CN107045010A - 基于二硫化锡‑介孔氮化碳的光电化学传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于二硫化锡‑介孔氮化碳的光电化学传感器的制备方法。本发明以二硫化锡和介孔氮化碳为光电转换材料并用可见光照射来获得光电流。载体介孔氮化碳与二硫化锡能带匹配良好，使光电转换效率大大提高。根据不同浓度的待测物的对光电信号的强度影响的不同，实现对前列腺特异性抗原的检测。其检测限为21 fg/mL。

Description

基于二硫化锡-介孔氮化碳的光电化学传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及基于二硫化锡-介孔氮化碳的光电化学传感器的制备方法，具体是采用介孔氮化碳-二硫化锡作为光电转换材料，制备一种检测前列腺特异性抗原的光电化学传感器，属于新型功能材料与生物传感检测技术领域。

背景技术

近年来，前列腺癌的发病率呈现逐年上升的趋势，已跃居男性泌尿、生殖系统恶性肿瘤的第三位。前列腺的病变严重影响了男性的生产和生活。前列腺特异性抗原是由前列腺腺泡和导管上的上皮细胞分泌的一种含有237个氨基酸单链糖蛋白，为一种蛋白分解酶。它参与精液的液化过程，对人体的生殖功能起着极为重要的作用。正常情况下，它在血清中含量较小。当前列腺发生病变时会伴随着血清中的前列腺特异性抗原含量急剧升高。血清前列腺特异性抗原水平测试稳定性，重复性好，并且无创伤，十分有助于前列腺癌早期诊断，监测治疗反应及判断预后。因此，建立一种快速、准确地检测地前列腺特异性抗原的分析方法非常必要。

目前已有的前列腺特异性抗原的临床检测方法很多，如放射免疫分析、酶联免疫分析、化学发光免疫分析等。这些方法的共同特点是灵敏度高，特异性强，但放射免疫分析方法检测设备复杂，所有试剂有放射性危害，实验操作人员必须经过专门的培训才可上岗；酶联免疫分析操作繁琐；化学发光免疫分析检测时间长。因此，以上分析方法已越来越不能满足人们的检测需求。近年来兴起的光电化学免疫分析方法因为其设备简单易小型化，检测成本低廉，背景信号小，灵敏度高等优点已经受到越来越多的关注。

Wei-Wei Zhao等，基于CdS量子点构建的光电化学传感器对前列腺特异性抗原的检测范围为0.5 pg/mL ~ 5 ng/mL，检测限为0.5 pg/mL。Tian Gan等采用二硫化锡包覆多壁碳纳米管形成核壳结构的复合材料构建了电化学传感器，通过二硫化锡包覆碳纳米管以防止碳纳米管的缠结进而提高材料电导率，提升电化学传感器的灵敏度。Lei Ge等将CdS量子点偶联到g-C₃N₄上，利用两者的协同效应使光生电荷载体的有效分离，增强了材料的可见光光催化产氢活性。Yixin Liu等则将多壁碳纳米管、硫化镉与二硫化锡三种材料复合，并研究了此材料在光电传感器上的应用。材料中多壁碳纳米管作为载体和电子导体，二硫化锡与硫化镉协同产生光电信号。Zhenyi Zhang等采用超声分散法将g-C₃N₄与SnS₂耦合，借助大的接触面积以提升光致界面电荷转移效率，并研究了SnS₂/g-C₃N₄材料在光催化上的应用。本发明则创新性的使用绿色无毒、廉价易得的介孔氮化碳经羧基化后与二硫化锡相复合，并用得到的复合材料构建了光电化学传感器用以检测前列腺特异性抗原。二硫化锡-介孔氮化碳材料中，介孔氮化碳首先作为载体材料负载二硫化锡，其次它与二硫化锡有很好的能级匹配可以在复合之后极大地提升光电流。经羧基化后的介孔氮化碳材料不但为抗体材料的固定提供了羧基这一结合位点，还大大增加了自身及复合材料的水溶性。本发明所合成的复合材料尚未见在其它文献或专利中报道，且该材料被用在光电传感器上也尚属首次。本发明制备的传感器以二硫化锡-介孔氮化碳为电信号源，根据不同浓度的待测物对电信号强度影响的不同，实现对前列腺特异性抗原的检测。本发明所制备的光电化学传感器对前列腺特异性抗原的检测范围为0.05 pg/mL ~ 10 ng/mL，检测限为0.021 pg/mL，较Wei-Wei Zhao所制备的传感器检测限提高了25倍。本发明制备的光电化学传感器，具有低成本、高灵敏、特异性好、快速检测、易于制备等优点，实现了在可见光区域对前列腺特异性抗原的快速、高灵敏检测，有效克服了目前前列腺特异性抗原检测方法的不足。

发明内容

本发明的目的之一是将介孔氮化碳的羧基化在其表面引入羧基，引入的羧基增强了介孔氮化碳及它与二硫化锡复合物在水中的分散性，并为下一步抗体材料的修饰提供了结合位点。

本发明的目的之二是将绿色无毒、具有大比表面积、与二硫化锡能带匹配良好的介孔氮化碳羧基化后与二硫化锡复合，制备出具有优异光电效应的复合材料，在可见光照射下具有很高的光电转换效率。

本发明的目的之三是以二硫化锡-介孔氮化碳为光电转换材料，制备一种灵敏度高、特异性强、检测速度快的光电化学传感器，实现在可见光条件下对前列腺特异性抗原超灵敏检测的目的。

本发明的技术方案如下：

1. 基于二硫化锡-介孔氮化碳的光电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）羧基化介孔氮化碳材料的制备

取3.5 g尿素和1.0~3.0 g二氰二胺置于研钵中混合并研磨1 h，之后将研好的粉末转移至氧化铝坩埚内，置于马弗炉中500 ~ 600 ℃煅烧3 ~ 5 h，冷却至室温，取0.5 ~ 2.0 g的产物加入80 ~ 180 mL、3.5 ~ 10 mol/L的硝酸水溶液中于100 ~ 140 ℃回流18 ~ 28h，冷却至室温后，回流产物用超纯水离心洗涤，30 ~ 40 ℃真空干燥10 ~ 14 h；

（2）二硫化锡-介孔氮化碳的制备

取0.01 ~ 0.1 g羧基化介孔氮化碳溶于10 ~ 20 mL超纯水中，再向该溶液中加入0.2~ 1 mL乙酸，超声0.2 ~ 1 h得溶液A，取四氯化锡五水合物0.2 ~ 1 g加入溶液A中并搅拌0.5 ~ 2 h得溶液B，取硫代乙酰胺0.15 ~ 0.45 g加入溶液B中，将此混合液搅拌0.5 ~ 2 h后移入反应釜， 160 ~ 200 ℃下反应6 ~ 16 h，自然冷却，所得产物用无水乙醇和超纯水各离心洗涤3次，30 ~ 50 ℃真空干燥10 ~ 14 h；

（3）光电化学传感器的制备

1）将导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗，氮气吹干；

2）取6 µL、2 ~ 6 mg/mL的二硫化锡-介孔氮化碳溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，红外灯下晾干；

3）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的200 ~ 500 mmoL/mL 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐和50 ~ 200 mmoL/mL N-羟基琥珀酰亚胺的混合液4 μL，超纯水冲洗电极表面，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

4）滴加6 µL、5 ~ 20 μg/mL的前列腺特异性抗体，超纯水清洗，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

5）滴加3 µL、质量分数为1% ~ 3%的牛血清白蛋白溶液于修饰电极表面，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾干；

6）滴加6 µL、0.05 pg/mL ~ 10 ng/mL前列腺特异性抗原，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中自然晾干，制得一种检测前列腺特异性抗原光电化学传感器。

2. 光电化学传感器的检测方法如下：

（1）使用电化学工作站以三电极体系进行测试，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，制备的ITO修饰电极为工作电极，在12 mL、pH 6.0 ~ 8.0的PBS，0.05 ~ 0.2mol/L的抗坏血酸缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对前列腺特异性抗原标准溶液进行检测，设置电压为-0.1 ~ 0.1V，运行时间120 s，光源波长为400 ~ 450 nm；

（3）电极放置好之后，每隔20 s开灯持续照射20 s，记录光电流，绘制工作曲线；

（4）将待测的前列腺特异性抗原样品溶液代替前列腺特异性抗原标准溶液进。

本发明的有益成果

（1）该发明成功的合成了具有高光电转换效率的二硫化锡-介孔氮化碳新型复合材料，解决了单纯二硫化锡和单纯羧基化介孔氮化碳光电转换效率低的问题。

（2）二硫化锡与介孔氮化碳能带匹配良好，复合之后有利于光生电子空穴对分离，提高了光电转换效率，使得电极上的光电转换材料材料在可见光照射条件下产生的电信号大且稳定。

（3）本发明利用抗原、抗体之间的免疫反应，提高了检测方法的特异性。

（4）本发明制备的光电化学传感器，用于前列腺特异性抗原的检测，响应时间短，检测限低，线性范围宽，稳定性好，可以实现简单、快速、高灵敏和特异性检测，本发明对前列腺特异性抗原检测线性范围为0.05 pg/mL ~ 10 ng/mL，检测限达到21 fg/mL。

具体实施方式

实施例1 光电化学传感器的制备

（1）羧基化介孔氮化碳材料的制备

取3.5 g尿素和1.0 g二氰二胺置于研钵中混合并研磨1 h，之后将研好的粉末转移至氧化铝坩埚内，置于马弗炉中500 ℃煅烧3 h，冷却至室温，取0.5 g的产物加入80 mL、3.5mol/L的硝酸水溶液中于100 ℃回流18 h，冷却至室温后，回流产物用超纯水离心洗涤，30℃真空干燥10 h；

（2）二硫化锡-介孔氮化碳的制备

取0.01 g羧基化介孔氮化碳溶于10 mL超纯水中，再向该溶液中加入0.2 mL乙酸，超声0.2 h得溶液A，取四氯化锡五水合物0.2 g加入溶液A中并搅拌0.5 h得溶液B，取硫代乙酰胺0.15 g加入溶液B中，将此混合液搅拌0.5 h后移入反应釜， 160 ℃下反应6 h，自然冷却，所得产物用无水乙醇和超纯水各离心洗涤3次，30 ℃真空干燥10 h；

（3）光电化学传感器的制备

1）将导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗，氮气吹干；

2）取6 µL、2 mg/mL的二硫化锡-介孔氮化碳溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，红外灯下晾干；

3）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的200 mmoL/mL 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐和50 mmoL/mL N-羟基琥珀酰亚胺的混合液4 μL，超纯水冲洗电极表面，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

4）滴加6 µL、5 μg/mL的前列腺特异性抗体，超纯水清洗，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

5）滴加3 µL、质量分数为2%的牛血清白蛋白溶液于修饰电极表面，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾干；

6）滴加6 µL、0.05 pg/mL~10 ng/mL前列腺特异性抗原，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中自然晾干，制得一种检测前列腺特异性抗原光电化学传感器。

实施例2 光电化学传感器的制备

（1）羧基化介孔氮化碳材料的制备

取3.5 g尿素和1.5 g二氰二胺置于研钵中混合并研磨1 h，之后将研好的粉末转移至氧化铝坩埚内，置于马弗炉中530 ℃煅烧4 h，冷却至室温，取1.0 g的产物加入100 mL、5mol/L的硝酸水溶液中于125 ℃回流24 h，冷却至室温后，回流产物用超纯水离心洗涤，35℃真空干燥12 h；

（2）二硫化锡-介孔氮化碳的制备

取0.06 g羧基化介孔氮化碳溶于13 mL超纯水中，再向该溶液中加入0.7 mL乙酸，超声0.5 h得溶液A，取四氯化锡五水合物0.6 g加入溶液A中并搅拌0.5 h得溶液B，取硫代乙酰胺0.25 g加入溶液B中，将此混合液搅拌1 h后移入反应釜， 180 ℃下反应12 h，自然冷却，所得产物用无水乙醇和超纯水各离心洗涤3次，35 ℃真空干燥12 h；

（3）光电化学传感器的制备

1）将导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗，氮气吹干；

2）取6 µL、3 mg/mL的二硫化锡-介孔氮化碳溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，红外灯下晾干；

3）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的400 mmoL/mL 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐和100 mmoL/mL N-羟基琥珀酰亚胺的混合液4 μL，超纯水冲洗电极表面，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

4）滴加6 µL、10 μg/mL的前列腺特异性抗体，超纯水清洗，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

5）滴加3 µL、质量分数为1%的牛血清白蛋白溶液于修饰电极表面，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾干；

6）滴加6 µL、0.05 pg/mL~10 ng/mL前列腺特异性抗原，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中自然晾干，制得一种检测前列腺特异性抗原光电化学传感器。

实施例3 光电化学传感器的制备

（1）羧基化介孔氮化碳材料的制备

取3.5 g尿素和3 g二氰二胺置于研钵中混合并研磨1 h，之后将研好的粉末转移至氧化铝坩埚内，置于马弗炉中600 ℃煅烧5 h，冷却至室温，取2.0 g的产物加入180 mL、10mol/L的硝酸水溶液中于140 ℃回流24 h，冷却至室温后，回流产物用超纯水离心洗涤，40℃真空干燥14 h；

（2）二硫化锡-介孔氮化碳的制备

取0.09 g羧基化介孔氮化碳溶于20 mL超纯水中，再向该溶液中加入0.9 mL乙酸，超声1 h得溶液A，取四氯化锡五水合物1 g加入溶液A中并搅拌2 h得溶液B，取硫代乙酰胺0.45g加入溶液B中，将此混合液搅拌2 h后移入反应釜， 200 ℃下反应15 h，自然冷却，所得产物用无水乙醇和超纯水各离心洗涤3次，50 ℃真空干燥14 h；

（3）光电化学传感器的制备

1）将导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗，氮气吹干；

2）取6 µL、6 mg/mL的二硫化锡-介孔氮化碳溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，红外灯下晾干；

3）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的500 mmoL/mL 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐和200 mmoL/mL N-羟基琥珀酰亚胺的混合液4 μL，超纯水冲洗电极表面，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

4）滴加6 µL、20 μg/mL的前列腺特异性抗体，超纯水清洗，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

5）滴加3 µL、质量分数为3%的牛血清白蛋白溶液于修饰电极表面，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾干；

6）滴加6 µL、0.05 pg/mL~10 ng/mL前列腺特异性抗原，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中自然晾干，制得一种检测前列腺特异性抗原光电化学传感器。

实施例4 前列腺特异性抗原的检测

（1）使用电化学工作站以三电极体系进行测试，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，制备的ITO修饰电极为工作电极，在12 mL、pH 8.0的PBS，0.05 mol/L的抗坏血酸缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对前列腺特异性抗原标准溶液进行检测，设置电压为0.1 V，运行时间120 s，光源波长为400 nm；

（3）电极放置好之后，每隔20 s开灯持续照射20 s，记录光电流，绘制工作曲线；

（4）将待测的前列腺特异性抗原样品溶液代替前列腺特异性抗原标准溶液进行检测。

实施例5 前列腺特异性抗原的检测

（1）使用电化学工作站以三电极体系进行测试，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，制备的ITO修饰电极为工作电极，在12 mL、pH 7.0的PBS，0.1 mol/L的抗坏血酸缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对前列腺特异性抗原标准溶液进行检测，设置电压为0 V，运行时间120 s，光源波长为430 nm；

（3）电极放置好之后，每隔20 s开灯持续照射20 s，记录光电流，绘制工作曲线；

（4）将待测的前列腺特异性抗原样品溶液代替前列腺特异性抗原标准溶液进行检测。

实施例6 前列腺特异性抗原的检测

（1）使用电化学工作站以三电极体系进行测试，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，制备的ITO修饰电极为工作电极，在12 mL、pH 6.0的PBS，0.2 mol/L的抗坏血酸缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对前列腺特异性抗原标准溶液进行检测，设置电压为-0.1 V，运行时间120 s，光源波长为450 nm；

（3）电极放置好之后，每隔20 s开灯持续照射20 s，记录光电流，绘制工作曲线；

（4）将待测的前列腺特异性抗原样品溶液代替前列腺特异性抗原标准溶液进行检测。

Claims (2)

1.基于二硫化锡-介孔氮化碳的光电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）羧基化介孔氮化碳材料的制备

取3.5 g尿素和1.0 ~ 3.0 g二氰二胺置于研钵中混合并研磨1 h；之后将研好的粉末转移至氧化铝坩埚内，置于马弗炉中500 ~ 600 ℃煅烧3 ~ 5 h，冷却至室温，取0.5 ~ 2.0g的产物加入80 ~ 180 mL、3.5 ~ 10 mol/L的硝酸水溶液中于100 ~ 140 ℃回流18 ~ 28h，冷却至室温后，回流产物用超纯水离心洗涤，30 ~ 40 ℃真空干燥10 ~ 14 h；

（2）二硫化锡-介孔氮化碳的制备

取0.01 ~ 0.10 羧基化介孔氮化碳溶于10 ~ 20 mL超纯水中，再向该溶液中加入0.2~ 1 mL乙酸，超声0.2 ~ 1 h得溶液A；取四氯化锡五水合物0.2 ~ 1 g加入溶液A中并搅拌0.5 ~ 2 h得溶液B，取硫代乙酰胺0.15 ~ 0.45 g加入溶液B中，将此混合液搅拌0.5 ~ 2 h后移入反应釜， 160 ~ 200 ℃下反应6 ~ 16 h；自然冷却；所得产物用无水乙醇和超纯水各离心洗涤3次；30 ~ 50 ℃真空干燥10 ~ 14 h；

（3）光电化学传感器的制备

1）将导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗，氮气吹干；

2）取6 µL、2 ~ 6 mg/mL的二硫化锡-介孔氮化碳溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，红外灯下晾干；

3）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的200 ~ 500 mmoL/mL 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐和50 ~ 200 mmoL/mL N-羟基琥珀酰亚胺的混合液4 μL；超纯水冲洗电极表面，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

4）滴加6 µL、5 ~ 20 μg/mL的前列腺特异性抗体，超纯水清洗，室温下自然晾至湿润薄膜状态；

5）滴加3 µL、质量分数为1% ~ 3%的牛血清白蛋白溶液于修饰电极表面，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾干；

6）滴加6 µL、0.05 pg/mL ~ 10 ng/mL前列腺特异性抗原，超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中自然晾干，制得一种检测前列腺特异性抗原光电化学传感器。

2.如权利要求1所述制备的光电化学传感器的检测方法，其特征在于，步骤如下：

（1）使用电化学工作站以三电极体系进行测试，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，制备的ITO修饰电极为工作电极，在12 mL、pH 6.0 ~ 8.0的PBS，0.05 ~ 0.2mol/L的抗坏血酸缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对前列腺特异性抗原标准溶液进行检测，设置电压为-0.1 ~ 0.1V，运行时间120 s，光源波长为400 ~ 450 nm；

（3）电极放置好之后，每隔20 s开灯持续照射20 s，记录光电流，绘制工作曲线；

（4）将待测的前列腺特异性抗原样品溶液代替前列腺特异性抗原标准溶液进行检测。