CN104407132A - 一种检测大肠杆菌的电化学传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种检测大肠杆菌的电化学传感器，从内到外依次为电极、普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层、大肠杆菌抗体层、牛血清白蛋白封闭层。制备方法：制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物，滴加到经过处理的电极表面，室温干燥，得到普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层；在普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层上滴加无标记的大肠杆菌抗体，干燥，得到大肠杆菌抗体层；在大肠杆菌抗体层外包覆牛血清白蛋白封闭层。制备方法简单，性能稳定，电极的重复性好，适用于食品安全中大肠杆菌的检测和生物传感器产业化的实际应用；可实现对食品中大肠杆菌的快速在线检测，检出限为3.4×10 cfumL-1。

Description

一种检测大肠杆菌的电化学传感器及其制备方法
技术领域    
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种检测大肠杆菌的电化学传感器，还涉及一种检测大肠杆菌的电化学传感器的制备方法。
背景技术   
大肠杆菌属于革兰氏阴性菌，学名大肠希埃氏菌，周身鞭毛，能运动，无芽孢，在自然界中分布十分广泛，尤其是在温血动物的肠道和粪便中大量存在。自1885年埃斯克里奇发现大肠杆菌以后，在此后相当长的一段时间内大肠杆菌一直被看做无害的非致病菌。随着研究的进展，人们根据菌体抗原的不同，将大肠杆菌分为150多型，大多属于肠道正常菌丛，有16个为致病性大肠杆菌。大肠杆菌对外界环境中可生存一定时间，因而被粪便污染的土壤、水源可能会含有致病性大肠杆菌。致病性大肠杆菌被婴儿和幼畜（禽）摄入后可导致严重的腹泻和败血症，如非致病性大肠杆菌进入人体胆囊、膀胱等器官也可引起炎症。大肠菌群值反映了食品等被粪便污染的程度，因而对食品、药品及饮用水中大肠杆菌菌群数进行检测是十分必要的。
检测大肠杆菌的传统方法主要有三种，分别是多管发酵法、滤膜法和平板计数法，这些方法有仪器操作复杂，需要专业操作人员等缺点。
发明内容   
本研究针对现有检测方法中仪器操作复杂，需要专业操作人员的缺点，提供了一种检测大肠杆菌的电化学传感器。
本发明还提供了检测大肠杆菌的电化学传感器的制备方法。
本发明是通过以下步骤得到的：
一种检测大肠杆菌的电化学传感器，从内到外依次为电极、普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层、大肠杆菌抗体层、牛血清白蛋白封闭层。
所述的电化学传感器，优选普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层厚度为90±5nm，大肠杆菌抗体层厚度为120±10nm，牛血清白蛋白封闭层厚度为100±10nm。
所述的电化学传感器，优选普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层是通过以下步骤得到的：
（1） 多壁碳纳米管进行羧基化；
（2）制备纳米金；
（3）使用步骤（1）和（2）得到的产物制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物。
所述的电化学传感器，优选普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物中普鲁士蓝：碳纳米管：金质量比为2:2:1。
所述的电化学传感器，优选
（1）电化学传感器用磷酸缓冲液冲洗之后，在E.coli溶液中孵育，再次用PBS冲洗，干燥后在大肠杆菌菌液中孵育完全，干燥后滴加HRP标记的大肠杆菌抗体，HRP标记的抗体通过与目标物之间的强识别能力，被修饰在电极表面；
（2）采用三电极系统，以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，修饰电极为工作电极，以含对苯二酚和双氧水的PBS为工作底液采用差分脉冲伏安法检测，电位设置为-0.2到0.6 V，脉冲宽度0.05V，脉冲宽度扫描为0.06 S，进行检测。
所述的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物，滴加到经过处理的电极表面，室温干燥，得到普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层；
（2）在普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层上滴加无标记的大肠杆菌抗体，干燥，得到大肠杆菌抗体层；
（3）在大肠杆菌抗体层外包覆牛血清白蛋白，得到牛血清白蛋白封闭层。
所述的制备方法，优选普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物的制备方法如下：
1）多壁碳纳米管羧基化，
2)制备纳米金，
3) 制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物。
所述的制备方法，优选多壁碳纳米管羧基化是通过以下步骤得到的：
 称取200 mg的多壁碳纳米管，加入160.0 mL的浓硫酸和浓硝酸的混合液中，其中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1，混合均匀，离心，离心后倒去上清液加入去离子水水洗，继续离心，直到上清液呈中性，干燥即得。
所述的制备方法，优选普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物是通过以下步骤得到的：
(1) 4 mg羧基化的多壁碳纳米管分散到40.0 mL 0.01 M 的FeCl3溶液中；
(２)边搅拌边将40.0 mL 0.01 M的K3Fe（CN）6溶液逐滴加入步骤（1）得到的FeCl3溶液中；
(3) 将步骤（2）得到的溶液在10000 r/min条件下不断离心，倒去上清液，直到上清液呈无色；
(4) 沉淀物经收集、干燥，分散到质量分数为0.1 %的4.0 mL壳聚糖水溶液中，得到修饰PB-CNTs的氨基基团；
(5) 在10000 r/min条件下离心去除剩余壳聚糖；
(6) 将已完成氨基修饰的PB-CNTs加入金胶体中搅拌2均匀，离心分离即得。
所述的制备方法，优选牛血清白蛋白的浓度为0.1%。
本发明的工作原理：
在金电极上首先修饰增效物质PB-CNTs-Au复合物，不但能促进电极表面电子转移，而且增效物质之间的特殊基团的连接能保证它们的层层组装。金纳米粒子与捕获抗体的氨基，通过Au-NH2??的作用，把抗体修饰到电极上。然后，抗体与大肠杆菌有专一的识别能力，大肠杆菌就能成功修饰到电极上。在大肠杆菌的另一端，HRP标记的大肠杆菌抗体通过与目标物的特异性识别能力，也被成功修饰。在检测过程中，通过电极上的HRP催化检测底液中的对苯二酚（HQ）和双氧水（H2O2）的氧化还原产生电信号，连接电化学工作站，以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，电位设置为-0.2到0.6 V，脉冲宽度0.05V，脉冲宽度扫描为0.06 S，采用差分脉冲伏安技术读取电信号的变化，根据电极表面产生的电流的大小起到对目标物检测的作用。电极上固定的HRP的量与修饰的被检测物大肠杆菌的量有直接关系，被检测物越多，固定的HRP的量也越多，催化产生的电信号也越强。
本发明采用的PB-CNTs-Au复合物导电性强，成为构建传感器的优良材料；使用辣根过氧化物酶（HRP），通过与H2O2和HQ的反应，放大信号；采用了夹心型的检测模型，分别在检测物E.coli的两端引入抗体，检测更为灵敏；制备的传感器灵敏度高，检测速度快；检测E.coli的方法，操作简单、快速、灵敏，便于现场检测。
本发明的有益效果：
1、由于使用金电极，其电极简便、小型化、易携带、可多次使用；
2、反应层是使用表面修饰技术固定在工作电极上，优化使用材料的用量与浓度，制得的夹心型电极对环境温度的要求不明显，室温下使用即可；
3、制备方法简单，性能稳定，电极的重复性好，适用于食品安全中大肠杆菌的检测和生物传感器产业化的实际应用；
4、制作电极的工艺成本低，适用于产业化中价廉的要求；
5、以金电极为固定载体固定基于PB-CNTs-Au复合物的夹心型电化学传感系统，可实现对食品中大肠杆菌的快速在线检测，检出限为3.4×10cfu mL-1。
附图说明   
图1为本发明电化学传感器的制作流程图，右下角曲线图为该传感器在大肠杆菌存在和不存在时分别产生的电流响应；
图2为实施例1检测结果图；
图3为实施例2检测结果图；
图4为实施例3检测结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明：
首先制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物：
1）多壁碳纳米管羧基化，
2) 制备纳米金，
3) 制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物。
多壁碳纳米管羧基化是通过以下步骤得到的：
 称取200 mg的多壁碳纳米管，加入160.0 mL的浓硫酸和浓硝酸的混合液中，其中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1，混合均匀，离心，离心后倒去上清液加入去离子水水洗，继续离心，直到上清液呈中性，产物放于烘箱中70℃干燥，放入冰箱保存备用。
纳米金是通过以下步骤得到的：
(1) 将1 mL1%的氯金酸溶液加入到100 mL去离子水中煮沸；
(2) 将2.5 mL1%的柠檬酸钠快速加入到回流的氯金酸溶液中，继续回流半小时以上，直至溶液由浅黄色变为深红色；
(3) 液体均匀无沉淀代表了制备的成功，冷却后放入冰箱保存。
普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物（PB-CNTs-Au复合物）是通过以下步骤得到的：
(1) 4 mg羧基化的多壁碳纳米管分散到40.0 mL 0.01 M 的FeCl3溶液中；
(２)边搅拌边将40.0 mL 0.01 M的K3Fe（CN）6溶液逐滴加入步骤（1）得到的FeCl3溶液中；
(3) 将步骤（2）得到的溶液在10000 r/min条件下不断离心，倒去上清液，直到上清液呈无色；
(4) 沉淀物经收集、干燥，分散到质量分数为0.1 %的4.0 mL壳聚糖水溶液中，得到修饰PB-CNTs的氨基基团；
(5) 在10000 r/min条件下离心去除剩余壳聚糖；
(6) 将已完成氨基修饰的PB-CNTs加入金胶体中搅拌均匀，离心分离；
(7) 得到的纳米复合材料分散到2.0 mL去离子水中，放入冰箱保存。
普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物中普鲁士蓝：碳纳米管：金质量比为2:2:1。
实施例1
一种本发明所述夹心型电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
a、5支金电极首先在0.3和0.05 um的氧化铝浆中进行抛光处理，直到呈镜面，用二次水冲洗； 
b、将新制备的PB-CNTs-Au复合物超声处理50 min，10 uL 已经制备PB-CNTs-Au复合物滴加在电极表面，在室温下干燥过夜；
c、待用二次水冲洗几次之后，10 uL捕获抗体的PBS溶液滴加在电极表面，60min干燥，用二次水和PBS冲洗电极除去未结合的抗体；
d、10 uL BSA （0.1%）被用来封闭电极表面没有被结合的位点。
检测方法如下：
e、电极在PBS缓冲液中充分搅动清洗后，在大肠杆菌菌液中分别孵育，并用PBS缓冲液冲
f、大肠杆菌由于和捕获电极之间的特异性结合而结合到电极上，
g、PBS冲洗，干燥后滴加10 μL用HRP标记的大肠杆菌抗体，HRP标记的抗体通过与目标物之间的强识别能力，被修饰在电极表面。
h、在底液pH分别为6.0,6.5,7.0,7.5,8.0,8.5的缓冲液中检测，检测结果如图2所示，优化结果为pH分别为7.5最佳。
上述方法中所用的缓冲液是由方法配制：称取Na2HPO4 7.1 g，KCl 0.2 g和KH2PO4 6.8 g，KCl 0.2 g分别溶于500 mL二次水中，得到两种溶液用pH计混合调整，得到pH值为7.4，浓度为0.01 M的PBS缓冲液。
实施例2
一种检测大肠杆菌的电化学传感器的制备方法，步骤如下：
a、5支金电极首先在0.3和0.05 um的氧化铝浆中进行抛光处理，直到呈镜面，用二次水冲洗； 
b、将新制备的PB-CNTs-Au复合物超声处理50 min，10 uL 已经制备PB-CNTs-Au复合物滴加在电极表面，在室温下干燥过夜；
c、待用二次水冲洗几次之后，10 uL捕获抗体的PBS溶液滴加在电极表面，60min干燥，用二次水和PBS冲洗电极除去未结合的捕获抗体；
d、10 uL BSA （0.1%）被用来封闭电极表面没有被结合的位点。
检测方法：
e、电极在PBS缓冲液中充分搅动清洗后，在大肠杆菌菌液中孵育20，40, 60，90，120 min并用PBS缓冲液冲洗；
f、大肠杆菌由于和捕获电极之间的特异性结合而结合到电极上。
g、PBS冲洗，干燥后滴加10 μL用HRP标记的大肠杆菌抗体，HRP标记的抗体通过与目标物之间的强识别能力，被修饰在电极表面。
h、以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，电位设置为-0.2到0.6 V，脉冲宽度0.05V，脉冲宽度扫描为0.06 S，采用差分脉冲伏安技术读取电信号的变化，检测目标物，检测结果如图3所示，选择出大肠杆菌的最佳孵育时间60min。
实施例3
一种检测大肠杆菌的电化学传感器的制备方法的标准曲线的绘制及实际应用，步骤如下：
a、8支金电极首先在0.3和0.05 um的氧化铝浆中进行抛光处理，直到呈镜面，用二次水冲洗； 
b、将新制备的PB-CNTs-Au复合物超声处理50 min，10 uL 已经制备PB-CNTs-Au复合物滴加在电极表面，在室温下干燥过夜；
c、待用二次水冲洗几次之后，10 uL捕获抗体的PBS溶液滴加在电极表面，60min干燥，用二次水和PBS冲洗电极除去未结合的捕获抗体；
d、10 uL BSA （0.1%）被用来封闭电极表面没有被结合的位点。
检测方法：
e、电极在PBS缓冲液中充分搅动清洗后，在浓度分别为 0, 7.8×10, 7.8×102, 7.8×103, 7.8×104, 7.8×105, 7.8×106, 7.8×107 cfu mL-1的大肠杆菌菌液中孵育60min并用PBS缓冲液冲洗；
f、大肠杆菌由于和捕获电极之间的特异性结合而结合到电极上。
g、PBS冲洗，干燥后滴加10 μL用HRP标记的大肠杆菌抗体，HRP标记的抗体通过与目标物之间的强识别能力，被修饰在电极表面。
h、以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，电位设置为-0.2到0.6 V，脉冲宽度0.05V，脉冲宽度扫描为0.06 S，采用差分脉冲伏安技术读取电信号的变化，检测目标物，检测结果如图4所示，a到h分别为 3.4×10, 7.8×10, 7.8×102, 7.8×103, 7.8×104, 7.8×105, 7.8×106, 7.8×107 cfu mL-1图4中我们可以看到，在大肠杆菌浓度在7.8×10 到 7.8×106 cfu mL-1时，大肠菌浓度的对数与电流大小成正比关系，左上角附图为拟合曲线I=33.68 log [C E. coli  (cfu mL-1)] + 7.19，同时，我们在7.8×10 cfu mL-1的浓度基础上继续向更低的浓度检测，经检测当浓度低于3.4×10 cfu mL-1时，电流与浓度的关系恰好不再符合拟合曲线规律，即图中的电流最低点因此可得到该方法的检测下限为3.4×10 cfu mL-1。
i、采用加标回收的方法，检测牛奶和矿泉水样品，平行测定3次，回收率为91.9%-103%，并与传统检测方法平板计数法进行比较，误差小于13%，说明该传感器检测方法的可靠性，以及处理后的牛奶及矿泉水中误差范围内没有大肠杆菌，属于合格样品。
                                                
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种检测大肠杆菌的电化学传感器，其特征在于从内到外依次为电极、普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层、大肠杆菌抗体层、牛血清白蛋白封闭层。
2.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层厚度为90±5nm，大肠杆菌抗体层厚度为120±10nm，牛血清白蛋白封闭层厚度为100±10nm。
3.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层是通过以下步骤得到的：
（1） 多壁碳纳米管进行羧基化；
（2）制备纳米金；
（3）使用步骤（1）和（2）得到的产物制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物。
4.根据权利要求3所述的电化学传感器，其特征在于普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物中普鲁士蓝：碳纳米管：金质量比为2:2:1。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学传感器，其特征在于
（1）电化学传感器用磷酸缓冲液冲洗之后，在E.coli溶液中孵育，再次用PBS冲洗，干燥后在大肠杆菌菌液中孵育完全，干燥后滴加HRP标记的大肠杆菌抗体，HRP标记的抗体通过与目标物之间的强识别能力，被修饰在电极表面；
（2）采用三电极系统，以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，修饰电极为工作电极，以含对苯二酚和双氧水的PBS为工作底液采用差分脉冲伏安法检测，电位设置为-0.2到0.6 V，脉冲宽度0.05V，脉冲宽度扫描为0.06 S，进行检测。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物，滴加到经过处理的电极表面，室温干燥，得到普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层；
（2）在普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物层上滴加无标记的大肠杆菌抗体，干燥，得到大肠杆菌抗体层；
（3）在大肠杆菌抗体层外包覆牛血清白蛋白，得到牛血清白蛋白封闭层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物的制备方法如下：
1）多壁碳纳米管羧基化，
2)制备纳米金，
3) 制备普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于多壁碳纳米管羧基化是通过以下步骤得到的：
 称取200 mg的多壁碳纳米管，加入160.0 mL的浓硫酸和浓硝酸的混合液中，其中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1，混合均匀，离心，离心后倒去上清液加入去离子水水洗，继续离心，直到上清液呈中性，干燥即得。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于普鲁士蓝-碳纳米管-纳米金复合物是通过以下步骤得到的：
(1) 4 mg羧基化的多壁碳纳米管分散到40.0 mL 0.01 M 的FeCl3溶液中；
(２)边搅拌边将40.0 mL 0.01 M的K3Fe（CN）6溶液逐滴加入步骤（1）得到的FeCl3溶液中；
(3) 将步骤（2）得到的溶液在10000 r/min条件下不断离心，倒去上清液，直到上清液呈无色；
(4) 沉淀物经收集、干燥，分散到质量分数为0.1 %的4.0 mL壳聚糖水溶液中，得到修饰PB-CNTs的氨基基团；
(5) 在10000 r/min条件下离心去除剩余壳聚糖；
(6) 将已完成氨基修饰的PB-CNTs加入金胶体中搅拌2均匀，离心分离即得。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于牛血清白蛋白的浓度为0.1%。
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