CN105241938B - 一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建及检测方法，包括如下步骤：(1)清洗玻璃电极；(2)制备Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极；(3)制备Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜；(4)将钾离子核酸适配体组装在Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极表面，得到钾离子核酸适配体基光电化学传感器；(5)拟合定量关系曲线，并测算待测样品中钾离子含量。本发明采用一步法电化学合成Mn²⁺掺杂树枝状氧化锌稀磁半导体纳米棒作为光电信标，制备出了性能优异的光电信标；通过拟定定量关系曲线，构建了一个新型的核酸适配体稀磁半导体基光电化学传感平台并将其用于钾离子的超灵敏检测。

Description

一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的 构建及检测方法

技术领域

本发明属于化学分析测试领域，具体涉及一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建及检测方法。

背景技术

钾离子在生物体系里是一种重要的阳离子，其在生物进程中扮演着各种各样的角色，例如：神经传输、维持肌肉力量和细胞外的渗透性、酶活化、细胞凋亡、血压的调整、pH值及活细胞中其他离子浓度的控制等。钾离子浓度的不正常波动是许多疾病的标志，其包括酒精中毒、食欲不振、贪食症、心脏病、糖尿病、艾滋病、癌症等。因此，检测钾离子对疾病的鉴定及诊断具有重要的价值及意义。在各种各样的钾离子检测方法中，G-四联体基核酸适配体传感器因具有极好的灵敏度和选择性而引起人们广泛的兴趣。例如：稳定的色度法、荧光分光光度法、电化学核酸适配体传感法等。然而这些方法都需要特殊的纳米材料如纳米金或氧化还原指示剂如铁来传输信号。因此，发展一种简单的，免标记的、经济的方法仍然是一种挑战。光电化学检测是一种新颖的测试方法，该方法是基于光激发光电信标导致电子-空穴对的分离，在合适的偏电位条件下，实现电子在分析物、半导体、及探针分子间快速传递，从而形成光电流，分析物的存在能够定量地影响光电流的变化，从而实现对分析物的光电化学检测。就光电信标而言，目前的设计体系主要基于单一的半导体，例如：纳米二氧化钛、硫化镉、硒化镉、碲化镉、吡啶钌、聚噻吩衍生物等。然而，单一的半导体由于光生电子对易复合，从而抑制光电信号的产生及进一步地影响光电化学检测灵敏度。最近，能够促进载流子有效分离的异质结半导体和局域表面等离子体技术陆续应用于光电化学传感，然而这些方法具有合成方法复杂，周期长，成本高等特点。因此，寻找一种原位一步合成的过渡金属离子掺杂稀磁半导体作为一种新颖的光电信标是分析化学工作者们努力的新方向。利用该技术构建的光电化学核酸适配体传感器具有响应快、灵敏度高、选择性好、简单、便携、经济、环境友好等特点。然而到目前为止，尚未见有基于稀磁半导体钾离子核酸适配体的光电化学检测方法报道，钾离子核酸适配体基光电化学传感器的构建及检测方法仍是目前该领域的空白。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种灵敏度高、选择性好的基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建及检测方法。

技术方案：本发明所述的一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，包括如下步骤：

(1)采用体积比为1:1:30～50的氨水、双氧水和水的混合溶液对ITO导电玻璃电极进行清洗，然后用水冲洗干净后置于空气中晾干待用；

(2)将步骤(1)中晾干后的ITO导电玻璃电极浸入硝酸锌、硝酸钾和硫酸锰的混合溶液中进行电化学沉积，相对于银/氯化银电极的沉积电位为-0.8～-1.2V，沉积温度为60～100℃，沉积时间为90～150min，沉积后得到Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极；

(3)用水清洗步骤(2)中的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，清除电极表面结合不牢的物质，在60～100℃条件下干燥90～150min，得到结构稳固的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜；

(4)将步骤(3)中得到的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极浸入含有0.5～1.5μmol L^-1钾离子核酸适配体的磷酸盐缓冲溶液体系中，在20～30℃条件下自组装10～12h，将钾离子核酸适配体固定在Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极表面，用0.05～0.15mol L^-1磷酸盐缓冲溶液洗去表面组装不牢的钾离子核酸适配体，得到钾离子核酸适配体基光电化学传感器。

优选地，步骤(2)所述混合液中硝酸锌溶液的浓度为0.3～0.8mmol L^-1，硝酸钾溶液的浓度为0.05～0.15mol L^-1，混合溶液中所述Mn²⁺与Zn²⁺的摩尔比为8％～30％。

优选地，步骤(3)中所述Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜是通过掩膜法制备的直径为5mm的圆形薄膜。

优选地，步骤(4)中所述磷酸盐缓冲溶液体系为磷酸盐缓冲溶液与氯化钠溶液的混合液，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.05～0.15mol L^-1，所述氯化钠溶液的浓度为0.04～0.06mol L^-1。

步骤(4)中所述钾离子核酸适配体的碱基序列为5'-GGGTTAGGGTTA GGGTTAGGG-3'。

优选地，步骤(4)中所述钾离子核酸适配体的浓度为1μmol L^-1。

本发明中所述的基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，包括如下步骤：

(1)将制备好的钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入含钾离子溶液中，在30～40℃条件下静置5min后用0.05～0.15mol L^-1的磷酸盐缓冲溶液和水交叉洗涤，清洁表面未结合牢固的钾离子；

(2)将结合钾离子后的光电化学传感器浸入30mL pH为7的含有槲皮素的磷酸盐缓冲溶液中，采用电流-时间实验技术，在偏置电位为0.1V～0.4V、200W～300W的模拟太阳光照条件下测试光电流，并记测试结果，根据结果拟定钾离子浓度-光电流定量关系曲线；

(3)将钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入尿液中，根据步骤(2)中拟定的钾离子浓度-光电流定量关系曲线，测算待测尿液中钾离子的浓度。

优选地，步骤(1)中所述钾离子溶液浓度为0.012～11.901nmol L^-1。

优选地，步骤(2)中所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.05～0.15mol L^-1，所述槲皮素浓度为1mmol L^-1，体积为10～20mL。

优选地，步骤(2)中所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.1mol L^-1，所述槲皮素体积为15mL时起到最佳促进载流子对分离的效果。

检测结果显示，随着钾离子溶液浓度的升高，光电流的大小在一定浓度范围内也呈现定量的变化，根据此定量变化关系可以拟定钾离子浓度-光电流定量关系方程，测算待测样品中钾离子的浓度。

有益效果：(1)本发明采用一步法电化学合成Mn²⁺掺杂树枝状氧化锌稀磁半导体纳米棒作为光电信标，并通过调控Mn²⁺的比例，使Mn²⁺摩尔比为8％～30％，制备出了性能优异的光电信标，提高光电化学检测灵敏度；(2)本发明制备基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器所用的设备简单，也没有复杂的样品处理过程，具有成本低、易制作、效率高的优点；(3)本发明的检测机理是基于钾离子与其对应核酸适配体的特异性作用，且经过实验鉴定，排除了其他常见离子的干扰，提高其光电化学法检测的选择性；(4)本发明通过拟定钾离子浓度-光电流定量关系曲线，构建了一个新型的核酸适配体稀磁半导体基光电化学传感平台并将其用于钾离子的超灵敏检测。

附图说明

图1为基于G-四联体核酸适配体构象变化的钾离子光电化学传感器的结构示意图；

图2为低分辨率氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(A)和16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(C)；高分辨率氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(B)和16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒能谱图(D)；

图3为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)的X-射线衍射光谱图(A)及其部分放大图(B)；

图4为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒的X-射线光电子总能谱图(A)；Zn 2p轨道(B)、Mn 2p轨道(C)以及O 1s轨道(D)X-射线光电子能谱图；

图5为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒在100Oe下的磁化率随温度变化图(A)；16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒在300K下的磁滞回线图(B)；

图6为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)的紫外-可见漫反射光谱(A)和光致发光谱(B)；

图7为不同电极在0.1mol L^-1pH 7.0磷酸盐缓冲溶液中、偏电位为0.2V及250W的模拟太阳光照射条件下的光电流响应(a、氧化锌纳米棒；b、16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒；c、16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒+0.5μmol L^-1槲皮素；d、修饰有钾离子核酸适配体的16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒+0.5μmol L^-1槲皮素；e、d体系+0.186nmol L^-1钾离子)；

图8为修饰有钾离子核酸适配体的16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极结合不同浓度的钾离子(0,0.012,0.046,0.186,0.743,2.970,11.901nmol L^-1)后在0.1mol L^-1pH7.0磷酸盐缓冲液中含有0.5μmol L^-1槲皮素的光电流相应(从上往下)，偏电位为0.2V、入射光功率为250W；插图为其线性校正曲线；

图9为不同摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极在30mL 0.1mol L^-1pH 7.0磷酸盐缓冲液中的光电流相应；16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极在含有1mmol L^-1不同体积的槲皮素溶液中的光电流响应；偏电位为0.2V、入射光功率为250W；

图10为常见的10倍的干扰离子如Na⁺,Ca²⁺,NH⁴⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Al³⁺及等倍的上述离子的混合物对16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极在30mL 0.1mol L^-1pH 7.0磷酸盐缓冲液含有15μL 1mmol L^-1槲皮素溶液中的光电流的影响比例，偏电位为0.2V、入射光功率为250W。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，包括如下步骤：

(1)采用体积比为1:1:50的氨水、双氧水和水的混合溶液对ITO导电玻璃电极进行清洗，然后用水冲洗干净后置于空气中晾干待用；

(2)将步骤(1)中晾干后的ITO导电玻璃电极浸入硝酸锌、硝酸钾和硫酸锰的混合溶液中进行电化学沉积，相对于银/氯化银电极的沉积电位为-1.0V，沉积温度为80℃，沉积时间为120min，沉积后得到Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，所述混合液中硝酸锌溶液的浓度为0.5mmol L^-1，硝酸钾溶液的浓度为0.1mol L^-1，混合溶液中所述Mn²⁺与Zn²⁺的摩尔比为16％。

(3)用水清洗步骤(2)中的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，清除电极表面结合不牢的物质，在80℃条件下干燥120min，得到结构稳固的直径为5mm的圆形Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜；

(4)制备树技状氧化锌纳米棒光阳极，作为参照电极，其制备方法与上述步骤的区别仅在于不添加硫酸锰；

(5)将步骤(3)中得到的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极浸入1.0mL含有1.0μmol L^-1钾离子核酸适配体的磷酸盐缓冲溶液体系中，在25℃条件下自组装12h，将钾离子核酸适配体固定在Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极表面，用0.1mol L^-1磷酸盐缓冲溶液洗去表面组装不牢的钾离子核酸适配体，得到钾离子核酸适配体基光电化学传感器。

图2为低分辨率氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(A)和16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(C)；高分辨率氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(B)和16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒能谱图(D)；从电镜图片(A)或(B)可以看出，氧化锌纳米棒的长度和直径分别约为1.8μm和300nm，而从16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒场发射扫描电镜图片(C)可以看出其长度和直径分别约为1.2μm和280nm。结果表明，锰的掺杂影响了氧化锌纳米棒的轴向生长，而且，从能谱图(D)也能看出锰成功地掺进氧化锌纳米棒。

图3为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)的X-射线衍射光谱图(A)及其部分放大图(B)；采用X-射线衍射光谱进一步证明了锰成功地掺进了氧化锌纳米棒，且没有其它相的出现。从图(A)中看出16％摩尔比锰掺杂前后，衍射峰的位置发生了蓝移(B图进行了局部放大)，且衍射峰的强度也发生了不同程度的减弱。衍射峰的位置发生了蓝移是因为锌离子半径小于锰离子的半径锰离子的掺杂导致氧化锌纳米棒晶格的扩展，根据舍勒方程可以计算出，将出现更小的衍射峰位置。衍射峰强度的下降表明锰离子的掺杂阻碍了氧化锌纳米棒的轴向生长。

图4为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒的X-射线光电子总能谱图(A)；Zn 2p轨道(B)、Mn 2p轨道(C)以及O 1s轨道(D)X-射线光电子能谱图；X-射线光电子能谱进一步地证明了锰离子掺进了氧化锌纳米棒的晶格，且每种元素对应的结合能对应于各元素的化学态，且与以报道的结论一致。从整个图上没发现其他相的出现，表明我们成功地合成了锰掺杂氧化锌纳米棒。

图5为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒在100Oe下的磁化率随温度变化图(A)；16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒在300K下的磁滞回线图(B)；从上图的磁化率曲线和磁滞回线可以看出，16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒呈铁磁性，且居里温度大于300K，室温铁磁性可能源于流动的电子调节远程的Mn²⁺-Mn²⁺铁磁耦合。铁磁性的出现，再次证明了锰离子成功地掺杂进氧化锌纳米棒晶格。

图6为16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)的紫外-可见漫反射光谱(A)和光致发光谱(B)；从紫外-可见漫反射光谱(A)可以看出，16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)的吸收边发生了红移，表明锰的掺杂降低了氧化锌的带隙值；从光致发光谱(B)可以看出，16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)，发射峰发生了红移，及发射峰强度增大，再次表明，锰离子成功地掺进氧化锌纳米棒晶格。

本发明中所述的一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，包括如下步骤：

(1)将制备好的钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入含钾离子浓度分别为0.012、0.046、0.186、0.743、2.970、11.901nmol L^-1的溶液中，在37℃条件下静置5min后用0.1mol L^-1的磷酸盐缓冲溶液和水交叉洗涤，清洁表面未结合牢固的钾离子；

(2)将结合钾离子后的光电化学传感器浸入30mL pH为7的含有槲皮素的磷酸盐缓冲溶液中，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.1mol L^-1，所述槲皮素浓度为1mmol L^-1，体积为15mL采用电流-时间实验技术，在偏置电位为0.2V、250W的模拟太阳光照条件下测试光电流，并记测试结果，根据结果拟定钾离子浓度-光电流定量关系方程；

(3)将钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入尿液中，根据步骤(2)中拟定的钾离子浓度-光电流定量关系方程，测算待测尿液中钾离子的浓度。

检测结果显示，随着钾离子溶液浓度的升高，光电流的大小在一定浓度范围内也呈现定量的变化。为了更好地阐明本方法的特异性，我们考察了实际样品中可能存在的干扰物，如Na⁺,Ca²⁺,NH₄ ⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Al³⁺对本方法的影响，对照实验按上述步骤进行。

图7为不同电极在0.1mol L^-1pH 7.0磷酸盐缓冲溶液中、偏电位为0.2V及250W的模拟太阳光照射条件下的光电流响应(a、氧化锌纳米棒；b、16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒；c、16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒+0.5μmol L^-1槲皮素；d、修饰有钾离子核酸适配体的16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒+0.5μmol L^-1槲皮素；e、d体系+0.186nmol L^-1钾离子)；从上图可以看出，16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒前(a)后(b)，光电流增大1.6倍，表明锰掺杂促进了载流子对的有效分离；槲皮素作为有效的电子供体，在本方案中，0.5μmol L^-1槲皮素促进光电流增大50％；修饰有钾离子核酸适配体的16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极电流增大11％，表明有可能有部分的碱基被氧化；0.186nmol L^-1钾离子的加入，光电流下降了34％，表明G-四联体的行成阻碍了作为电子供体的槲皮素到达电极表面。

图8为修饰有钾离子核酸适配体的16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极结合不同浓度的钾离子(0,0.012,0.046,0.186,0.743,2.970,11.901nmol L^-1)后在0.1mol L^-1pH7.0磷酸盐缓冲液中含有0.5μmol L^-1槲皮素的光电流相应(从上往下)，偏电位为0.2V、入射光功率为250W；插图为其线性校正曲线；为了进一步提高光电化学传感器的检测灵敏度，优化了不同摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极的制备，结果表明16％摩尔比锰掺杂得到了最佳的光电流；同时优化了作为电子供体的槲皮素的量，结果表15mL1mmol L^-1的槲皮素起到最佳促进载流子对分离的效果。

图9为不同摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极在30mL 0.1mol L^-1pH 7.0磷酸盐缓冲液中的光电流相应；16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极在含有1mmol L^-1不同体积的槲皮素溶液中的光电流响应；偏电位为0.2V、入射光功率为250W；为了进一步提高光电化学传感器的检测灵敏度，优化了不同摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极的制备，结果表明16％摩尔比锰掺杂得到了最佳的光电流；同时优化了作为电子供体的槲皮素的量，结果表明15mL 1mmol L^-1的槲皮素起到最佳促进载流子对分离的效果。

图10为常见的10倍的干扰离子如Na⁺,Ca²⁺,NH⁴⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Al³⁺及等倍的上述离子的混合物对16％摩尔比锰掺杂氧化锌纳米棒光阳极在30mL 0.1mol L^-1pH 7.0磷酸盐缓冲液含有15μL 1mmol L^-1槲皮素溶液中的光电流的影响比例，偏电位为0.2V、入射光功率为250W；从上图可以看出，10倍的干扰离子如Na⁺,Ca²⁺,NH₄ ⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Al³⁺及等倍的上述离子的混合物对钾离子核酸适配体传感器不构成干扰，表明该传感器具有很好的选择性。

实施例2：一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，包括如下步骤：

(1)采用体积比为1:1:40的氨水、双氧水和水的混合溶液对ITO导电玻璃电极进行清洗，然后用水冲洗干净后置于空气中晾干待用；

(2)将步骤(1)中晾干后的ITO导电玻璃电极浸入硝酸锌、硝酸钾和硫酸锰的混合溶液中进行电化学沉积，相对于银/氯化银电极的沉积电位为-0.8V，沉积温度为60℃，沉积时间为150min，沉积后得到Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，所述混合液中硝酸锌溶液的浓度为0.8mmol L^-1，硝酸钾溶液的浓度为0.15mol L^-1，混合溶液中所述Mn²⁺与Zn²⁺的摩尔比为8％。

(3)用水清洗步骤(2)中的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，清除电极表面结合不牢的物质，在60℃条件下干燥150min，得到结构稳固的直径为5mm的圆形Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜；

(4)制备树技状氧化锌纳米棒光阳极，作为参照电极，其制备方法与上述步骤的区别仅在于不添加硫酸锰；

(5)将步骤(3)中得到的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极浸入1.0mL含有0.5μmol L^-1钾离子核酸适配体的磷酸盐缓冲溶液体系中，在20℃条件下自组装10h，将钾离子核酸适配体固定在Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极表面，用0.15mol L^-1磷酸盐缓冲溶液洗去表面组装不牢的钾离子核酸适配体，得到钾离子核酸适配体基光电化学传感器。

本发明中所述的一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，包括如下步骤：

(1)将制备好的钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入含钾离子浓度分别为0.012、0.046、0.186、0.743、2.970、11.901nmol L^-1的溶液中，在30℃条件下静置5min后用0.15mol L^-1的磷酸盐缓冲溶液和水交叉洗涤，清洁表面未结合牢固的钾离子；

(2)将结合钾离子后的光电化学传感器浸入30mL pH为7的含有槲皮素的磷酸盐缓冲溶液中，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.15mol L^-1，所述槲皮素浓度为1mmol L^-1，体积为10mL采用电流-时间实验技术，在偏置电位为0.1V、300W的模拟太阳光照条件下测试光电流，并记测试结果，根据结果拟定钾离子浓度-光电流定量关系方程；

(3)将钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入尿液中，根据步骤(2)中拟定的钾离子浓度-光电流定量关系方程，测算待测尿液中钾离子的浓度。

检测结果显示，随着钾离子溶液浓度的升高，光电流的大小在一定浓度范围内也呈现定量的变化。为了更好地阐明本方法的特异性，我们考察了实际样品中可能存在的干扰物，如Na⁺,Ca²⁺,NH₄ ⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Al³⁺对本方法的影响，对照实验按上述步骤进行。

实施例3：一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，包括如下步骤：

(1)采用体积比为1:1:30的氨水、双氧水和水的混合溶液对ITO导电玻璃电极进行清洗，然后用水冲洗干净后置于空气中晾干待用；

(2)将步骤(1)中晾干后的ITO导电玻璃电极浸入硝酸锌、硝酸钾和硫酸锰的混合溶液中进行电化学沉积，相对于银/氯化银电极的沉积电位为-1.2V，沉积温度为100℃，沉积时间为90min，沉积后得到Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，所述混合液中硝酸锌溶液的浓度为0.3mmol L^-1，硝酸钾溶液的浓度为0.05mol L^-1，混合溶液中所述Mn²⁺与Zn²⁺的摩尔比为30％。

(3)用水清洗步骤(2)中的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，清除电极表面结合不牢的物质，在100℃条件下干燥90min，得到结构稳固的直径为5mm的圆形Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜；

(4)制备树技状氧化锌纳米棒光阳极，作为参照电极，其制备方法与上述步骤的区别仅在于不添加硫酸锰；

(5)将步骤(3)中得到的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极浸入1.0mL含有1.5μmol L^-1钾离子核酸适配体的磷酸盐缓冲溶液体系中，在30℃条件下自组装11h，将钾离子核酸适配体固定在Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极表面，用0.05mol L^-1磷酸盐缓冲溶液洗去表面组装不牢的钾离子核酸适配体，得到钾离子核酸适配体基光电化学传感器。

本发明中所述的一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，包括如下步骤：

(1)将制备好的钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入含钾离子浓度分别为0.012、0.046、0.186、0.743、2.970、11.901nmol L^-1的溶液中，在40℃条件下静置5min后用0.05mol L^-1的磷酸盐缓冲溶液和水交叉洗涤，清洁表面未结合牢固的钾离子；

(2)将结合钾离子后的光电化学传感器浸入30mL pH为7的含有槲皮素的磷酸盐缓冲溶液中，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.05mol L^-1，所述槲皮素浓度为1mmol L^-1，体积为20mL采用电流-时间实验技术，在偏置电位为0.4V、200W的模拟太阳光照条件下测试光电流，并记测试结果，根据结果拟定钾离子浓度-光电流定量关系方程；

(3)将钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入尿液中，根据步骤(2)中拟定的钾离子浓度-光电流定量关系方程，测算待测尿液中钾离子的浓度。

检测结果显示，随着钾离子溶液浓度的升高，光电流的大小在一定浓度范围内也呈现定量的变化。为了更好地阐明本方法的特异性，我们考察了实际样品中可能存在的干扰物，如Na⁺,Ca²⁺,NH₄ ⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Al³⁺对本方法的影响，对照实验按上述步骤进行。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采用体积比为1∶1∶30～50的氨水、双氧水和水的混合溶液对ITO导电玻璃电极进行清洗，然后用水冲洗干净后置于空气中晾干待用；

(2)将步骤(1)中晾干后的ITO导电玻璃电极浸入硝酸锌、硝酸钾和硫酸锰的混合溶液中进行电化学沉积，相对于银/氯化银电极的沉积电位为-0.8～-1.2V，沉积温度为60～100℃，沉积时间为90～150min，沉积后得到Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极；

(3)用水清洗步骤(2)中的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极，清除电极表面结合不牢的物质，在60～100℃条件下干燥90～150min，得到结构稳固的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜；

(4)将步骤(3)中得到的Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极浸入含有0.5～1.5μmol·L^-1钾离子核酸适配体的磷酸盐缓冲溶液体系中，在20～30℃条件下自组装10～12h，将钾离子核酸适配体固定在Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极表面，用0.05～0.15mol·L^-1磷酸盐缓冲溶液洗去表面组装不牢的钾离子核酸适配体，得到钾离子核酸适配体基光电化学传感器。

2.根据权利要求1所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，其特征在于步骤(2)所述混合溶液中硝酸锌溶液的浓度为0.3～0.8mmol·L^-1，硝酸钾溶液的浓度为0.05～0.15mol·L^-1，混合溶液中Mn²⁺与Zn²⁺的摩尔比为8％～30％。

3.根据权利要求1所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，其特征在于步骤(3)中所述Mn掺杂树技状氧化锌纳米棒光阳极薄膜是通过掩膜法制备的直径为5mm的圆形薄膜。

4.根据权利要求1所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，其特征在于步骤(4)中所述磷酸盐缓冲溶液体系为磷酸盐缓冲溶液与氯化钠溶液的混合溶液，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.05～0.15mol·L^-1，所述氯化钠溶液的浓度为0.04～0.06mol·L^-1。

5.根据权利要求1所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，其特征在于步骤(4)中所述钾离子核酸适配体的碱基序列为5′-GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3′。

6.根据权利要求1所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建方法，其特征在于步骤(4)中所述钾离子核酸适配体的浓度为1μmol·L^-1。

7.根据权利要求1所述的构建方法构建的基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将制备好的钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入含钾离子溶液中，在30～40℃条件下静置5min后用0.05～0.15mol·L^-1的磷酸盐缓冲溶液和水交叉洗涤，清洁表面未结合牢固的钾离子；

(2)将结合钾离子后的光电化学传感器浸入30mL pH为7的含有槲皮素的磷酸盐缓冲溶液中，采用电流-时间实验技术，在偏置电位为0.1V～0.4V、200W～300W的模拟太阳光照条件下测试光电流，并记测试结果，根据结果拟定钾离子浓度-光电流定量关系曲线；

(3)将钾离子核酸适配体基光电化学传感器浸入尿液中，根据步骤(2)中拟定的钾离子浓度-光电流定量关系曲线，测算待测尿液中钾离子的浓度。

8.根据权利要求7所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，其特征在于步骤(1)中所述钾离子溶液浓度为0.012～11.901nmol·L^-1。

9.根据权利要求7所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，其特征在于步骤(2)中所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.05～0.15mol·L^-1，所述槲皮素浓度为1mmol·L^-1，体积为10～20mL。

10.根据权利要求7所述基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的检测方法，其特征在于步骤(2)中所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.1mol·L^-1，所述槲皮素体积为15mL。