CN106645350B - 聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用 - Google Patents

聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用，利用聚多巴胺薄膜修饰n型半导体材料来构建光电免疫传感器，其中，聚多巴胺具有吸收可见光的能力，能够作为一种有效的光敏剂拆分电荷、转移电子，因此可以增加传感器的光电流响应，同时，聚多巴胺的分子结构中具有邻苯二羟基的结构，此功能团可以与蛋白质中的氨基发生反应从而可以固定生物探针分子而不需要额外的中间介质，使得光电免疫传感器的结构更加简单，保证了该光电免疫传感器的稳定性，以其构建的光电免疫传感器具有较高的灵敏度、特异性和稳定性，适用于所有的蛋白质的检测，还可以用于其他生物分子如DNA、细胞等的检测。

Description

聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的 应用
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体涉及聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用。
背景技术
光电免疫传感是一种利用光电流来检测生物分子的方法，其基本原理是发生在光电极表面的抗原-抗体结合反应阻碍光电流的产生，通过检测抗原抗体反应前后同一光电极上的电流响应，就能对抗原进行直接定量检测，且无需任何标记抗体。一般而言光电极上除了需要集成光电转化所需的半导体-敏化染料等外，还需要提供温和友好的界面用于探针抗体的固定，所以构建步骤繁琐，且器件的稳定性和可重复性欠佳，因此，急需一种制备简单，性能可靠的光电免疫传感。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用。
进一步，所述光电免疫传感器的制作方法为：
(1)在FTO玻璃片上生长n型半导体材料：首先，将清洗后的FTO玻璃片导电面朝下斜靠于装有生长液的烧杯壁上，然后，将所述烧杯放入65-95℃水浴锅中0.5-4h，最后，取出所述玻璃片冲洗后吹干，制得n型半导体材料/FTO电极；
(2)在n型半导体材料/FTO电极上生长聚多巴胺薄膜：将步骤(1)中制得n型半导体材料/FTO电极浸没在多巴胺溶液中2-24h，取出所述n型半导体材料/FTO电极冲洗后吹干，制得PDA/n型半导体材料/FTO电极；
(3)在PDA/n型半导体材料/FTO电极上固定抗体分子：将步骤(2)中制得的PDA/n型半导体材料/FTO电极浸没在抗体溶液中0.5-24h，取出所述PDA/n型半导体材料/FTO电极冲洗后再将其浸没在牛血清蛋白溶液中0.25-24h，取出所述PDA/n型半导体材料/FTO电极冲洗后制得光电免疫传感器。
进一步，步骤(1)中，所述n型半导体材料为氧化锌纳米棒或二氧化钛纳米线中的一种。
进一步，所述光电免疫传感器的制作方法为：
(1)在FTO玻璃片上生长氧化锌纳米棒：首先，将清洗后的FTO玻璃片导电面朝下斜靠于装有生长液的烧杯壁上，然后，将所述烧杯放入75℃水浴锅中2h，最后，取出所述玻璃片冲洗后吹干，制得ZnO/FTO电极；
(2)在ZnO/FTO电极上生长聚多巴胺薄膜：将步骤(1)中制得ZnO/FTO电极浸没在多巴胺溶液中3h，取出所述ZnO/FTO电极冲洗后吹干，制得PDA/ZnO/FTO电极；
(3)在PDA/ZnO/FTO电极上固定抗体分子：将步骤(2)中制得的PDA/ZnO/FTO电极浸没在抗体溶液中1h，取出所述PDA/ZnO/FTO电极冲洗后再将其浸没在牛血清蛋白溶液中15min，取出所述PDA/ZnO/FTO电极冲洗后制得光电免疫传感器。
进一步，步骤(1)中，所述生长液的配制方法为将2.97g六水合硝酸锌、3mL氨水、1mL乙二胺依次加入100mL水中。
进一步，步骤(1)中，所述清洗为依次经过丙酮、无水乙醇、水超声处理，所述超声处理为每种清洗液中超声清洗三次，每次5min。
进一步，步骤(1)和步骤(2)中，所述冲洗为经水冲洗。
进一步，步骤(2)中，所述多巴胺溶液的浓度为2mg/mL，配制方法为将巴胺溶于pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中。
进一步，步骤(3)中，所述冲洗为经过TBS洗液、水依次冲洗；所述TBS洗液的配置方法为将6g三羟甲基氨基甲烷-盐酸盐、8g氯化钠、0.2g氯化钾溶于1L水中，调pH至8后再加入500μL吐温20。
进一步，步骤(3)中，所述牛血清蛋白溶液的浓度为2mg/mL，配制方法为将牛血清蛋白溶于0.01M的PBS缓冲液中。
本发明的有益效果在于：本发明提供了聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用，利用聚多巴胺薄膜修饰n型半导体材料来构建光电免疫传感器，其中，聚多巴胺具有吸收可见光的能力，能够作为一种有效的光敏剂拆分电荷、转移电子，因此可以增加传感器的光电流响应，同时，聚多巴胺的分子结构中具有邻苯二羟基的结构，此功能团可以与蛋白质中的氨基发生反应从而可以固定生物探针分子而不需要额外的中间介质，使得光电免疫传感器的结构更加简单，保证了该光电免疫传感器的稳定性以其构建的光电免疫传感器具有较高的灵敏度。将其修饰于半导体氧化锌纳米棒上构建的光电免疫传感器用于人癌胚抗原的检测，其最低检测线为10pg/mL，在人癌胚抗原浓度为100pg/mL-500ng/mL范围内呈线性分布；将其修饰于半导体氧化锌纳米棒上构建的光电免疫传感器用于小鼠IgG的检测，其最低检测线为100pg/mL，在小鼠IgG浓度为100pg/mL-5000ng/mL范围内呈线性分布具有很好的特异性和稳定性。本发明中聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建的光电免疫传感器适用于所有的蛋白质的检测，还可以用于其他生物分子如DNA、细胞等的检测。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为光电免疫传感器构建的原理示意图；
图2为ZnO/FTO电极上氧化锌纳米棒的扫描电镜图；
图3为ZnO/FTO电极上氧化锌纳米棒的X射线衍射图；
图4为PDA/ZnO/FTO电极上聚多巴胺-氧化锌纳米棒的扫描电镜图和透射电镜图；
图5为PDA/ZnO/FTO电极经过20次暗态-亮态循环后的瞬态电流响应图；
图6为PDA/ZnO/FTO电极上聚多巴胺-氧化锌纳米棒电极在抗坏血酸溶液中的电子转移原理图；
图7为PDA/ZnO/FTO电极在依次连接不同的蛋白质后的瞬态电流曲线；
图8为光电免疫传感器(BSA/鼠抗人癌胚抗原单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极)与不同浓度的人癌胚抗原反应后的光电流响应图；
图9为光电免疫传感器(BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极)与不同浓度的小鼠IgG反应后的光电流响应图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为光电免疫传感器构建的原理示意图，由图1可知，该光电免疫传感器的构建过程如下：在FTO玻璃上生长n型半导体材料后再生长一层聚多巴胺薄膜，最后在聚多巴胺上固定抗体探针分子，并利用牛血清蛋白进行封闭。在进行目标蛋白质检测前后，分别记录该传感器的光电流，通过前后光电流的变化对目标蛋白质进行定量。
实施例1
聚多巴胺修饰半导体氧化锌棒构建光电免疫传感器，具体步骤如下：
(1)在FTO玻璃片上生长氧化锌纳米棒：首先，将依次经丙酮、无水酒精、二次水超声清洗后的FTO玻璃片导电面朝下斜靠于装有生长液的烧杯壁上，其中，每种清洗液超声清洗3次，每次5min；然后，将所述烧杯放入75℃水浴锅中2h；最后，取出所述玻璃片经二次水冲洗后氮气吹干，制得ZnO/FTO电极，所述生长液的配制方法为将2.97g六水合硝酸锌、3mL氨水、1mL乙二胺依次加入100mL二次水中；
(2)在ZnO/FTO电极上生长聚多巴胺薄膜：将步骤(1)中制得ZnO/FTO电极浸没在多巴胺溶液中3h，取出所述ZnO/FTO电极经二次水冲洗后氮气吹干，制得PDA/ZnO/FTO电极，所述多巴胺溶液的浓度为2mg/mL，配制方法为将巴胺溶于pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中；
(3)在PDA/ZnO/FTO电极上固定山羊抗小鼠IgG单克隆抗体：将步骤(2)中制得的PDA/ZnO/FTO电极浸没在山羊抗小鼠IgG单克隆抗体溶液中1h，取出所述PDA/ZnO/FTO电极依次经TBS洗液、二次水冲洗后制得山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极，再将山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极浸没在牛血清蛋白溶液中15min，取出所述山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极再依次经TBS洗液、二次水冲洗后制得光电免疫传感器(BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极)，所述牛血清蛋白溶液的浓度为2mg/mL，配制方法为将牛血清蛋白溶于0.01M的PBS缓冲液中；所述TBS洗液的配置方法为将6g三羟甲基氨基甲烷-盐酸盐、8g氯化钠、0.2g氯化钾溶于1L二次水中，调pH至8后再加入500μL吐温20。
(4)在PDA/ZnO/FTO电极上固定鼠抗人癌胚抗原单克隆抗体：实验步骤参照实验(3)，仅将其中山羊抗小鼠IgG单克隆抗体溶液替换为鼠抗人癌胚抗原单克隆抗体溶液，制得光电免疫传感器(BSA/鼠抗人癌胚抗原单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极)
图2为ZnO/FTO电极上氧化锌纳米棒的扫描电镜图，由图中可以看出，氧化锌纳米棒为FTO表面生长良好，形貌规整，取向随机，密度均匀。
图3为ZnO/FTO电极上氧化锌纳米棒的X射线衍射图，由图中可以看出，该氧化锌纳米棒结晶程度高，有利于电子的传输。
图4中A、B分别为PDA/ZnO/FTO电极上聚多巴胺-氧化锌纳米棒的扫描电镜图和透射电镜图，由图中可以看出，短时间的聚多巴胺生长过程不会对氧化锌纳米棒造成腐蚀，并且聚多巴胺能够在氧化锌纳米棒的表面形成连续、厚度均匀的一层薄膜
实施例2
以实施例1中制得的PDA/ZnO/FTO电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流曲线，所得结果如图5所示，由图5可知，在经过20次暗态-亮态循环后，其光电流的衰减小于5％，表明该电极具有良好的稳定性。其中，PDA/ZnO/FTO电极上聚多巴胺-氧化锌纳米棒电极在抗坏血酸溶液中的电子转移原理如图6所示，由图6可知，在光照条件下，聚多巴胺中具有的共轭大环结构有效吸收光子能量，其中的π电子被激发，并转移到n型半导体氧化锌上，由此产生外电流。而失去电子的聚多巴胺被氧化，由氢醌转变为醌式结构，后者又被溶液中的抗坏血酸还原再生为氢醌结构，因此可以在外电路得到持续稳定的光电流。
实施例3
1、以实施例1中制得的PDA/ZnO/FTO电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流曲线，结果如图7(a)；
2、以实施例1中制得的山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流曲线，结果如图7(b)；
3、以实施例1中制得的BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流曲线，结果如图7(c)；
4、将实施例1中制得的BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极浸没在小鼠IgG溶液中1h，取出所述BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极依次经TBS洗液、二次水冲洗，制得小鼠IgG/BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极，以该电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流曲线，结果如图7(d)；
由图7中(a)、(b)、(c)、(d)可知，电极在逐步连接蛋白质后，其光电流是逐步下降的，表明PDA/ZnO/FTO电极自身能够连接蛋白质，且蛋白质的特异性结合会影响光电流的产生，表明其可以作为光电免疫传感器来检测蛋白质。
实施例4
以实施例1中制得的BSA/鼠抗人癌胚抗原单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流I0；
再将实施例1中制得BSA/鼠抗人癌胚抗原单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极分别浸泡于浓度为0pg/mL、0.01pg/mL、0.1pg/mL、1pg/mL、10pg/mL、100pg/mL、500pg/mL、1000pg/mL、5000pg/m的人癌胚抗原溶液中，反应1h后TBS洗液、二次水依次冲洗后再次记录瞬态电流I，对两次瞬态电流曲线中的光电流的减少比值即(I0-I)/I0进行比较分析，结果如图8所示，由图8可知，该光电免疫传感器对人癌胚抗原的最低检测线为10pg/mL，在抗体浓度为100pg/mL-500ng/mL范围内呈线性分布。
实施例5
以实施例1中制得的BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极作为工作电极，铂片和饱和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1M PBS中添加1mM抗坏血酸作为电解质，外加电压为0V，氙灯(功率为500W，功率密度为100mW/cm2)为光源，记录瞬态电流I0；
再将实施例1中制得BSA/山羊抗小鼠IgG单克隆抗体/PDA/ZnO/FTO电极分别浸泡于浓度为0pg/mL、0.01pg/mL、0.1pg/mL、1pg/mL、10pg/mL、100pg/mL、500pg/mL、1000pg/mL、5000pg/m的小鼠IgG溶液中，反应1h后TBS洗液、二次水依次冲洗后再次记录瞬态电流I，对两次瞬态电流曲线中的光电流的减少比值即(I0-I)/I0进行比较分析，结果如图9所示，由图9可知，该光电免疫传感器对小鼠IgG的最低检测线为100pg/mL，在抗体浓度为100pg/mL-5000ng/mL范围内呈线性分布。
本发明中的光电免疫传感器不仅可以用于蛋白质的检测，还可以用于他生物分子如DNA、细胞等的检测。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.聚多巴胺修饰n型半导体材料在构建光电免疫传感器中的应用，其特征在于，所述光电免疫传感器的制作方法为：
（1）在FTO玻璃片上生长n型半导体材料：首先，将清洗后的FTO玻璃片导电面朝下斜靠于装有生长液的烧杯壁上，然后，将所述烧杯放入65-95℃水浴锅中0.5-4h，最后，取出所述玻璃片冲洗后吹干，制得n型半导体材料/FTO电极；
（2）在n型半导体材料/FTO电极上生长聚多巴胺薄膜：将步骤（1）中制得n型半导体材料/FTO电极浸没在多巴胺溶液中2-24h，取出所述n型半导体材料/FTO电极冲洗后吹干，制得PDA/n型半导体材料/FTO电极；
（3）在PDA/n型半导体材料/FTO电极上固定抗体分子：将步骤（2）中制得的PDA/n型半导体材料/FTO电极浸没在抗体溶液中0.5-24h，取出所述PDA/ n型半导体材料/FTO电极冲洗后再将其浸没在牛血清蛋白溶液中0.25-24h，取出所述PDA/ n型半导体材料/FTO电极冲洗后制得光电免疫传感器。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（1）中，所述n型半导体材料为氧化锌纳米棒或二氧化钛纳米线中的一种。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述光电免疫传感器的制作方法为：
（1）在FTO玻璃片上生长氧化锌纳米棒：首先，将清洗后的FTO玻璃片导电面朝下斜靠于装有生长液的烧杯壁上，然后，将所述烧杯放入75℃水浴锅中2h，最后，取出所述玻璃片冲洗后吹干，制得ZnO/FTO电极；
（2）在ZnO/FTO电极上生长聚多巴胺薄膜：将步骤（1）中制得ZnO/FTO电极浸没在多巴胺溶液中3h，取出所述ZnO/FTO电极冲洗后吹干，制得PDA/ZnO/FTO电极；
（3）在PDA/ZnO/FTO电极上固定抗体分子：将步骤（2）中制得的PDA/ZnO/FTO电极浸没在抗体溶液中1h，取出所述PDA/ZnO/FTO电极冲洗后再将其浸没在牛血清蛋白溶液中15min，取出所述PDA/ZnO/FTO电极冲洗后制得光电免疫传感器。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤（1）中，所述生长液的配制方法为将2.97g六水合硝酸锌、3mL氨水、1mL乙二胺依次加入100mL水中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的应用，其特征在于，步骤（1）中，所述清洗为依次经过丙酮、无水乙醇、水超声处理，所述超声处理为每种清洗液中超声清洗三次，每次5min。
6.根据权利要求1至4任一项所述的应用，其特征在于，步骤（1）和步骤（2）中，所述冲洗为经水冲洗。
7.根据权利要求1至4任一项所述的应用，其特征在于，步骤（2）中，所述多巴胺溶液的浓度为2 mg/mL，配制方法为将多巴胺溶于pH=8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中。
8.根据权利要求1至4任一项所述的应用，其特征在于，步骤（3）中，所述冲洗为经过TBS洗液、水依次冲洗；所述TBS洗液的配置方法为将6g三羟甲基氨基甲烷-盐酸盐、8g氯化钠、0.2g氯化钾溶于1 L水中，调pH至8后再加入500 μL吐温20。
9.根据权利要求1至4任一项所述的应用，其特征在于，步骤（3）中，所述牛血清蛋白溶液的浓度为2 mg/mL，配制方法为将牛血清蛋白溶于0.01M的PBS缓冲液中。
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