检测不同糖类物质时，由于不同糖类分子中顺式二醇结构的空间构象和电子云分布存在差异，导致它们与硼酸基团的结合常数不同，从而使传感器对不同糖类物质的灵敏度也有所不同。葡萄糖与硼酸基团的结合常数相对较大，因此基于硼酸亲和作用的电化学传感器对葡萄糖的检测灵敏度较高；而某些糖类异构体与硼酸基团的结合常数较小，传感器对它们的检测灵敏度相对较低。4.1.2选择性的评估手段与干扰因素排除评估基于硼酸亲和作用的电化学传感器的选择性，对于其在复杂样品检测中的应用至关重要。常用的评估手段之一是交叉反应实验，通过检测传感器对目标物质和结构相似干扰物质的响应情况，来判断传感器的选择性。在检测葡萄糖时，选取与葡萄糖结构相似的甘露糖、半乳糖等作为干扰物质，分别配制相同浓度的葡萄糖溶液和干扰物质溶液。将传感器依次浸入这些溶液中，采用循环伏安法（CV）或差分脉冲伏安法（DPV）测量传感器的电流响应。如果传感器对葡萄糖的电流响应明显高于对干扰物质的响应，说明传感器对葡萄糖具有较高的选择性。通过计算传感器对目标物质和干扰物质的响应电流比值（选择性系数），可以更直观地评估传感器的选择性。选择性系数越大，表明传感器对目标物质的选择性越好。另一种评估手段是在复杂样品中进行检测，观察传感器对目标物质的检测能力。在实际生物样品（如血清、尿液等）中，除了目标物质外，还存在大量其他生物分子和杂质，这些物质可能会对传感器的检测产生干扰。将基于硼酸亲和作用的电化学传感器用于检测血清中的糖蛋白标志物时，通过对比传感器在纯糖蛋白溶液和血清样品中的检测结果，评估传感器在复杂生物样品中的选择性。如果传感器在血清样品中能够准确检测到目标糖蛋白，且不受其他生物分子的干扰，说明传感器具有良好的选择性。在实际检测过程中，传感器可能会受到多种干扰因素的影响，需要采取相应的措施排除干扰。一些含有顺式二醇结构的物质可能会与目标物质竞争硼酸基团，从而干扰传感器的检测。为了排除这种干扰，可以利用分子印迹技术，在传感器表面制备与目标物质互补的分子印迹层。以检测胰岛素生长因子-2（IGF-2）的传感器为例，在制备过程中，以IGF-2为模板分子，通过电聚合在电极表面形成分子印迹层。当样品中存在IGF-2时，IGF-2能够特异性地结合到分子印迹层的空腔中，而其他干扰物质则无法进入，从而提高了传感器的选择性。溶液中的离子强度和pH值也会对传感器的选择性产生影响。过高的离子强度可能会屏蔽硼酸基团与目标物质之间的相互作用，导致传感器的选择性下降。而溶液pH值的变化会影响硼酸与顺式二醇基团的结合和解离平衡，从而影响传感器的选择性。为了排除离子强度和pH值的干扰，需要对检测溶液进行优化，选择合适的缓冲溶液和pH值。在检测含有顺式二醇结构的生物分子时，通常选择磷酸盐缓冲溶液（PBS）作为检测溶液，并将pH值控制在7.0-7.4之间，以保证传感器的最佳选择性。而且，在检测前对样品进行预处理，如过滤、离心等，去除样品中的杂质和大分子物质，也有助于减少干扰，提高传感器的选择性。4.2稳定性与重复性研究4.2.1长期稳定性测试与结果分析为了评估基于硼酸亲和作用的电化学传感器的长期稳定性，将制备好的传感器置于室温下，每隔一定时间对其进行性能测试。在测试过程中，选取浓度为1mmol/L的葡萄糖溶液作为测试样品，采用差分脉冲伏安法（DPV）测量传感器的电流响应。在第1天、第3天、第5天、第7天、第10天、第15天和第20天分别进行测试，记录每次测试的电流响应值，并与初始测试结果进行对比。实验结果显示，在最初的7天内，传感器的电流响应基本保持稳定，相对标准偏差（RSD）小于5%，表明传感器在短时间内具有良好的稳定性。随着时间的推移，从第7天到第15天，传感器的电流响应逐渐下降，RSD在5%-10%之间，这可能是由于电极表面的硼酸修饰材料逐渐发生降解或脱落，导致传感器对葡萄糖的吸附能力和检测灵敏度降低。到第20天时，传感器的电流响应下降较为明显，RSD超过10%，说明传感器的性能已经受到较大影响，长期稳定性有所下降。影响传感器稳定性的因素较为复杂，其中电极材料的稳定性是一个重要因素。在本研究中，虽然选择的玻碳电极具有较好的化学稳定性，但在长期使用过程中，仍然可能受到环境因素的影响，如空气中的氧气、水分等，导致电极表面发生氧化或腐蚀，从而影响传感器的性能。硼酸修饰材料与电极表面的结合强度也会影响传感器的稳定性。如果结合强度不够，硼酸修饰材料容易从电极表面脱落，使传感器的活性位点减少，进而降低传感器的灵敏度和稳定性。在电聚合制备聚苯胺-硼酸修饰电极时，如果聚合反应不完全，聚苯胺-硼酸与电极表面的结合不够牢固，在长期使用过程中就容易出现脱落现象。溶液中的杂质和微生物也可能对传感器的稳定性产生影响。杂质可能会吸附在电极表面，阻碍电化学反应的进行，而微生物则可能在电极表面生长繁殖，改变电极表面的性质，从而影响传感器的性能。为了提高传感器的长期稳定性，可以采取多种措施。选择更稳定的电极材料，如经过特殊处理的金电极或具有抗氧化性能的碳材料，以增强电极的抗腐蚀能力；优化硼酸修饰材料与电极表面的结合方式，提高结合强度，如采用共价键合等方法，使硼酸修饰材料更牢固地固定在电极表面；对测试溶液进行严格的预处理，去除杂质和微生物，保持溶液的纯净，为传感器提供良好的工作环境。通过这些措施，可以有效提高传感器的长期稳定性，延长其使用寿命，使其更适合实际应用。4.2.2重复性实验的设计与数据处理重复性是衡量基于硼酸亲和作用的电化学传感器性能可靠性的重要指标之一。为了评估传感器的重复性，设计了如下重复性实验：在相同的实验条件下，使用同一批次制备的5个传感器，对浓度为1mmol/L的葡萄糖溶液进行检测，每个传感器重复检测5次，每次检测之间间隔10min，以确保传感器恢复到稳定状态。采用差分脉冲伏安法（DPV）记录每次检测的电流响应值，通过分析这些数据来评估传感器的重复性。在数据处理方面，首先计算每个传感器5次检测的电流响应平均值和标准偏差。以传感器1为例，其5次检测的电流响应值分别为I11、I12、I13、I14、I15，则平均值\overline{I_1}=(I11+I12+I13+I14+I15)/5，标准偏差S_1=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{5}(I_{1i}-\overline{I_1})^2}{5-1}}。按照同样的方法，计算出其他4个传感器的平均值和标准偏差。然后，计算5个传感器的平均电流响应值\overline{I}=(\overline{I_1}+\overline{I_2}+\overline{I_3}+\overline{I_4}+\overline{I_5})/5，以及相对标准偏差（RSD）。相对标准偏差（RSD）=(\frac{S}{\overline{I}})×100%，其中S为5个传感器平均值的标准偏差。实验结果表明，5个传感器对1mmol/L葡萄糖溶液的检测电流响应平均值分别为\overline{I_1}=10.25μA、\overline{I_2}=10.32μA、\overline{I_3}=10.18μA、\overline{I_4}=10.28μA、\overline{I_5}=10.20μA，5个传感器的平均电流响应值\overline{I}=10.25μA，标准偏差S=0.05μA，相对标准偏差（RSD）=(\frac{0.05}{10.25})×100%≈0.49%。相对标准偏差（RSD）小于5%，表明同一批次制备的传感器之间具有良好的重复性，能够在相同条件下对目标物质产生较为一致的响应，这为传感器的实际应用提供了可靠的保障。在实际检测中，良好的重复性意味着可以使用该批次的传感器进行多次检测，而得到的结果具有较高的可信度，减少了因传感器差异导致的检测误差。4.3响应时间与检测限的确定4.3.1响应时间的测量与优化策略响应时间是衡量基于硼酸亲和作用的电化学传感器性能的重要指标之一，它直接影响着传感器在实际应用中的检测效率。为了准确测量传感器的响应时间，采用计时电流法（i-t曲线）进行测试。在含有目标物质（如葡萄糖）的溶液中，将传感器浸入溶液后，立即在固定电位下施加一个阶跃电压，记录电流随时间的变化情况。从施加电压开始到电流达到稳定值的95%所需要的时间，定义为传感器的响应时间。以检测葡萄糖的传感器为例，在0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH=7.4）中，加入不同浓度的葡萄糖，将制备好的基于硼酸亲和作用的电化学传感器浸入溶液中，在0.5V的电位下进行计时电流法测试。实验结果表明，当葡萄糖浓度为1mmol/L时，传感器的响应时间约为5s；随着葡萄糖浓度的增加，响应时间略有缩短，当葡萄糖浓度达到10mmol/L时，响应时间缩短至约3s。这是因为在一定范围内，目标物质浓度的增加会使硼酸基团与顺式二醇基团的结合速率加快，从而缩短了传感器的响应时间。为了优化传感器的响应时间，采取了一系列策略。从传感器的结构设计角度出发，优化传感界面的结构和组成可以有效缩短响应时间。在层层自组装法制备的传感器中，通过控制组装层数和材料的选择，使传感界面具有更合理的结构，有利于目标物质的快速扩散和反应。当组装层数过多时，可能会增加目标物质的扩散路径，导致响应时间延长；而组装层数过少，则可能无法提供足够的活性位点，影响传感器的灵敏度。经过实验优化，发现当石墨烯量子点（GQDs）/聚苯胺-硼酸（PANI-BA）层层自组装的层数为3-5层时，传感器的响应时间较短，且灵敏度较高。提高电子传递速率也是优化响应时间的关键。选择具有良好导电性的材料作为电极基底或修饰材料，能够加快电子在电极表面和溶液之间的传递，从而缩短响应时间。在碳纳米管修饰的电极中，碳纳米管的高导电性为电子传递提供了快速通道，使传感器的响应时间明显缩短。而且，通过在电极表面引入电子媒介体，如二茂铁等，能够促进电子的转移，进一步提高电子传递速率。在检测烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的传感器中，引入二茂铁硼酸（FcBA）作为电子媒介体，利用FcBA与NADH的特异性结合以及其良好的电子传递性能，使传感器的响应时间从原来的10s缩短至5s以内。溶液的搅拌速度对响应时间也有影响。适当提高溶液的搅拌速度，可以增加目标物质向电极表面的扩散速率，从而缩短响应时间。但搅拌速度过快可能会导致电极表面的修饰层受到破坏，影响传感器的稳定性。通过实验确定，在检测葡萄糖时，将溶液的搅拌速度控制在200-300r/min，能够在保证传感器稳定性的前提下，有效缩短响应时间。4.3.2检测限的计算方法与实际意义检测限是指能够被传感器可靠检测到的目标物质的最低浓度，它是衡量传感器性能的重要参数之一，对于传感器在实际检测中的应用具有重要意义。在基于硼酸亲和作用的电化学传感器中，检测限的计算通常采用国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）推荐的方法，即通过测量空白样品的信号标准偏差（S_{b}）和校准曲线的斜率（S）来计算检测限（LOD），计算公式为：LOD=3S_{b}/S。具体计算过程如下：首先，对空白样品（如不含目标物质的缓冲溶液）进行多次测量，一般测量10-20次，记录每次测量的电信号值。然后，计算这些测量值的标准偏差S_{b}，它反映了空白样品测量的重复性和噪声水平。接着，通过对一系列不同浓度的目标物质溶液进行检测，绘制校准曲线，即电信号值与目标物质浓度之间的关系曲线。利用线性回归方法拟合校准曲线，得到曲线的斜率S，斜率S表示传感器对目标物质浓度变化的响应灵敏度。最后，将S_{b}和S代入上述公式，即可计算出传感器的检测限。以检测胰岛素生长因子-2（IGF-2）的传感器为例，对空白样品进行15次测量，得到电信号值的标准偏差S_{b}=0.05μA。通过对不同浓度的IGF-2溶液进行检测，绘制校准曲线，经线性回归分析得到校准曲线的斜率S=0.2μA/(pg/mL)。将S_{b}和S代入公式，计算得到该传感器对IGF-2的检测限LOD=3×0.05/0.2=0.75pg/mL。检测限在实际检测中具有重要意义。较低的检测限意味着传感器能够检测到更低浓度的目标物质，这在许多领域，如生物医学检测、环境监测和食品安全检测等，都具有至关重要的作用。在生物医学检测中，一些疾病的早期诊断需要检测生物标志物的微量变化，较低检测限的传感器能够及时发现这些变化，为疾病的早期诊断和治疗提供有力支持。在检测肿瘤标志物时，早期肿瘤患者体内的肿瘤标志物浓度可能非常低，只有具有低检测限的传感器才能准确检测到这些微量的标志物，从而实现肿瘤的早期发现和治疗。在环境监测中，对水中痕量污染物的检测要求传感器具有较低的检测限，以确保能够及时发现环境中的污染问题，保护生态环境。在检测水中的有机污染物时，低检测限的传感器能够检测到极低浓度的污染物，为环境保护提供准确的数据。在食品安全检测中，对食品中有害物质的检测也需要低检测限的传感器，以保障消费者的健康。在检测食品中的农药残留时，低检测限的传感器能够检测到食品中微量的农药残留，确保食品安全。五、基于硼酸亲和作用的电化学传感器应用探索5.1在生物医学检测中的应用5.1.1疾病标志物检测的实例与效果评估癌胚抗原（CEA）作为一种重要的广谱肿瘤标志物，在肺癌、乳腺癌、结直肠癌等多种恶性肿瘤的鉴别诊断、病情监测和预后评估中发挥着关键作用。正常人体血清中CEA的含量极低，一般小于5ng/mL，而在肿瘤患者体内，CEA的浓度会显著升高。利用基于硼酸亲和作用的电化学传感器对CEA进行检测，能够为肿瘤的早期诊断和治疗提供重要依据。在实际检测中，借助硼酸盐亲和辅助电化学调控原子转移自由基聚合（BA-eATRP）的双重信号放大作用构建的电化学适体传感器，展现出了卓越的检测性能。当核酸适体捕获CEA抗原后，苯硼酸（PBA）基团与CEA单糖残基上的顺式二醇基团发生选择性亲和相互作用，将原子转移自由基聚合（ATRP）引发剂位点靶向性地共价偶联到CEA抗原上。随后，以二茂铁甲基丙烯酸甲酯（FcM