CN105445346A - 一种基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建方法和对双酚a的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的方法和一种使用上述光电化学适配体传感器对双酚A的快速、灵敏的检测方法，本发明采用两步法合成棒状的金/氧化锌复合物作为光电信标，并通过调控掺杂剂金的比例，使Au的质量比为1%-10%，制备出性能优异的光电信标，提高光电化学检测灵敏度，能够通过光电流的变化对双酚A的浓度进行有效的检测；本发明中制备出基于金/氧化锌复合材料的双酚A光电化学适配体传感器所用的设备简单，样品处理过程比较简便，具有成本里，易制作，效率和灵敏度高的优点。

Description

一种基于金 / 氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建方法和对双酚 A 的检测方法

技术领域

本发明涉及金/氧化锌复合材料的制备方法，以及用于双酚A的光电化学分析检测方法，属于光电化学分析领域。

背景技术

双酚A（BPA）是一种常见的化学物质并且作为聚碳酸酯塑料的主要成分广泛应用于各种聚合类塑料物如：婴儿奶瓶、可重复使用的水瓶、可重复使用的塑料食品容器、聚氯乙烯薄膜、纸张和硬纸板等。然而有研究表明，双酚A是一种内分泌干扰化学物质，即使是接触到低剂量的双酚A（约为10^-10–10^-8M）人体的细胞增殖和人体的健康也会受到显著的影响。目前普遍认为双酚A的污染主要来自两个方面：（1）双酚A是在生产相关产品时释放到环境中的；（2）含有双酚A的塑料制品或纸质产品在酸性条件或其他的物理条件下酯键连接的双酚A单体发生水解作用释放到环境中。由于双酚A对环境和人类健康有严重的影响，因此对双酚A的快速、有效的检测对食品安全和环境检测具有非常重要的意义。目前检测双酚A的方法有：气相色谱、液相色谱、气质联用、液质联用以及高效液相色谱等，然而，这些方法都会存在如下一种或多种缺点：方法复杂、设备昂贵、稳定性差、灵敏度不高、选择性一般、耗时等。因此，寻求方便、简洁、快速、灵敏以及高特异性的双酚A测试方法引起分析工作者的兴趣。

氧化锌作为一种很重要的n型过渡金属氧化物，禁带宽度为3.37eV，束缚激子能为60 meV，室温下容易被激发，目前受到了广泛的关注。纳米氧化锌可以应用于紫外发射器，高性能纳米传感器，光催化剂，太阳能电池，压电纳米发电机等方面。然而，纳米氧化锌带隙比较宽，本质上可见光利用率低，并且光生电子-空穴对的高复合率很大程度上限制其光催化和光电子转换在未来实际中的应用。为了解决这个问题，最近尝试了很多方法，包括加氢法，掺杂法和涂上其他材料的方法等。

光电化学检测是一种新颖的分析检测方法，和光化学分析法以及电化学分析法相比光电化学分析法有明显的优势，因为光电化学检测是由分离的光源和电化学工作站组合而成，测量的是光激发所产生的电流，其背景信号比较低。光电化学检测法是基于光激发导致电子-空穴对分离，在适当的偏电位的条件下实现电子在被测物、半导体和电极上的快速传递，从而有光电流信号输出。就双酚A光电化学适配体传感器的构建而言，探索金/氧化锌复合比例与光电流之间的关系，同时在金/氧化锌复合材料上修饰双酚A的核酸适配体实现对双酚A的检测是构建高特异性、超灵敏、环境友好和简便的光电化学传感器努力的方向。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供构建一种基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的方法；本发明的另一个目的在于提供一种使用上述光电化学适配体传感器对双酚A的快速、灵敏的检测方法。

技术方案：本发明所述基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、制备金/氧化锌复合材料，并将其滴在干净的ITO导电玻璃上；

步骤二、将双酚A的核酸适配体在35~40 ◦C条件下溶于Tris-EDTA缓冲溶液，配成1μmol L^-1的适配体溶液；

步骤三、将步骤一中构建的金/氧化锌/ITO导电玻璃浸入步骤二配制的适配体溶液中，使适配体结合到金纳米颗上，用Tris-HCL缓冲溶液冲洗该电极；

步骤四、在组装好的适配体/金/氧化锌/ITO电极上滴涂巯基乙醇溶液以堵住非特异性结合的位点，然后用无水乙醇和纯水交替清洗几次并用氮气吹干，最终光电化学适配体传感器构建完成；

所述双酚A的核酸适配体其碱基序列为：5'-(SH)-(CH₂)₆-CCGGTGGGTG-

GTCAGGTGGGATAGCGTTCCGCGTATGGCCCAGCGCATCACGGGTTCGCAC-CA-3'；

优选地，步骤一中制备的金/氧化锌复合材料中Au的质量比为1 %-10 %。

一种基于金/氧化锌复合材料对双酚A的光电化学适配体传感器对双酚A的检测方法，步骤如下：

步骤一、将制备好的适配体/金/氧化锌/ITO导电玻璃作为工作电极、铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，将三电极插入含有一定浓度双酚A的0.1mol L^-1的PBS，pH 为7.0缓冲溶液中；

步骤二、采用步骤一的三电极体系，采用时间–电流测试技术，偏电位为0.2V，在模拟太阳光照射下进行光电信号检测；

步骤三、根据不同双酚A浓度对应光电流值，绘制双酚A浓度-光电流定量关系方程；

步骤四：测试待测样品的光电流值，结合步骤三得出的定量关系方程，测算待测样品中双酚A的浓度。

优选地，对双酚A的检测范围为1-1000 nmol L^-1 。

本发明的原理：贵金属能有效地提高价态分离并且引起在可见光区域表面等离子体共振，近期，贵金属修饰氧化锌已经引起很大的注意。在这些贵金属中，由于金纳米颗粒的性能相对稳定，且具有催化活性以及光学敏感性，因此成为一个更好的选择对象。核酸适配体作为一种特殊的分子识别原件，已经成功的用于识别靶分子，比如氨基酸，蛋白质和一些小分子。和免疫技术相比核酸适配体有很明显的优势，比如简便的人工合成过程，尺寸更小而且更稳定。由于纳米金的金原子和巯基有较强的亲和性，能形成结合力很强的Au-S化学键，这种强的键合作用可以使巯基化合物很牢固的吸附在金纳米颗粒上，根据这一原理，可以将DNA序列的一端修饰上巯基，这样就可以使DNA序列结合到纳米金上。

检测结果显示，随着双酚A浓度的增大，光电流成下降趋势，并在一定浓度范围内不含双酚A时的光电流和含有一定量双酚A时的光电流的差值与浓度的对数成线性关系。双酚A存在的条件下，核酸适配体特异性地结合双酚A，适配体的结构变为G-四联体，这使适配体长通道关闭，随后电子通入口也关闭，导致电子无法传到电极表面，最终光电流减小，根据光电流下降的程度可以计算出双酚A的浓度。

有益技术效果：（1）本发明采用两步法合成棒状的金/氧化锌复合物作为光电信标，并通过调控掺杂剂金的比例，使Au的质量比为1 %-10 %，制备出性能优异的光电信标，提高光电化学检测灵敏度，特别是当金的质量比为7%时光电流最大，能够通过光电流的变化对双酚A的浓度进行有效的检测；（2）本发明中制备出基于金/氧化锌复合材料的双酚A光电化学适配体传感器所用的设备简单，样品处理过程比较简便，具有成本里，易制作，效率和灵敏度高的优点；（3）本发明的检测机理是基于双酚A与其对应的核酸适配体特异性作用，且经过干扰实验测定，排除了其他类似药物的干扰，提高其光电化学法检测的选择性。

本发明本提供了一种构建基于金/氧化锌复合材料的双酚A适配体光电化学传感器的方法，以及对双酚A的检测方法。对于金/氧化锌复合物，金纳米颗粒能有效的提高价态分离并且引起在可见光区域表面等离子体共振，使氧化锌价带变窄，电子更容易跃迁，光电流增大；另外，由于纳米金的金原子和巯基有较强的亲和性，能形成结合力很强的Au-S化学键，所以纳米金还可以作为巯基修饰的适配体的结合位点。当溶液中含有双酚A时，适配体的结构变为G-四联体，这使适配体长通道关闭，随后电子通入口也关闭，导致电子无法传到电极表面，最终光电流减小，根据这一原理来检测双酚A。对双酚A的检测是基于光激发下的光电流作为输出信号，检测信号背景低，无需较为昂贵仪器设备和复杂的样品处理，稳定性好，检测灵敏度高；另外无需酶修饰电极，成本比较低，容易制作，检测的整体效率高。本发明的金/氧化锌复合材料的双酚A适配体光电化学传感器实验结果显示具有线性范围宽（1-1000 nmol L^-1）、检测线低（0.5nmol L^-1）、高特异性、环境友好等特点。

附图说明

图1为金/氧化锌复合材料的透射电镜图；

图2为本发明氧化锌（a）和金/氧化锌复合材料（b）的X–射线衍射图；

图3为基于金/氧化锌复合材料的光电化学法检测双酚A的定量关系拟合方程图；

图4为不同质量金/氧化锌复合物的光电流曲线。

具体实施方式

实施例1

（一）基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建，

首先，将ITO导电玻璃切成1 cm×4 cm，使用氨水、双氧水和去离子水体积比为1:1:50混合溶液进行清洗、冲洗操作，然后在室温下自然晾干待用。

然后，将10 mLZn(NO₃)₂∙6H₂O溶液（0.5 M）在磁力搅拌下逐滴加入10 mL4 M KOH溶液中，然后将混合溶液转移到100 mL的硼硅玻璃瓶中在30◦C条件下反应12 h，离心收集沉淀物，用无水乙醇和纯水交替洗涤混合物3次，洗涤后的沉淀物在70◦C下烘干，制得纯氧化锌物质。

再然后，将适量的HAuCl₄∙4H₂O（0.01 gmL^-1）溶液，其中Au: ZnO的质量比7 wt%和1 mL甲醇溶液加入20 mL 的纯水中，称取30 mg 所制得的氧化锌加入混合液中，缓慢搅拌1 h，然后将混合液转移至50 mL高压反应釜中在120◦C条件下反应1 h，自然冷却至室温，最后离心收集沉淀物，用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀物3次，洗涤后的沉淀物在70 ◦C条件下烘干，最终制得金/氧化锌复合物，金/氧化锌复合材料的透射电镜图如图1所示。氧化锌（a）和金/氧化锌复合材料（b）的X–射线衍射图如图2所示。图1和图2显示金/氧化锌复合材料制备成功。

称取4 mg合成好的金/氧化锌分倒入5 mL的离心管中，再取4 mL去离子水注入离心管中，超声30 min，使其分散均匀，形成1 mgmL^-1的悬浊液，取20μL分散好的悬浊液滴在处理好的ITO导电玻璃上，形成直径为5 mm的圆斑，室温下自然晾干形成均匀的薄膜，然后在450◦C条件下热处理1 h，自然冷却至室温，使金/氧化锌复合物牢固的结合在ITO导电玻璃上。

最后，将双酚A的核酸适配体其碱基序列为：5'-(SH)-(CH₂)₆-CCGGTGGGTG-

GTCAGGTGGGATAGCGTTCCGCGTATGGCCCAGCGCATCACGGGTTCGCAC-CA-3'在35~40 ◦C条件下溶于Tris-EDTA缓冲溶液，配成1μmol L^-1的适配体溶液，将构建好的金/氧化锌/ITO导电玻璃浸入1μmol L^-1的适配体溶液在4◦C条件下过夜，使适配体结合到金纳米颗上，用Tris-HCL缓冲溶液冲洗该电极，除去物理吸附在表面的适配体，然后在组装好的适配体/金/氧化锌/ITO电极上滴涂上10 μL 1 mM的巯基乙醇（MCH）溶液在室温下保持30 min使其堵住非特异性结合的位点，然后用无水乙醇和纯水交替清洗几次并用氮气吹干，最终光电化学适配体传感器构建成功。

（二）、基于金/氧化锌复合材料对双酚A的光电化学适配体传感器的检测，将制备好的适配体/金/氧化锌/ITO导电玻璃作为工作电极、铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，将三电极插入含有一定浓度双酚A的0.1mol L^-1的pH 为7.0的PBS缓冲溶液中。采用时间–电流测试技术，偏电位为0.2V，在模拟太阳光照射下进行光电信号检测。根据不同双酚A浓度对应光电流值，绘制双酚A浓度-光电流定量关系方程，结果如图3所示，测试待测样品时，构建相同体系，测试待测样品的光电流值，结合得出的定量关系方程，测算待测样品中双酚A的浓度。

实施例2

基本步骤与实施例1相同，区别在于将适量的HAuCl₄∙4H₂O（0.01 gmL^-1）溶液，其中Au: ZnO按一定质量比和1 mL甲醇溶液加入20 mL 的纯水中，称取30 mg 所制得的氧化锌加入混合液中，缓慢搅拌1 h，然后将混合液转移至50 mL高压反应釜中在120◦C条件下反应1 h，自然冷却至室温，最后离心收集沉淀物，用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀物3次，洗涤后的沉淀物在70 ◦C条件下烘干，最终制得金/氧化锌复合物。该步骤中Au: ZnO的质量比为1wt%。

实施例3

基本步骤与实施例1相同，区别在于将适量的HAuCl₄∙4H₂O（0.01 gmL^-1）溶液，其中Au: ZnO按一定质量比和1 mL甲醇溶液加入20 mL 的纯水中，称取30 mg 所制得的氧化锌加入混合液中，缓慢搅拌1 h，然后将混合液转移至50 mL高压反应釜中在120◦C条件下反应1 h，自然冷却至室温，最后离心收集沉淀物，用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀物3次，洗涤后的沉淀物在70 ◦C条件下烘干，最终制得金/氧化锌复合物。该步骤中Au: ZnO的质量比为3wt%。

实施例4

基本步骤与实施例1相同，区别在于将适量的HAuCl₄∙4H₂O（0.01 gmL^-1）溶液，其中Au: ZnO按一定质量比和1 mL甲醇溶液加入20 mL 的纯水中，称取30 mg 所制得的氧化锌加入混合液中，缓慢搅拌1 h，然后将混合液转移至50 mL高压反应釜中在120◦C条件下反应1 h，自然冷却至室温，最后离心收集沉淀物，用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀物3次，洗涤后的沉淀物在70 ◦C条件下烘干，最终制得金/氧化锌复合物。该步骤中Au: ZnO的质量比为5wt%。

实施例5

基本步骤与实施例1相同，区别在于将适量的HAuCl₄∙4H₂O（0.01 gmL^-1）溶液，其中Au: ZnO按一定质量比和1 mL甲醇溶液加入20 mL 的纯水中，称取30 mg 所制得的氧化锌加入混合液中，缓慢搅拌1 h，然后将混合液转移至50 mL高压反应釜中在120◦C条件下反应1 h，自然冷却至室温，最后离心收集沉淀物，用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀物3次，洗涤后的沉淀物在70 ◦C条件下烘干，最终制得金/氧化锌复合物。该步骤中Au: ZnO的质量比为9wt%。

实施例6

基本步骤与实施例1相同，区别在于将适量的HAuCl₄∙4H₂O（0.01 gmL^-1）溶液，其中Au: ZnO按一定质量比和1 mL甲醇溶液加入20 mL 的纯水中，称取30 mg 所制得的氧化锌加入混合液中，缓慢搅拌1 h，然后将混合液转移至50 mL高压反应釜中在120◦C条件下反应1 h，自然冷却至室温，最后离心收集沉淀物，用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀物3次，洗涤后的沉淀物在70 ◦C条件下烘干，最终制得金/氧化锌复合物。该步骤中Au: ZnO的质量比为10wt%。

不同质量比a、b、c、d、e、f、g、h、i分别代表0%、1 %、3 %、5 %、6 %、7 %、8 %、9 %、10 %金/氧化锌复合物的光电流曲线如图4所示，结果显示当Au: ZnO的质量比7 wt%时响应最优。

Claims (5)

1.一种基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、制备金/氧化锌复合材料，并将其滴在干净的ITO导电玻璃上；

步骤二、将双酚A的核酸适配体在35~40 C条件下溶于Tris-EDTA缓冲溶液，配成1μmol L^-1的适配体溶液；

步骤三、将步骤一中构建的金/氧化锌/ITO导电玻璃浸入步骤二配制的适配体溶液中，使适配体结合到金纳米颗上，用Tris-HCL缓冲溶液冲洗该电极；

步骤四、在组装好的适配体/金/氧化锌/ITO电极上滴涂巯基乙醇溶液以堵住非特异性结合的位点，然后用无水乙醇和纯水交替清洗几次并用氮气吹干，最终光电化学适配体传感器构建完成。

2.根据权利要求1所述的基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建方法，其特征在于所述双酚A的核酸适配体其碱基序列为：5'-(SH)-(CH₂)₆-CCGGTGGGTG-

GTCAGGTGGGATAGCGTTCCGCGTATGGCCCAGCGCATCACGGGTTCGCAC-CA-3'。

3.根据权利要求1所述的基于金/氧化锌复合材料的光电化学适配体传感器的构建方法，其特征在于步骤一中制备的金/氧化锌复合材料中Au的质量比为1 %-10 %。

4.一种 根据权利要求1或2所述的基于金/氧化锌复合材料对双酚A的光电化学适配体传感器的构建方法构建的传感器对双酚A的检测方法，步骤如下：

步骤一、将制备好的适配体/金/氧化锌/ITO导电玻璃作为工作电极、铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，将三电极插入含有一定浓度双酚A的0.1mol L^-1的PBS，pH 为7.0缓冲溶液中；

步骤二、采用步骤一的三电极体系，采用时间–电流测试技术，偏电位为0.2V，在模拟太阳光照射下进行光电信号检测；

步骤三、根据不同双酚A浓度对应光电流值，绘制双酚A浓度-光电流定量关系方程；

步骤四：测试待测样品的光电流值，结合步骤三得出的定量关系方程，测算待测样品中双酚A的浓度。

5.一种根据权利要求3所述的对双酚A的检测方法，其特征在于对双酚A的检测范围为1-1000 nmol L^-1。