CN107525833A - 基于多孔柵电极的淀粉样β‑蛋白传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多孔柵电极的淀粉样β‑蛋白传感器及其制备方法，其中，所述淀粉样β‑蛋白传感器包括装有电解液的电解池，设置在电解池内部的衬底以及多孔柵电极，所述衬底上设置有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极表面涂覆有有机半导体薄膜，所述多孔柵电极上修饰有抗体生物分子；本发明提供的传感器具有简便、准确、高灵敏、易微型化等优异性能；所需设备简单、应用范围广，可实现在高浓度干扰蛋白的情况下检测nM水平的老年痴呆症生物标志物‑淀粉样β‑蛋白（Aβ₄₂）。

Description

基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料检测领域，尤其涉及基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器及其制备方法。

背景技术

阿尔茨海默病（Alzheimer Disease，AD）是老年人痴呆的主要原因，它与心血管疾病、癌症和中风一起成为老年人健康的三大杀手。统计显示，目前中国患有阿尔茨海默病的患者约有500万人之多。早期诊断和防治“老年痴呆”对我国社会发展具有重要的意义。

阿尔茨海默病是一种不可逆转的渐进性神经退化性疾病，其症状包括认知功能减退、日常生活中个性行为或活动的改变。目前公认的能在血浆和脑脊液检测到的两个淀粉样多肽（淀粉样β-蛋白（1-40），Aβ₄₀，和淀粉样β-蛋白（1-42），Aβ₄₂）是AD的生物标记物。研究表明，健康人和AD病人的脑脊液中的Aβ₄₀浓度相同；但是，在AD病人脑脊液中的Aβ₄₂浓度明显地低于正常人，这反映了不溶性斑块的增加。血浆中Aβ₄₂/Aβ₄₀浓度比降低是早期老年痴呆症的症状，因此，检测血浆中Aβ₁₆、Aβ₄₀和Aβ₄₂浓度以及Aβ₄₂/Aβ₄₀浓度比可为临床上早期诊断老年痴呆症提供可靠的依据。

对淀粉样多肽的检测极具挑战性，因为其在生物液体内的丰度相对偏低，且它们可能被其它蛋白质结合形成低聚体。现有诊断方法是根据排除各种引起相似的疾病后，通过神经学和精神病学的检查以及神经测试，其准确率只能达到85-90%。其他诸如免疫荧光法、放射免疫法和酶联免疫法等技术均具有仪器昂贵，过程繁琐，检测nM水平目标物时易出现假阴性或假阳性的结果，且其结果分析需要专业人士，不便于基层检测；同时现有的方法都不适合现场实地的检测和监控。

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基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器及其制备方法，旨在解决现有技术在检测淀粉样β-蛋白时存在过程繁琐、检测灵敏度差、专业要求高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，包括装有电解液的电解池，设置在电解池内部的衬底以及多孔柵电极，所述衬底上设置有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极表面涂覆有有机半导体薄膜，所述多孔柵电极上修饰有抗体生物分子。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述多孔柵电极由多孔介质模板以及设置在多孔介质模板上的金属层组成，所述金属层的厚度为40-60nm。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述多孔介质模板的材料为氧化铝。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述多孔柵电极底部设置有一导电铝箔。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述有机半导体薄膜的材料为PEDOT:PSS、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺或聚咔唑中的一种或多种。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述抗体生物分子为淀粉样-β蛋白抗体。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述衬底的材料为玻璃、PET或硅片中的一种。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中 ，所述源电极和漏电极的厚度均为50-500nm。

一种如上任一所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法，其中，包括步骤：

A、在衬底上制备源电极和漏电极，并在所述源电极和漏电极表面制备一层半导体有机薄膜，备用；

B、在多孔介质上溅射一金属层得到多孔柵电极，并在所述多孔柵电极上修饰抗体生物分子，备用；

C、将所述衬底和多孔柵电极放入装有电解液的电解池中，得到基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器。

所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法，其中，所述步骤A具体包括：

采用旋涂或喷墨印刷的方式在源电极和漏电极表面制备半导体有机薄膜，之后在惰性气体氛围下对所述半导体有机薄膜进行退火处理，退火温度为100-250℃，时间为20-60min。

有益效果：本发明将多孔栅电极应用到有机电化学晶体管（OECT）中，利用多孔栅电极的三维结构为淀粉样β-蛋白的吸附和电子转移提供更大的比表面积，制备出一种新型传基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器；本发明提供的传感器具有简便、准确、高灵敏、易微型化等优异性能；所需设备简单、应用范围广，可实现在高浓度干扰蛋白的情况下检测nM水平的老年痴呆症生物标志物-淀粉样β-蛋白（Aβ₄₂）。

附图说明

图1为本发明一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法较佳实施例的流程图；

图3为本发明实施例1中在检测不同浓度下的Aβ₄₂时，OECT器件中沟道电流-柵电压的响应曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下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为本发明提供的一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器较佳实施例的结构示意图，如图所示，其中，所述基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器包括装有电解液10的电解池20、设置在电解池20内部的衬底30以及多孔柵电极40，所述衬底30上设置有源电极31和漏电极32，所述源电极31和漏电极32表面涂覆有有机半导体薄膜33，所述多孔柵电极40上修饰有抗体生物分子。

具体来说，现有技术通常采用免疫荧光、放射免疫或酶联免疫等方法去检测淀粉样多肽，然而由于淀粉样多肽在生物液体内的丰度偏低，且容易被其它蛋白质结合形成低聚体；采用现有的方法对它进行检测时非常容易出现假阴性或假阳性的结果，并且现有的检测方法过程繁琐、仪器昂贵，且需要专业人员对结果进行分析，不便于基层检测。

为解决上述问题，本发明将多孔栅电极应用到有机电化学晶体管（OECT）中，利用多孔栅电极的三维结构为淀粉样β-蛋白的吸附和电子转移提供更大的比表面积，制备出一种新型传基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器；本发明提供的传感器具有简便、准确、高灵敏、易微型化等优异性能；所需设备简单、应用范围广，可实现在高浓度干扰蛋白的情况下检测nM水平的老年痴呆症生物标志物-淀粉样β-蛋白（Aβ₄₂）。

具体地，以检测Aβ₄₂为例，本发明需预先将Aβ₄₂抗体固定在多孔柵电极上，当待检测的Aβ₄₂蛋白与多孔柵电极上的Aβ₄₂抗体发生特异性结合之后会导致多孔柵电极上的柵电压发生改变，进一步引起有机电化学晶体管中相关电学参数（沟道电流、转移曲线）的变化；通过测量有机电化学晶体管相关电学参数的变化可达到检测不同浓度的Aβ₄₂蛋白的目的。

由于本发明采用的多孔柵电极为三维多孔金属纳米电极，其三维结构为Aβ₄₂蛋白的吸附和电子转移提供了更大的比表面积，从而能达到高灵敏检测的目的；同时，有机电化学晶体管兼具传感和信号放大的作用，因此使得所述基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的灵敏度和选择性得到进一步的提高；具体地，本发明提供的粉样β-蛋白生物传感器的最低检测极限为0.1nM，可实现在75%的血清实际样品中的粉样β-蛋白的检测。

进一步，本发明提供的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器结构简单、易微型化、数据易懂，能够有效解决现有淀粉样β-蛋白检测技术中存在的设备昂贵、样品处理过程繁琐以及不便于基层检测的问题。

进一步地，在本发明中，所述多孔柵电极40由多孔介质模板以及设置在多孔介质模板上的金属层组成，所述金属层的厚度为40-60nm；较佳地，所述多孔介质模板的材料为氧化铝，氧化铝作为一种球形多孔活性吸附材料，能够为Aβ₄₂蛋白的吸附和电子转移提供了更大的比表面积，从而能达到高灵敏检测的目的。

更进一步，为了提升多孔柵电极的导电性能，在所述多孔柵电极40底部设置一导电铝箔41，如图1所示。

具体地，在本发明中，所述衬底30的材料为玻璃、PET或硅片中的一种，优选PET，由于PET属于一种环保型柔性材料，易于便携化使用，同时还可与微流控芯片结合，方便实际临床使用。

较佳地，所述源电极、漏电极均由Au、Ag、Pt、Cu、ITO等金属或其合金材料构成，所述源电极和漏电极表面上的有机半导体薄膜的材料为PEDOT:PSS、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺或聚咔唑中的一种或多种，所述源电极和漏电极的厚度均为50-500nm。

下面将具体介绍基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器检测待测淀粉样β-蛋白的原理：

基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器具有两个重要界面：栅电极/电解质和沟道电极/电解质。每个界面都有双电层，C _g和C _c分别表示栅电容和沟道电容。因为C _g和C _c是串联关系，栅电压将会分布在两个界面上。因此，这两个界面的电压降会在沟道电流的调控中扮演重要角色。沟道电流可用以下方程式来表达：

其中q代表电子电量，µ代表空穴迁移率，p₀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，C_i代表OECT器件的有效栅电容，V_P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。

由于有机电化学晶体管的沟道电流I_DS受到栅电压V_g的调控，由方程（1）可以看出，当有效栅电压增大时沟道电流I_DS会减小。

抗原-抗体结合后，栅电极表面引入了更多的净电荷，引起有效栅电压下降。为了保持与结合前相同的有效栅电压，施加的栅电压需要增大。 这样一来，OECT器件沟道电流-栅电压的响应曲线会正移。这类机理是抗原-抗体结合后，通过调控表面栅电压来传感不同浓度的淀粉样β-蛋白。另一方面，因为C _g和C _c是串联关系，如果分布在栅/电解质界面上的电压升高，则在沟道/电解质界面上的电压下降。这将导致有效栅电压的进一步下降。因此，对于以多孔纳米金属电极为栅电极的OECT器件来说，表面电压和栅电容的协同效应将会导致栅电压的正向移动，从而得到高灵敏传感机制。由此可见，本发明提供的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的灵敏度要高于传统的电化学传感技术。

进一步，本发明还提供一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法，其中，如图2所示，包括步骤：

S10、在衬底上制备源电极和漏电极，并在所述源电极和漏电极表面制备一层半导体有机薄膜，备用；

具体来说，首先需要对衬底进行清洗并干燥，然后通过真空热蒸镀、磁控溅射或气相沉积的方法在所述彻底上制备源电极和漏电极；之后采用旋涂或喷墨印刷的方式在源电极和漏电极表面制备半导体有机薄膜，最后在惰性气体氛围下对所述半导体有机薄膜进行退火处理，退火温度为100-250℃，时间为20-60min。

S20、在多孔介质上溅射一金属层得到多孔柵电极，并在所述多孔柵电极上修饰抗体生物分子，备用；

S30、将所述衬底和多孔柵电极放入装有电解液的电解池中，得到基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器。

下面通过具体实施例对本发明一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法做进一步的解释说明：

实施例1

1、制备有机电化学晶体管（OECT）的多孔纳米金栅电极：

将孔径为200nm的三氧化二铝（AAO）模板用水和乙醇浸泡清洗三次，晾干。固定在Si基片上。在真空度为 1×10^-7 Torr条件下热蒸镀沉积金属薄膜层于AAO模板上，沉积速度为0.1Å/s；厚度约为40nm。

2、制作有机电化学晶体管（OECT）的源电极、漏电极及有机半导体薄膜层：

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℃退火1小时，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。

3、抗体分子修饰的多孔栅电极的固定过程：

把多孔纳米金栅电极浸泡在3-巯基丙酸溶液中8hrs，然后水和乙醇各清洗30分钟；采用交联剂EDC和NHS将抗体分子Aβ₄₂抗体以酰胺键固定在巯基化后的多孔纳米金电极表面；磷酸盐缓冲液冲洗电极表面。最后采用封闭蛋白分子10℃M BSA封闭残缺位点。

4、淀粉样β-蛋白与Aβ₄₂抗体的结合：

将修饰有Aβ₄₂抗体的栅电极在5ml不同浓度的淀粉样β-蛋白溶液中室温下浸泡2小时以便其充分结合，电解质溶液为50mMPBS缓冲溶液；每隔15分钟测量一次I_DS-V_g曲线，结果如图3所示；在该实例中，巯基分子修饰、连接抗体以及和淀粉样β-蛋白结合后的栅电极的I_DS-V_g曲线在50mM PBS缓冲溶液中测量，V_DS = -0.1V。

综上所述，本发明将多孔栅电极应用到有机电化学晶体管（OECT）中，利用多孔栅电极的三维结构为淀粉样β-蛋白的吸附和电子转移提供更大的比表面积，制备出一种新型传基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器；本发明提供的传感器具有简便、准确、高灵敏、易微型化等优异性能；所需设备简单、应用范围广，可实现在高浓度干扰蛋白的情况下检测nM水平的老年痴呆症生物标志物-淀粉样β-蛋白（Aβ₄₂）。

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，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 (10)

1.一种基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，包括装有电解液的电解池，设置在电解池内部的衬底以及多孔柵电极，所述衬底上设置有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极表面涂覆有有机半导体薄膜，所述多孔柵电极上修饰有抗体生物分子。

2.根据权利要求1所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述多孔柵电极由多孔介质模板以及设置在多孔介质模板上的金属层组成，所述金属层的厚度为40-60nm。

3.根据权利要求2所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述多孔介质模板的材料为氧化铝。

4.根据权利要求1所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述多孔柵电极底部设置有一导电铝箔。

5.根据权利要求1所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述有机半导体薄膜的材料为PEDOT:PSS、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺或聚咔唑中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述抗体生物分子为淀粉样-β蛋白抗体。

7.根据权利要求1所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其中，所述衬底的材料为玻璃、PET或硅片中的一种。

8.根据权利要求1所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器，其特征在于，所述源电极和漏电极的厚度均为50-500nm。

9.一种如权利要求1-8任一所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

A、在衬底上制备源电极和漏电极，并在所述源电极和漏电极表面制备一层半导体有机薄膜，备用；

B、在多孔介质上溅射一金属层得到多孔柵电极，并在所述多孔柵电极上修饰抗体生物分子，备用；

C、将所述衬底和多孔柵电极放入装有电解液的电解池中，得到基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器。

10.根据权利要求9所述的基于多孔柵电极的淀粉样β-蛋白传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

采用旋涂或喷墨印刷的方式在源电极和漏电极表面制备半导体有机薄膜，之后在惰性气体氛围下对所述半导体有机薄膜进行退火处理，退火温度为100-250℃，时间为20-60min。