CN106770588B - 一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用 - Google Patents

一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用，其中，所述肌氨酸检测装置包括一有机电化学晶体管以及固定有肌氨酸氧化酶的柵电极，当待测肌氨酸与柵电极上的肌氨酸氧化酶发生化学反应时，会引起柵电极的界面电势变化，最终通过测量有机电化学晶体管沟道电流的变化来实现对肌氨酸浓度的检测；本发明采用的有机电化学晶体管具有传感和信号放大的功能，在肌氨酸检测中具有非常高的灵敏度和非常低的检测极限，并且本发明提供的肌氨酸检测装置结构简单、制作成本低、工作电压低，且可实现便携式检测。

Description

一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及分子检测技术领域，尤其涉及的是一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用。
背景技术
前列腺癌（prostate cancer）是男性泌尿生殖系统最常见的恶性肿瘤之一，其死亡率已高居男性各种癌症的第二位。在中国，前列腺癌的发病率虽然低于欧美国家，但近年来呈迅速上升趋势，已成为我国中老年男性健康的一大困扰。目前在临床上，前列腺特异性抗原（prostate specific antigen，PSA）作为前列腺肿瘤的重要标志物，已被广泛用于前列腺癌的筛查。然而PSA只是前列腺组织特异性抗原，而非前列腺肿瘤特异性抗原，因此在检测过程中的准确性目前仍有一些疑虑，而且存在漏诊现象。2009年，Sreekumar等研究发现，肌氨酸在前列腺癌患者组织细胞中的浓度比正常人显著提高，并且很容易在尿液中被检测出来，因此认为肌氨酸极其有望成为前列腺癌诊断过程中的一个具有临床诊断价值的肿瘤标志物。研究表明，正常人和前列腺癌患者尿液中的肌氨酸浓度大概在2×10−8~5×10−6M这个范围内。目前对肌氨酸的检测主要有两大类的方法，一类是利用液相色谱（liquidchromatography）或气相色谱（gas chromatography）与质谱（mass spectroscopy）相结合的液相色谱-质谱法（LC/MS）或气相色谱-质谱法（GC/MS）。虽然这类方法的检测极限低（0.05~4nM），但是存在测试成本高、容易受同分异构体的干扰等缺点。另一类是基于传统氧化酶催化的电化学方法，虽然其具有检测成本低，操作简单等优点，但是这种方法的检测灵敏度低，检测极限一般只能达到µM级别，无法很好满足尿液中浓度为2×10−8~5×10−6M的肌氨酸检测要求。综上所述，寻找一种检测成本低、灵敏度高、检测极限低以及准确性高的肌氨酸检测技术已成为迫切需求。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用，旨在解决现有肌氨酸检测技术综合性能较差，存在检测成本高、检测极限不够低、灵敏度低以及准确度低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种肌氨酸检测装置，其中，包括一有机电化学晶体管以及柵电极，所述柵电极通过电解液与所述有机电化学晶体管连接，所述柵电极上固定有肌氨酸氧化酶。
较佳地，所述的肌氨酸检测装置，其中，所述有机电化学晶体管包括衬底以及设置在衬底上的源电极和漏电极，所述源电极与漏电极通过有机半导体薄膜层连接。
较佳地，所述的肌氨酸检测装置，其中，所述有机半导体薄膜层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、聚吡咯类、聚噻吩类、聚苯胺类、聚咔唑类中的一种或多种。
较佳地，所述的肌氨酸检测装置，其中，所述有机半导体薄膜层的厚度为10~300nm。
较佳地，所述的肌氨酸检测装置，其中，所述衬底材料为玻璃、硅片或PET中的一种。
较佳地，所述的肌氨酸检测装置，其中，所述柵电极表面沉积有金属纳米颗粒或碳纳米管。
较佳地，所述的肌氨酸检测装置，其中，所述柵电极为金电极、银电极、铂电极或石墨电极中的一种。
一种肌氨酸检测装置的制备方法，其中，包括步骤：
有机电化学晶体管的制备：在清洗后的衬底上通过热蒸镀沉积金属源电极和漏电极，在所述源电极和漏电极之间涂覆有机半导体薄膜层，涂覆完成后在氮气氛围下进行退火热处理得到有机电化学晶体管；
柵电极固定肌氨酸氧化酶：预先制备有机聚合物与肌氨酸氧化酶的混合溶液；在清洗并干燥后的柵电极上滴加所述混合溶液，冷藏干燥预定时间后，在柵电极上形成一层结合紧密的膜，即完成在柵电极上固定肌氨酸氧化酶的制备；
肌氨酸检测装置的制备：将所述有机电化学晶体管和固定肌氨酸氧化酶的柵电极均放入装有电解液的电解池中，即制备出肌氨酸检测装置。
一种肌氨酸检测装置的应用，其中，所述肌氨酸检测装置用于检测肌氨酸的浓度。
有益效果：本发明提供一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用，所述肌氨酸检测装置包括一有机电化学晶体管以及固定有肌氨酸氧化酶的柵电极，当待测肌氨酸与柵电极上的肌氨酸氧化酶发生化学反应时，会引起柵电极的界面电势变化，最终通过测量有机电化学晶体管沟道电流的变化来实现对肌氨酸浓度的检测；本发明采用的有机电化学晶体管具有传感和信号放大的功能，在肌氨酸检测中具有非常高的灵敏度和非常低的检测极限，并且本发明提供的肌氨酸检测装置结构简单、制作成本低、工作电压低，且可实现便携式检测。
附图说明
图1为本发明一种肌氨酸检测装置较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明图1肌氨酸检测装置中的有机电化学晶体管的放大示意图。
图3为本发明中只固定肌氨酸氧化酶检测肌氨酸的IDS-T曲线图。
图4为本发明中碳纳米管修饰栅电极的检测肌氨酸的IDS-T曲线图。
图5为本发明中铂纳米颗粒修饰栅电极的检测肌氨酸的IDS-T曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种肌氨酸检测装置较佳实施例的结构示意图，如图所示，其包括一有机电化学晶体管10以及柵电极20，所述柵电极20通过电解液30与所述有机电化学晶体管10连接，所述柵电极20上固定有肌氨酸氧化酶21；
进一步，如图2所示，所述有机电化学晶体管10包括衬底11以及设置在衬底11上的源电极12和漏电极13，所述源电极12与漏电极13通过有机半导体薄膜层14连接。
在本发明中，当采用本发明肌氨酸检测装置进行肌氨酸浓度的检测时，首先在源电极12和漏电极13之间加一电压，形成沟道电流；接着在柵电极20与源电极12之间加一电压，形成柵电压对沟道电流进行调控；当加入不同浓度的肌氨酸溶液时，所述肌氨酸与柵电极20上的肌氨酸氧化酶21发生反应，使柵电极20的界面电势发生改变，从而导致沟道电流发生不同程度的变化；通过检测沟道电流的不同变化值，就能实现检测不同浓度的肌氨酸。
具体地，有机电化学晶体管上的沟道电流方程为：，其中，IDS代表沟道电流，q代表电子电量，µ代表空穴迁移率，代表有机半导体层中的初始空穴密度，W和L分别代表器件沟道的宽度和长度，t代表有机半导体膜的厚度，Ci代表OECT器件的有效栅电容，VP代表夹断电压，代表有效栅电压，代表补偿电压，补偿电压与栅极-电解液、电解液-沟道这两个界面的电压降有关系。
当肌氨酸加入电解液中时，由于肌氨酸氧化酶催化肌氨酸分解生成H2O2，而H2O2进一步被铂电极分解并失去电子，在电极表面发生氧化还原反应，产生补偿电压，使有效栅电压发生改变。在此器件中，沟道电流IDS是由有效栅电压来调控的，而有效栅电压与在栅电极上的H2O2浓度的关系如下：，其中，代表电解液-沟道、栅极-电解液这两个界面的电容比，[H2O2]代表H2O2的浓度，k代表玻尔兹曼常数， T代表温度；因此，有效栅电压与H2O2的浓度成正比关系，不同浓度的H2O2会引起变化不同的值。所以通过本发明提供的肌氨酸检测装置可以实现对H2O2的检测，从而实现对不同浓度肌氨酸的检测。如图3所示，当只在柵电极上修饰肌氨酸氧化酶时，加入不同浓度的肌氨酸溶液，沟道电流IDS出现台阶式变化，可以看出此时的肌氨酸检测极限是5x10-7M。
进一步，在本发明中，所述有机半导体薄膜层14为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、聚吡咯类、聚噻吩类、聚苯胺类、聚咔唑类中的一种或多种；由于本发明是通过检测有机电化学晶体管中的沟道电流变化来实现对不同浓度肌氨酸的检测的，而在检测过程中沟道电流的变化是很微小的，因此需要导电率非常强的材料来作为连接源电极与漏电极的导体；优选地，本发明选用导电率较强的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸作为有机半导体薄膜层14，可有效提高对肌氨酸的检测灵敏度。
进一步，在本发明中，所述有机半导体薄膜层14的厚度为10~300nm；优选地，本发明设置所述有机半导体薄膜层的厚度为100nm，在该厚度值时，能充分保证源电极与漏电极的电连接，从而确保检测结果准确。
进一步，在本发明中，为了提高肌氨酸检测装置的灵敏度，可采用碳纳米管修饰柵电极的方式来实现，具体地，可将碳纳米管溶液与肌氨酸氧化酶溶液混合均匀，然后滴加在柵电极上，在冷藏并干燥处理后形成一层结合紧密的膜后，即得到碳纳米管修饰的肌氨酸传感器。当柵电极上修饰有肌氨酸氧化酶和碳纳米管时，采用含有所述柵电极的肌氨酸检测装置去检测不同浓度的肌氨酸溶液时，如图4所示的肌氨酸IDS肌-T测试曲线，在0.01M的PBS溶液中测试，VG=0.5V，VDS=0.1V，肌氨酸的检测极限是5x10-8M，比栅电极上仅修饰肌氨酸氧化酶时的肌氨酸检测极限值降低了一个数量级。
进一步，在本发明中，为了提高肌氨酸检测装置的灵敏度，还可采用金属纳米颗粒修饰柵电极的方式来实现，具体地，可通过先在柵电极表面沉积金属纳米颗粒，然后再沉积肌氨酸氧化酶即可制得金属纳米颗粒修饰的肌氨酸传感器。当柵电极上修饰有肌氨酸氧化酶和金属纳米颗粒时，采用含有所述柵电极的肌氨酸检测装置去检测不同浓度的肌氨酸溶液时，如图5所示肌氨酸的IDS-T测试曲线，在0.01M的PBS溶液中测试，VG=0.5V，VDS=0.1V，肌氨酸的检测极限是5x10-9M，比栅电极上仅修饰肌氨酸氧化酶时的肌氨酸检测极限值降低了两个数量级，完全可以满足尿液中浓度为2×10−8~5×10−6M的肌氨酸检测要求。
进一步，在本发明中，所述衬底材料为玻璃、硅片或PET中的一种；所述源电极和漏电极均由金、银、铜、铂金等金属导电薄膜材料构成；所述源电极和漏电极的厚度均为50-500nm，优选为100nm；所述柵电极为金电极、银电极、铂电极或石墨电极中的一种，优选为铂电极。
基于上述肌氨酸检测装置，本发明还提供一种肌氨酸检测装置的制备方法，其中，包括步骤：
有机电化学晶体管的制备：在清洗后的衬底上通过热蒸镀沉积金属源电极和漏电极，在所述源电极和漏电极之间涂覆有机半导体薄膜层，涂覆完成后在氮气氛围下进行退火热处理得到有机电化学晶体管；
柵电极固定肌氨酸氧化酶：预先制备有机聚合物与肌氨酸氧化酶的混合溶液；在清洗并干燥后的柵电极上滴加所述混合溶液，冷藏干燥预定时间后，在柵电极上形成一层结合紧密的膜，即完成在柵电极上固定肌氨酸氧化酶的制备；
进一步，所述有机聚合物为聚糖（Chitosan）、全氟磺酸（Nafion）或聚苯胺（Polyaniline）中的一种。
肌氨酸检测装置的制备：将所述有机电化学晶体管和固定肌氨酸氧化酶的柵电极均放入装有电解液的电解池中，即制备出肌氨酸检测装置。
下面通过具体实施例对本发明的肌氨酸检测装置的制备方法做进一步的说明：
实施例1
有机电化学晶体管（OECT）的制备：将清洗好的玻璃贴紧在设计好图案的掩模板上，通过热蒸镀沉积金属电极，分别沉积10nm的Cr和100nm的Au以得到Au/Cr/玻璃电极，在该电极上旋涂一层掺有二甲基亚砜（DMSO）的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS），将不需要覆盖PEDOT:PSS膜的地方擦除干净。在氮气氛围180°C退火30分钟，使PEDOT:PSS膜更加牢固的附着在电极表面并最终得到了有机电化学晶体管；
制作肌氨酸氧化酶修饰的铂电极：将铂电极分别用丙酮、乙醇以及水超声清洗10分钟并吹干待用；取20mg/ml的肌氨酸氧化酶溶液20μL与1%的Nafion溶液10μL混合均匀并滴加在铂电极表面，放入冰箱4℃冷藏干燥24小时，在铂电极表面形成一层结合紧密的膜后，用去离子水冲洗电极表面，以备待用；
肌氨酸检测装置的制备：将所述有机电化学晶体管和固定肌氨酸氧化酶的铂电极均放入装有电解液的电解池中，即制备出肌氨酸检测装置。
图3是只在栅电极上修饰肌氨酸氧化酶时，肌氨酸的IDS-T测试曲线，在0.01M的PBS溶液中测试，VG=0.5V，VDS=0.1V，肌氨酸的检测极限是5x10-7M。
实施例2
有机电化学晶体管（OECT）的制备：将清洗好的玻璃贴紧在设计好图案的掩模板上，通过热蒸镀沉积金属电极，分别沉积10nm的Cr和100nm的Au以得到Au/Cr/玻璃电极，在该电极上旋涂一层掺有二甲基亚砜（DMSO）的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS），将不需要覆盖PEDOT:PSS膜的地方擦除干净。在氮气氛围180°C退火30分钟，使PEDOT:PSS膜更加牢固的附着在电极表面并最终得到了OECT器件；
制备碳纳米管分散液：取1.5mg多壁碳纳米管加入5ml含有1%Nafion的PBS溶液中，超声分散4小时后，得到0.3mg/ml的分散均匀的多壁碳纳米管溶液；
制备碳纳米管与肌氨酸氧化酶修饰的栅电极：将铂电极分别用丙酮、乙醇以及水超声清洗10分钟并吹干待用；分别取分散均匀的0.3mg/ml的多壁碳纳米管溶液10μl和20mg/ml的肌氨酸氧化酶溶液20μl混合均匀，然后滴加在清洗干净的铂电极表面，放入冰箱4℃冷藏干燥24小时，在铂电极表面形成一层结合紧密的膜后，用去离子水冲洗电极表面，以备待用；
肌氨酸检测装置的制备：将碳纳米管与肌氨酸氧化酶修饰的铂电极和所述有机电化学晶体管均放入装有电解液的电解池中，即制备出肌氨酸检测装置。
基于有机电化学晶体管的碳纳米管修饰栅电极的肌氨酸传感器原理：基于有机电化学晶体管原理的基础上，利用碳纳米管对栅电极进一步改性，制备具有多层结构的多壁碳纳米管-Nafion/肌氨酸氧化酶/铂电极作为栅电极，以提高传感器的检测灵敏度。由于碳纳米管具有大的比表面积，而且电子传输性能好，能够使过氧化氢分解产生的电子快速传递到栅电极，从而提高肌氨酸的检测灵敏度。图4是在栅电极上修饰肌氨酸氧化酶和碳纳米管时，肌氨酸的IDS-T测试曲线，在0.01M的PBS溶液中测试，VG=0.5V，VDS=0.1V，肌氨酸的检测极限是5x10-8M，比不修饰的降低了一个数量级。
实施例3
有机电化学晶体管（OECT）的制备：将清洗好的玻璃贴紧在设计好图案的掩模板上，通过热蒸镀沉积金属电极，分别沉积10nm的Cr和100nm的Au以得到Au/Cr/玻璃电极，在该电极上旋涂一层掺有二甲基亚砜（DMSO）的聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸水溶液（PEDOT:PSS），将不需要覆盖PEDOT:PSS膜的地方擦除干净。在氮气氛围180°C退火30分钟，使PEDOT:PSS膜更加牢固的附着在电极表面并最终得到了OECT器件；
制备铂纳米颗粒修饰的栅电极：将铂电极分别用丙酮、乙醇以及水超声清洗10分钟并吹干待用；将清洗干净的铂电极作为工作电极与对电极（铂片）以及参比电极（银/氯化银）置于配制好的含有0.005M的氯铂酸和0.05M盐酸水溶液中进行电化学沉积，沉积电压为-0.3V，沉积时间为90s。沉积完成后清洗干净并干燥待用；
将肌氨酸氧化酶固定于铂纳米颗粒修饰的栅电极上：分别取20mg/ml的肌氨酸氧化酶溶液20μl和1%的Nafion溶液10μl混合均匀并滴加在铂电极表面，放入冰箱4℃冷藏干燥24小时，在铂电极表面形成一层结合紧密的膜后，用去离子水冲洗电极表面，以备待用；
肌氨酸检测装置的制备：将铂纳米颗粒与肌氨酸氧化酶修饰的铂电极和所述有机电化学晶体管均放入装有电解液的电解池中，即制备出肌氨酸检测装置。
基于有机电化学晶体管原理的基础上，用铂纳米颗粒对栅电极进一步改性，以提高传感器的检测灵敏度。图5是在栅电极上修饰铂纳米颗粒和肌氨酸氧化酶时，肌氨酸的IDS-T测试曲线，在0.01M的PBS溶液中测试，VG=0.5V，VDS=0.1V，肌氨酸的检测极限是5x10- 9M，比不修饰的降低了2个数量级，完全可以满足尿液中浓度为2×10−8~5×10−6M的肌氨酸检测要求。
进一步，本发明还提供一种肌氨酸检测装置的应用，其中，所述肌氨酸检测装置用于检测肌氨酸的浓度。
综上所述，本发明提供一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用，所述肌氨酸检测装置包括一有机电化学晶体管以及固定有肌氨酸氧化酶的柵电极，当待测肌氨酸与柵电极上的肌氨酸氧化酶发生化学反应时，会引起柵电极的界面电势变化，最终通过测量有机电化学晶体管沟道电流的变化来实现对肌氨酸浓度的检测；本发明采用的有机电化学晶体管具有传感和信号放大的功能，在肌氨酸检测中具有非常高的灵敏度和非常低的检测极限，并且本发明提供的肌氨酸检测装置结构简单、制作成本低、工作电压低，且可实现便携式检测。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如，本发明中有机电化学晶体管中的有机半导体层可换成其他无机半导体薄膜材料如石墨烯等，或者本发明中修饰栅电极的铂纳米颗粒可以替换成其他金属纳米颗粒如金纳米颗粒等，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种肌氨酸检测装置，其特征在于，包括一有机电化学晶体管以及柵电极，所述柵电极通过电解液与所述有机电化学晶体管连接，所述柵电极上固定有肌氨酸氧化酶；
所述有机电化学晶体管包括衬底以及设置在衬底上的源电极和漏电极，所述源电极与漏电极通过有机半导体薄膜连接；
所述有机半导体薄膜的厚度为100nm；
本装置检测原理为：当加入不同浓度的肌氨酸溶液时，肌氨酸与柵电极上的肌氨酸氧化酶发生反应，使柵电极的界面电势发生改变，从而导致晶体管沟道电流发生变化；通过检测晶体管沟道电流的变化值，就能实现检测不同浓度的肌氨酸；
所述柵电极为铂电极；
所述柵电极表面修饰有铂纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的肌氨酸检测装置，其特征在于，所述有机半导体薄膜层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、聚吡咯类、聚噻吩类、聚苯胺类、聚咔唑类中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的肌氨酸检测装置，其特征在于，所述衬底材料为玻璃、硅片或PET中的一种。
4.一种肌氨酸检测装置的制备方法，其特征在于，包括步骤：
有机电化学晶体管的制备：在清洗后的衬底上通过热蒸镀沉积金属源电极和漏电极，在所述源电极和漏电极之间涂覆有机半导体薄膜层，涂覆完成后在氮气氛围下进行退火热处理得到有机电化学晶体管；
柵电极固定肌氨酸氧化酶：预先制备有机聚合物与肌氨酸氧化酶的混合溶液；在清洗并干燥后的柵电极上滴加所述混合溶液，冷藏干燥预定时间后，在柵电极上形成一层结合紧密的膜，即完成在柵电极上固定肌氨酸氧化酶的制备；
肌氨酸检测装置的制备：将所述有机电化学晶体管和固定肌氨酸氧化酶的柵电极均放入装有电解液的电解池中，即制备出肌氨酸检测装置；
所述有机半导体薄膜的厚度为100nm；
本装置检测原理为：当加入不同浓度的肌氨酸溶液时，肌氨酸与柵电极上的肌氨酸氧化酶发生反应，使柵电极的界面电势发生改变，从而导致沟道电流发生变化；通过检测沟道电流的变化值，就能实现检测不同浓度的肌氨酸；
所述柵电极为铂电极；
所述柵电极表面修饰有铂纳米颗粒。
5.一种如权利要求1-3任一所述的肌氨酸检测装置的应用，其特征在于，所述肌氨酸检测装置用于检测肌氨酸的浓度。
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