CN105044179A - 一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，包括以下步骤：将金电极预处理并浸没在4-氨基苯硫酚的乙醇溶液中；将氧化石墨烯溶液加入氨水；将电极浸没到氧化石墨烯氨水溶液和EDC、NHS的混合溶液中。本发明还提供了一种利用上述方法制备的三维石墨烯修饰电极以及在检测肿瘤标志物中的应用。本发明以氨水作为氮掺杂三维石墨烯的氮源，以氧化石墨烯作为三维石墨烯的原料，三维石墨烯具有多孔性、表面积大、突出的电子传导性能及传质快等优点，本发明中使用氮掺杂三维石墨烯是因为氮原子能诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上有效地提高电催化活性并且具有更优异的稳定性。

Description

一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物电化学检测技术领域，具体涉及一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极及其制备方法。

背景技术

肿瘤相关标志物的分析检测对疾病的有效诊断与治疗具有十分重要的意义。因此，如何快速、高效、灵敏地检测这些标志物，就成为了当前生命科学领域中所面临的一个十分重要的问题。显然，解决这个问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法。

生物传感器是由固定化的生物敏感材料(包括酶、抗体、核酸等生物活性物质)作识别元件，对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。电化学生物传感器是指在生物传感器的基础上，以电极作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。

电化学生物传感器中所用电极对检测的灵敏度有着至关重要的作用。基于三维石墨烯的独特性能(如多孔性、表面积大、突出的电子传导性能及传质快)，采用氮掺杂三维石墨烯修饰金电极，用于生物传感器，在一定程度上提高了该生物传感器的检测性能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，该制备方法简单，制备条件易于控制和实现。

本发明还提供了一种三维石墨烯修饰电极。

本发明还提供了一种该三维石墨烯修饰电极用于检测肿瘤标志物的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金电极预处理；

(2)将预处理后的金电极浸没在0.5mM的4-氨基对苯硫酚的乙醇溶液中，静置反应1～3h；

(3)将氧化石墨烯溶于水中，得氧化石墨烯溶液，超声分散均匀后，加入氨水；其中，所用氨水的质量浓度为25％～28％；

(4)将步骤(2)中电极取出，用乙醇溶液冲洗干净，浸没到步骤(3)所得溶液和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的混合溶液中，室温条件下，反应6～8h；然后，将以上反应体系放入到反应釜中，在140～180℃的条件下，反应6～8h；待反应结束后，将电极取出，用蒸馏水将电极洗涤干净后将其冷冻干燥，即得三维石墨烯修饰电极。

步骤(1)中，金电极预处理过程：先后用0.5μm和0.03μm的Al₂O₃粉末打磨成镜面，然后用二次水清洗，再依次置于乙醇和二次水中超声1～2min；处理完成后，用0.5mol·L^-1的浓硫酸对电极进行活化，直到产生稳定的循环伏安扫描图，扫描电压为0.20～1.65V，扫速为0.1V·s^-1；最后用二次水冲洗，室温干燥。

步骤(3)中，氧化石墨烯的制备方法：在冰水浴条件下，将0.6g石墨、1.0g硝酸钠混合，搅拌条件下，缓慢加入35mL冷冻浓硫酸，搅拌0.5～1小时；在0.5～1小时内加入3.0g高锰酸钾，在0～10℃下搅拌2h；将体系温度升高至35℃，搅拌30min，逐滴加入150mL去离子水；然后将体系温度升高到98℃，搅拌15min；预热200mL去离子水至60℃，将反应完毕的体系边搅拌边转移到去离子水中；向体系中逐滴加入双氧水，直至体系颜色变为褐色；用5％盐酸抽滤清洗三次，取1～3mL滤液加入到氯化钡溶液中，若无沉淀生成则清洗干净；用离心机离心清洗，至上清液pH为2～5，将氧化石墨烯转移至蒸发皿中，用保鲜膜密封，放在冰箱中冷冻2～5h，再冷冻干燥，即得。

步骤(3)中，氧化石墨烯溶液的浓度为1～3mg·mL^-1。

步骤(3)中，氧化石墨烯溶液与氨水的体积比为600:1～600:5。

步骤(4)中，EDC与NHS的浓度分别为0.1～0.3M。

步骤(4)中，EDC、NHS和氧化石墨烯的体积比为1:1:1～2:1:1。

上述三维石墨烯修饰电极在检测肿瘤标志物中的应用，检测步骤为：

(1)将羧基化的磁珠用pH为7.0的咪唑-盐酸缓冲溶液洗涤，重复三次后，加入EDC、NHS，在30～40℃的条件下，反应30～60min，将反应后的体系用磷酸缓冲溶液(PBS)洗涤3～6次，最后将所得物分散于磷酸缓冲溶液溶液中；

(2)将氨基化的捕获DNA(S0)加入到步骤(1)所得到的溶液中，在室温条件下，反应2～3h，得到带有捕获DNA的磁珠，将所得磁珠保存在0～10℃的条件下；

(3)将与捕获DNA互补度为1/3～1/2的富含鸟嘌呤脱氧核苷酸的DNA链(S1)，加入到步骤(2)所获得的磁珠溶液中，在室温条件下，反应1～2h，加入氯高铁血红素hemin，使得富G部分形成G-四联体，最终制得hemin/G-四联体/S0/磁珠的结构；

(4)将hemin/G-四联体/S0/磁珠加入到与捕获DNA完全互补或特异性识别的靶物质的溶液中，室温条件下，反应1～2h；

(5)将步骤(4)反应后的溶液混合均匀，滴涂在三维石墨烯修饰电极表面，干燥后，测其电化学响应信号。

所述靶物质为凝血酶或TP53。

步骤(1)中，EDC与NHS的浓度分别为0.6～1M、0.1～0.3M。

步骤(1)中，EDC与NHS的体积比为1:1～2:1。

步骤(2)中，S0的浓度为20～30nM。

步骤(3)中，S1的浓度为20～30nM。

本发明的有益效果是：

(1)发明巧妙的利用氮掺杂三维石墨烯修饰的金电极检测反应体系中被靶DNA链挤脱掉的hemin/G-四联体结构，间接的反映出靶物质的浓度；当靶物质浓度较高时，则hemin/G-四联体/S0/磁珠结构中被挤脱掉的hemin/G-四联体数量就比较多，则滴涂到金电极表面的溶液中的hemin/G-四联体的浓度也相应的比较大，从而在电化学检测的过程中产生较大的电化学信号，靶物质和电化学信号之间存在正比例关系。

(2)在本发明中三维石墨烯与金电极之间是通过4-氨基对苯硫酚的桥梁作用来连接的，金电极与4-氨基对苯硫酚之间是通过Au-S的作用连接的，EDC、NHS用来活化氧化石墨烯结构中的-COOH，以便使氧化石墨烯通过与4-氨基对苯硫酚中-NH₂的酰胺缩合反应连接到金电极表面，所以结构很牢固。

(3)本发明以氨水作为氮掺杂三维石墨烯的氮源，以氧化石墨烯作为三维石墨烯的原料，三维石墨烯具有多孔性、表面积大、突出的电子传导性能及传质快等优点，本发明中使用氮掺杂三维石墨烯是因为一方面氮原子能诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上；另一方面N原子由于具有与C原子近似的原子半径，可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂，掺杂的N原子会影响C原子的自旋密度和电荷分布，使生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能。

附图说明

图1为本发明制备三维石墨烯修饰电极的过程示意图；

图2为本发明的三维石墨烯修饰电极用于靶物质的检测原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金电极先后用0.5μm和0.03μm的Al₂O₃粉末打磨成镜面，然后用去离子水清洗，再依次置于去离子水和乙醇中超声1～2min；处理完成后，用0.5mol·L^-1的浓硫酸对电极进行循环伏安法活化，直到产生稳定的循环伏安扫描图，扫描电压为0.20～1.65V，扫速为0.1V·s^-1；最后用去离子水冲洗，室温晾干；

(2)取0.5mM的4-氨基对苯硫酚的乙醇溶液2mL，将抛光、活化后的金电极垂直放入该溶液中，室温条件下，静置反应1h；

(3)取10mg氧化石墨烯溶于10mL二次水中，超声溶解30min，即得浓度为1mg·mL^-1氧化石墨烯溶液，向所得溶液中加入17μL质量浓度为25％的氨水，超声2min，使其混合均匀；

(4)将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶解于1mL咪唑-盐酸的缓冲溶液中，制备浓度均为0.1M的NHS和EDC溶液；取1mL氧化石墨烯与氨水的混合溶液，与上述两种溶液混合，形成体积比为1:1:1的混合溶液，将完成4-氨基对苯硫酚自组装过程的金电极取出，用乙醇溶液冲洗干净，垂直放入上述混合液中，室温条件下，反应6h；然后，将以上反应体系放入到反应釜中，在140℃的条件下，反应6h；待反应结束后，将电极取出，用蒸馏水将电极洗涤干净后将其冷冻干燥，即得三维石墨烯修饰电极。

实施例2

一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金电极先后用0.5μm和0.03μm的Al₂O₃粉末打磨成镜面，然后用去离子水清洗，再依次置于去离子水和乙醇中超声1～2min；处理完成后，用0.5mol·L^-1的浓硫酸对电极进行循环伏安法活化，直到产生稳定的循环伏安扫描图，扫描电压为0.20～1.65V，扫速为0.1V·s^-1；最后用去离子水冲洗，室温晾干；

(2)取0.5mM的4-氨基对苯硫酚的乙醇溶液2mL，将抛光、活化后的金电极垂直放入该溶液中，室温条件下，静置反应2h；

(3)取20mg氧化石墨烯溶于10mL二次水中，超声溶解30min，即得浓度为2mg·mL^-1氧化石墨烯溶液，向所得溶液中加入50μL质量浓度为25％的氨水，超声2min，使其混合均匀；

(4)将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶解于1mL咪唑-盐酸的缓冲溶液中，制备浓度均为0.2M的NHS和EDC溶液；取1mL氧化石墨烯与氨水的混合溶液，与上述两种溶液混合，形成体积比为3:2:2的混合溶液，将完成4-氨基对苯硫酚自组装过程的金电极取出，用乙醇溶液冲洗干净，垂直放入上述混合液中，室温条件下，反应7h；然后，将以上反应体系放入到反应釜中，在160℃的条件下，反应7h；待反应结束后，将电极取出，用蒸馏水将电极洗涤干净后将其冷冻干燥，即得三维石墨烯修饰电极。

实施例3

一种三维石墨烯修饰电极用于肿瘤相关标志物检测的方法，包括以下步骤：

(1)将金电极先后用0.5μm和0.03μm的Al₂O₃粉末打磨成镜面，然后用去离子水清洗，再依次置于去离子水和乙醇中超声1～2min；处理完成后，用0.5mol·L^-1的浓硫酸对电极进行循环伏安法活化，直到产生稳定的循环伏安扫描图，扫描电压为0.20～1.65V，扫速为0.1V·s^-1；最后用去离子水冲洗，室温晾干；

(2)取0.5mM的4-氨基对苯硫酚的乙醇溶液2mL，将抛光、活化后的金电极垂直放入该溶液中，室温条件下，静置反应3h；

(3)取20mg氧化石墨烯溶于10mL二次水中，超声溶解30min，即得浓度为2mg·mL^-1氧化石墨烯溶液，向所得溶液中加入84μL质量浓度为28％的氨水，超声2min，使其混合均匀；

(4)将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺EDC、N-羟基琥珀酰亚胺NHS溶解于1mL咪唑-盐酸的缓冲溶液中，制备浓度均为0.3M的NHS和EDC溶液；取1mL氧化石墨烯与氨水的混合溶液，与上述两种溶液混合，形成体积比为2:1:1的混合溶液，将完成4-氨基对苯硫酚自组装过程的金电极取出，用乙醇溶液冲洗干净，垂直放入上述混合液中，室温条件下，反应8h；然后，将以上反应体系放入到反应釜中，在180℃的条件下，反应8h；待反应结束后，将电极取出，用蒸馏水将电极洗涤干净后将其冷冻干燥，即得三维石墨烯修饰电极。

实施例4：

将实施例1-3制备的三维石墨烯修饰电极用于检测凝血酶，检测步骤为：

(1)用400μL的pH为7.0的0.1M咪唑-盐酸缓冲溶液洗涤100μL羧基化的磁珠，重复3次；用200μL0.1MNHS和200μL0.8MEDC的混合溶液活化洗净的磁珠，温度30℃，时间30min；用400μL0.01M磷酸缓冲盐溶液PBS洗涤3次，将最后所得物分散于200μLPBS溶液中；

(2)将可识别凝血酶的浓度为20nM的捕获DNA(S0)，加入到步骤(5)所得到的溶液中，在室温条件下，反应2h，得到带有捕获DNA的磁珠，将所得磁珠保存在0℃的条件下，其中，凝血酶的捕获DNA(S0)的碱基序列为5’-AGTCCGTGGTAGGGCAGGTTGGGGTGACT-3’，如序列表中SEQIDNO.1所示；

(3)将与捕获DNA互补度为1/3～1/2的浓度为20nM的富含鸟嘌呤脱氧核苷酸的DNA链(S1)加入到步骤(2)所获得的磁珠溶液中，在室温条件下，反应1h，加入hemin，使得富G部分形成G-四联体，最终制得hemin/G-四联体/S0/磁珠的结构，其中，DNA链(S1)的碱基序列为：3’-CCCCACTGAGGGTAGGGCGGGTTGGG-5，如序列表中SEQIDNO.2所示；

(4)将步骤(3)所制得的hemin/G-四联体/S0/磁珠结构加入到含有不同浓度(10^-6M、10^-7M、10^-8M、10^-9M、10^-10M、10^-11M、10^-12M、0)凝血酶的溶液中，室温条件下，反应1h；

(5)将步骤(4)反应后所得的不同浓度的溶液搅拌均匀，滴涂在步骤(4)所制得的电极表面，干燥后，测其电化学响应信号。

癌症患者肿瘤组织及肿瘤细胞的转移与扩散，都会使患者的凝血机制发生变化，可以通过检测凝血酶的浓度对癌症等疾病进行评估。对凝血酶浓度检测结果显示，对不同浓度的凝血酶提取液催化L-半胱氨酸氧化的峰电流曲线均变化明显，且有一定的线性关系，检测范围：10^-14～10^-9M；线性方程：Δi＝3.88×10^-4+2.58×10^-5logC；其中Δi表示不同浓度的凝血酶产生的DPV信号与空白的差值，C表示凝血酶的浓度；检测限：3.69×10^-15M，因此可确定本发明可有效的对凝血酶进行浓度分析。

实施例5：

将实施例1-3制备的三维石墨烯修饰电极用于检测TP53，检测步骤为：

(1)用400μL的pH为7.0的0.1M咪唑-盐酸缓冲溶液洗涤100μL羧基化的磁珠，重复3次；用200μL0.2MNHS和200μL0.8MEDC的混合溶液活化洗净的磁珠，温度37℃，时间45min；用400μL0.01M磷酸缓冲盐溶液PBS洗涤4次，将最终所得物分散于200μLPBS溶液中；

(2)将浓度为25nM的肿瘤抑制蛋白TP53的捕获DNA(S0)，加入到步骤(5)所得到的溶液中，在室温条件下，反应2.5h，得到带有捕获DNA的磁珠，将所得磁珠保存在4℃的条件下，其中TP53的捕获DNA(S0)的碱基序列为5’-TGGGCGGCATGAACCGGAGGCCCATC-3’，如序列表中SEQIDNO.3所示；

(3)将与捕获DNA互补度为1/3～1/2的浓度为25nM的富含鸟嘌呤脱氧核苷酸的DNA链(S1)，加入到步骤(2)所获得的磁珠溶液中，在室温条件下，反应1.5h，加入hemin，使得富G部分形成G-四联体，最终制得hemin/G-四联体/S0/磁珠的结构，其中，DNA链(S1)的碱基序列为3’-CCGGGTAGGGGTAGGGCGGGTTGGG-5’，如序列表中SEQIDNO.4所示；

(4)将步骤(3)所制得的hemin/G-四联体/S0/磁珠结构加入到含有不同浓度(10^-6M、10^-7M、10^-8M、10^-9M、10^-10M、10^-11M、10^-12M、0)的与捕获探针的互补度为100％的TP53的溶液中，室温条件下，反应1.5h，其中，TP53的碱基序列为5’-GATGGGCCTCCGGTTCATGCCGCCCA-3’，如序列表中SEQIDNO.5所示；

(5)将步骤(4)反应后的不同浓度的溶液搅拌均匀，滴涂在步骤(4)所制得的电极表面，干燥后，测其电化学响应信号。

对TP53浓度检测结果显示，对不同浓度的TP53提取液催化L-半胱氨酸氧化的峰电流曲线均变化明显，且有一定的线性关系，线性范围为10^-13～10^-6M；线性方程为Δi＝3.09×10^-4+1.57×10^-5logC，其中Δi表示不同浓度的TP53产生的DPV信号与空白的差值，C表示TP53的浓度，检测限：8.32×10^-14M，因此可确定本发明可有效的对TP53进行浓度分析。

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上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将金电极预处理；

(2)将预处理后的金电极浸没在0.5mM的4-氨基对苯硫酚的乙醇溶液中，静置反应1～3h；

(3)将氧化石墨烯溶于水中，得氧化石墨烯溶液，超声分散均匀后，加入氨水；其中，所用氨水的质量浓度为25％～28％；

(4)将步骤(2)中电极取出，用乙醇溶液冲洗干净，浸没到步骤(3)所得溶液和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺的混合溶液中，室温条件下，反应6～8h；然后，将以上反应体系放入到反应釜中，在140～180℃的条件下，反应6～8h；待反应结束后，将电极取出，用蒸馏水将电极洗涤干净后将其冷冻干燥，即得三维石墨烯修饰电极。

2.如权利要求1所述的一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，金电极预处理过程：先后用0.5μm和0.03μm的Al₂O₃粉末打磨成镜面，然后用二次水清洗，再依次置于乙醇和二次水中超声1～2min；处理完成后，用0.5mol·L^-1的浓硫酸对电极进行活化，直到产生稳定的循环伏安扫描图，扫描电压为0.20～1.65V，扫速为0.1V·s^-1；最后用二次水冲洗，室温干燥。

3.如权利要求1所述的一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，氧化石墨烯的制备方法：在冰水浴条件下，将0.6g石墨、1.0g硝酸钠混合，搅拌条件下，缓慢加入35mL冷冻浓硫酸，搅拌0.5～1小时；在0.5～1小时内加入3.0g高锰酸钾，在0～10℃下搅拌2h；将体系温度升高至35℃，搅拌30min，逐滴加入150mL去离子水；然后将体系温度升高到98℃，搅拌15min；预热200mL去离子水至60℃，将上述体系边搅拌边转移到去离子水中；向体系中逐滴加入双氧水，直至体系颜色变为褐色；用离心机离心清洗，至上清液pH为2～5，将所得产物进行冷冻干燥，即得氧化石墨烯。

4.如权利要求1所述的一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，氧化石墨烯溶液的浓度为1～3mg·mL^-1，氧化石墨烯溶液与氨水的体积比为600:1～600:5。

5.如权利要求1所述的一种检测肿瘤标志物的三维石墨烯修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与N-羟基琥珀酰亚胺的浓度均为0.1～0.3M，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺和氧化石墨烯的体积比为1:1:1。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法制得的三维石墨烯修饰电极。

7.如权利要求6所述的三维石墨烯修饰电极在检测肿瘤标志物中的应用，其特征在于，检测步骤为：

(1)将羧基化的磁珠用pH为7.0的咪唑-盐酸缓冲溶液洗涤，重复三次后，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺，在30～40℃的条件下，反应30～60min，将反应后的体系用磷酸缓冲溶液洗涤3～6次，最后将所得物分散于磷酸缓冲溶液溶液中；

(2)将氨基化的捕获DNA链S0加入到步骤(1)所得到的溶液中，在室温条件下，反应2～3h，得到带有捕获DNA的磁珠，将所得磁珠保存在0～10℃的条件下；

(3)将与捕获DNA互补度为1/3～1/2的富含鸟嘌呤脱氧核苷酸的DNA链S1，加入到步骤(2)所获得的磁珠溶液中，在室温条件下，反应1～2h，加入氯高铁血红素hemin，使得富G部分形成G-四联体，最终制得hemin/G-四联体/S0/磁珠的结构；

(4)将hemin/G-四联体/S0/磁珠加入到与捕获DNA完全互补或特异性识别的靶物质的溶液中，室温条件下，反应1～2h；

(5)将步骤(4)反应后的溶液混合均匀，滴涂在三维石墨烯修饰电极表面，干燥后，测其电化学响应信号。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤(1)中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺的浓度分别为0.6～1M、0.1～0.3M，且1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与N-羟基琥珀酰亚胺的体积比为1:1～2:1。

9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤(2)中，S0的浓度为20～30nM；

步骤(3)中，S1的浓度为20～30nM。

10.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述靶物质为凝血酶或肿瘤抑制蛋白。