CN108982616A - 基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器及其制备方法,该电化学生物传感器主要用于测定尿样中的8‑羟基‑2'‑脱氧鸟苷(8‑OHdG)。循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)被用来研究8‑OHdG的电化学行为。安培信号随着8‑OHdG浓度在3.50×10‑8~0.70×10‑6M和1.75×10‑6~3.50×10‑5M两个动态范围内单调增加,相关系数分别为0.9705和0.9773。传感器的检测限为12.4×10‑9M(S/N=3)。本发明的CHI/GR/SPCE的生物传感器具有较大的表面积和快速的电子转移性能,为制备检测8‑OHdG快速,简单,灵敏和选择性好的电化学生物传感器提供了良好的条件。

Description

基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及快速检测技术领域,特别是涉及一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器及其制备方法。
背景技术
羟基自由基是极其活泼的氧化自由基,可以很容易地氧化生物分子,如DNA和蛋白质。由内源性和外源性来源的如氧代谢和各种环境因素产生的活性氧(ROS)引起的生物体氧化性DNA损伤。这些可能在分子中破裂,例如碱基(腺嘌呤,鸟嘌呤和胸腺嘧啶)氧化的后果,导致突变并导致几种疾病。通过羟基化反应在鸟嘌呤的C-8位发生8-羟基-2'-脱氧鸟苷(8-OHdG)。作为DNA含量最丰富的氧化产物,8-OHdG已被确定为体内总DNA氧化损伤的特异性生物标志物。人体尿液中8-OHdG的浓度可用于评估个体的癌症风险。因此,开发一种检测生物体液中8-OHdG的灵敏方法至关重要。
目前用于分析8-OHdG和DNA损伤方法有高效液相色谱电化学检测(HPLC-ECD),毛细管电泳电化学检测(CE-ECD),气相色谱-(GC-MS),液相色谱-质谱联用(LC-MS),酶联免疫吸附试验(ELISA)。由于这些技术复杂的预处理步骤,昂贵的设备和熟练的操作人员需要限制这些方法的适用性。
为了克服这些技术的缺点,电化学分析技术由于其高灵敏度,高选择性,低成本,简单和无样品预处理是目前较为高效的选择。一次性丝网印刷碳电极(SPCE)已成功应用于临床、环境和工业分析中的医护点测试和现场监测。与传统电化学分析方法的电极相比,SPCE的工作电极,参比电极和辅助电极高度集成。例如,利用磁性多壁碳纳米管(MWCNTs)制备了基于丝网印刷碳电极磁性辅助修饰的简单灵敏的多巴胺(DA)电化学传感器;利用多晶硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极构建了监测抗坏血酸(AA)和8-羟基-2'-脱氧鸟苷(8-OHdG)的电化学传感器。另外,使用SPCE可以进一步推动传感器朝向微型,自动化和商业化的发展。
石墨烯(GR)在2004年,由于其具有独特的结构和非凡的性能,如比表面积大,催化性能强,生物相容性好,导电率高,生产成本低等特点,引起了人们极大的兴趣。更重要的是,GR有能力促进电活性物质和电极之间的电子转移。它已被用作制造电化学生物传感器的典型电极改性材料。然而,石墨烯在水溶液中分散性差又限制了其应用。
壳聚糖(CHI)是一种天然多糖,被认为是一种很好的分散剂。由于其良好的生物相容性,无毒性和生物降解性,它广泛用于药物制备,药物输送和基因输送。壳聚糖结构中的氨基(-NH2)可以与8-OHdG结构中的羟基(-OH)发生结合并形成氢键。由于壳聚糖具有一定的粘性,石墨烯可以在电极表面上成功修饰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种快速检测尿液样品中的8-OHdG,本发明采用新型GR/CHI/SPCEs构建简易的电化学生物传感器,用于灵敏和选择性定量8-OHdG。使用差分脉冲伏安法(DPV)技术来测定存在各种干扰物和真实尿液样品中的8-OHdG的水平。评估了不同电化学参数(如扫描速率和缓冲液pH)的影响生物传感器检测8-OhdG效率。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器,包括工作电极,所述工作电极包括活性丝网印刷碳电极,所述活性丝网印刷碳电极的检测端表面依次连接有壳聚糖CHI及石墨烯GR,所述活性丝网印刷碳电极通过电势下扫描激活丝网印刷碳电极SPCE而获得。
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后通过-1.6V~-0.4V的恒定电势扫描300s~800s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.3~0.8mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将3~6μL、0.3~0.8mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥。
作为优选方案,所述扫描激活丝网印刷碳电极SPCE的恒定电势为-0.8V,扫描时间为600s。
作为优选方案,所述GR-CHI分散体滴加在活性丝网印刷碳电极表面体积为6μL,浓度为0.6mg·mL-1
作为优选方案,所述基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器在pH值为3~10、0.1M的PBS缓冲液中检测8-OhdG。
作为优选方案,所述基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器在pH值为7、0.1M的PBS缓冲液中检测8-OhdG。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
(1)CHI/GR/SPCE生物传感器具有成本低,易于制备和批量生产等优势,为快速测定8-OHdG提供了一种简便、灵敏的检测方法;
(2)通过抗干扰实验结果表明,CHI/GR/SPCE生物传感器对8-OHdG具有良好的选择性。
(3)CHI/GR/SPCE生物传感器具有较好的稳定性,检测8-OHdG重复性好。
(4)CHI/GR/SPCE生物传感器检测8-OhdG的灵敏度高,检测限度为12.4×10-9M。
附图说明
图1为本发明不同激活电压制得的CHI/GR/SPCE生物传感器对8-OhdG测定的影响。
图2为本发明不同激活时间制得的CHI/GR/SPCE生物传感器对8-OhdG测定的影响。
图3为本发明不同浓度的CHI/GR制得的CHI/GR/SPCE生物传感器对8-OhdG测定的影响。
图4为本发明CHI/GR/SPCE生物传感器在不同pH值条件下对8-OhdG测定图。
图5为本发明不同电极的特性曲线图。
图6为本发明电化学阻抗谱(EIS)在SPCE上修饰壳聚糖和石墨烯时电极的界面性质的变化。
图7A为本发明不同浓度的8-OHdG在pH7.0的磷酸盐缓冲液中的DPV。
图7B为本发明修饰电极处8-OHdG浓度的校准曲线。
图8为本发明CHI/GR/SPCE生物传感器测定8-OhdG抗干扰性。
具体实施方式
下面结合实施例,以详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后通过-1.6V的恒定电势扫描600s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.8mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将3μL、0.8mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥,制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
实施例2
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后通过-1.4V的恒定电势扫描300s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.6mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将6μL、0.6mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥,制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
实施例3
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后通过-1.4V的恒定电势扫描800s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.3mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将4μL、0.3mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥,制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
实施例4
本实施例4主要用于探究不同激活电位影响8-OHdG溶液的电化学行为。
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后分别通过-1.6V、-1.4V、-1.2V、-0.8V、-0.6V、-0.4V的恒定电势扫描600s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.6mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将6μL、0.6mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥,制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
在-1.6V至-0.4V的不同激活电位下该生物传感器在0.1M的PBS溶液中检测0.35μM8-OHdG溶液的电化学行为。记录CV与电流(单位A)。发现当激活电位固定在-0.8V时,8-OHdG的峰值电流达到了最大值实验结果如图1。由图1表明如果活化电压过低,一些导电碳颗粒将不会完全暴露,因此SPCE不会完全活化。相反,如果激活电压过高,则有机粘合剂将被过度去除并导致SPCE的损坏。
故以下实施例均选择-0.8V恒定电压激活的丝网印刷碳电极用于研究。
实施例5
本实施例5主要用于探究不同激活丝网印刷碳电极时间影响8-OHdG溶液的电化学行为。
一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后分别通过-0.8V的恒定电势扫描300s、400s、500s、600s、700s、800s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.6mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将6μL、0.6mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥,制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
将该方法制得的GR/CHI/SPCE修饰电极生物传感器检测0.1M的磷酸盐缓冲溶液检测0.35μM的8-OHdG溶液的电化学行为,实验结果如图2所示,实验结果表明,如果活化时间太短,一些导电碳颗粒将不会完全暴露,因此SPCE不会完全活化。相反,如果激活时间过长,则有机粘合剂将被过度去除并导致SPCE的损坏。因此,最佳激活时间为600s。
最终我们选择-0.8V和600s的优化预处理条件进行下一步研究。
实施例6
本实施例中将200μL的1M硫酸溶液滴加到SPCE表面上,然后通过在-0.8V的恒定电势下扫描600s来激活丝网印刷碳电极。最后,将电极用双蒸水冲洗并且通过氮气吹干。
将0.3mg·mL-1、0.4mg·mL-1、0.5mg·mL-1、0.6mg·mL-1、0.7mg·mL-1、0.8mg·mL-1不同浓度的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上并在25℃下干燥,制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
通过CV检测CHI/GR混合溶液的浓度对该方法制得的GR/CHI/SPCE生物传感器对0.1M磷酸盐缓冲溶液中0.35μM的8-OHdG检测。实验结果如图3所示。随着CHI/GR混合溶液浓度的增加,CV电流响应随着CHI/GR混合溶液浓度从0.3mg·mL-1增加到0.6mg·mL-1,然后从0.6mg·mL-1至0.8mg·mL-1CHI/GR减小。因此,我们选择0.6mg·mL-1用于以下研究。
实施例7
本实施例中将200μL的1M硫酸溶液滴加到SPCE表面上,然后通过在-0.8V的恒定电势下扫描600s来激活丝网印刷碳电极。最后,将电极用双蒸水冲洗并且通过氮气吹干。
将0.6mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上并在25℃下干燥。制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
在0.1M的PBS缓冲液中,在从pH3.0至10.0的范围内进一步研究支持电解质的pH对8-OHdG的电化学行为的影响。不同pH值的PBS缓冲液中进行8-OHdG的差分脉冲伏安法(DPV)。如图4所示,8-OHdG的阳极峰值电流随着pH值的增加而逐渐增加,直至达到7.0,而在较高的pH值下反而下降。此外,随着pH的增加,阳极峰电位向负值移动,表明电化学反应与质子转移相关。因此,在下面的电化学测定8-OHdG中选择pH7.0的0.1M的PBS缓冲液。
实施例8
本实施例中将200μL的1M硫酸溶液滴加到SPCE表面上,然后通过在-0.8V的恒定电势下扫描600s来激活丝网印刷碳电极。最后,将电极用双蒸水冲洗并且通过氮气吹干。
将0.6mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上并在25℃下干燥。制得GR/CHI/SPCE修饰电极的生物传感器。
将该方法制得的生物传感器在pH7.0的0.1MPBS缓冲液测定8-OHdG。分别进行如下实验:
1、不同电极的特性
循环伏安法用于表征修饰电极的电化学性质。图5显示0.35μM的8-OHdG溶液在含有5mM[Fe(CN)6]3-/4-和0.1MKCl的0.1M磷酸盐缓冲溶液(pH7.0)上的经过修饰的SPCE的循环伏安(CV)图。其中,经过电化学活化的SPCE(曲线a)的出现了一对明显的氧化还原峰,两个峰之间的分离为75mV。在SPCE上滴加壳聚糖后,CHI-SPCE上的电流峰(曲线b)略微下降,表明壳聚糖膜在一定程度上阻碍了SPCE的电子转移。与SPCE和CHI-SPCE相比,GR-SPCE(曲线c)的CV峰值电流稍微增加,表明石墨烯加速了电子转移并因此增强了电导率。CHI/GR/SPCE的峰值电流大大增加。这可能是由于壳聚糖结构中富含的氨基与8-OHdG中的羟基反应形成氢键,从而增加了石墨烯在电极表面的结合。此外,壳聚糖是一种很好的分散剂,可有效防止石墨烯的聚集,提高石墨烯的溶解性。通过使用壳聚糖和石墨烯复合改性,SPCE具有更大的比表面积和更好的导电性。因此,使用基于CHI/GR纳米复合材料的SPCE(CHI/GR/SPCE)可以提高测定8-OHdG的选择性和灵敏度。
为了进一步研究CHI/GR/SPCE生物传感器,使用电化学阻抗谱(EIS)来研究在SPCE上修饰壳聚糖和石墨烯时电极的界面性质的变化。图6显示了在5mM[Fe(CN)6]3-/4-和0.1MKCl中活化的SPCE,CHI/SPCE,GR/SPCE和CHI/GR/SPCE电极的奈奎斯特图(Nyquistplot)。在奈奎斯特图中,在较高频率观察到的半圆部分对应于电子转移限制过程,其反映电极界面处氧化还原探针的电子转移动力学。可以看出,将壳聚糖固定在电极表面后,奈奎斯特图(曲线b)中的半圆直径比纯SPCE(曲线a)的半圆直径大得多,这很可能是由于壳聚糖与导电性的结合支持导致界面电子转移的介电行为。在添加石墨烯之后,奈奎斯特图(曲线c)中的半圆直径小于纯SPCE(曲线a)的半圆直径,这意味着GR/SPCE的电子转移电阻降低。我们观察到CHI/GR/SPCE的奈奎斯特图中最小的半圆直径,表示增强的电导率,这与CV实验结果一致。
2、定量测定8-OHdG
基于CHI/GR/SPCE生物传感器,通过DPV分析8-OHdG浓度的定量测量。图7A显示了修饰电极处8-OHdG的典型DPV。随着8-OHdG浓度从3.50×10-8~3.50×10-5M的增加,氧化峰电流逐渐增加。图7B显示了Ip1与8-OHdG浓度之间的关系。线性响应范围分别为3.50×10-8~0.70×10-6M和1.75×10-6~3.50×10-5M。线性回归方程为:Ip1(μA)=0.8775c(μM)+1.0166(3.50×10-8~0.70×10-6M),Ip2(μA)=0.086c(μM)+4.2865(1.75×10-6~3.50×10-5M)系数分别为0.9705和0.9773。检测限度为12.4×10-9M(S/N=3)。
与其他报道的方法相比,CHI/GR/SPCE电极具有成本低,易于制备和批量生产等优势。它为快速测定8-OHdG提供了一种简便灵敏的检测方法。
3干扰实验
作为尿酸(UA),多巴胺(DA),抗坏血酸(AA)和鸟嘌呤(G)通常与8-OHdG在人体代谢中共存,并且它们具有与8-OHdG非常相似的结构。因此有必要检查它们对我们8-OHdG传感器的干扰。我们将0.7uMUA,0.7uMDA,0.7uMAA和0.7uMG分别与8-OHdG溶液混合,并将CV峰电流与纯PBS(PH=7)缓冲液中0.35μM8-OHdG溶液进行比较。我们还在0.35μM的8-OHdG溶液中加入1.40μM的Na+,K+,Mg2+,Cl-,NO3-,NO2-并利用该方法合成的基于CHI/GR/SPCE生物传感器进行CV测试。结果如图8表明,UA,DA,AA和G对8-OHdG的测定具有可忽略的干扰,基于CHI/GR/SPCE生物传感器对8-OHdG具有良好的选择性。
4、重复性和稳定性
我们进一步评估了基于CHI/GR/SPCE生物传感器稳定性及对8-OhdG测定的可重复性。通过DPV扫描对三种制备的CHI/GR/SPCE进行测试以测定0.35μM8-OHdG。峰电流的平均相对标准偏差(%RSD)为1.6%,表明修饰电极具有良好的重现性。经过一次测量后,将修饰电极用伏安循环清洗并在pH7.0的PBS缓冲液中,并在4℃下在pH7.0的PBS缓冲液中储存数天。我们发现8-OHdG的CV峰值电流分别在三天和一周内下降了3.6%和7.4%。分析表明,CHI/GR/SPCE与原始峰值电流响应的偏差<10%。以上结果表明CHI/GR/SPCE具有良好的重现性和稳定性。
5、真实样品的分析检测
由于尿中和尿液中8-OHdG的水平不变地排出,这似乎取决于体内DNA损伤的速率。在此,所提出的修改的电极被用于评估人尿中的可行性。从实验室工作人员收集样品并以12,000rpm离心10分钟。然后通过DPV测定上清液中的8-OHdG水平。通常,健康人的尿中8-OHdG的典型浓度在3.5-87.5nM范围内。利用该方法制得的基于CHI/GR/SPCE生物传感器检测8-OhdG。实验中没有检测到8-OHdG的信号,因为健康人体中8-OHdG的水平太低而不能被检测到。因此,用一定浓度的8-OHdG掺入尿样再进行检测。实验结果示如表1,回收率在91.4-106.3%的范围内,相应的RSD范围为2.5-7.3%,表明该传感器具有极好的精度。
表1实际样品中8-OHdG的测定(n=3)
本实施例中SPCE通过预处理1.0MH2SO4而被活化。CHI/GR/SPCE生物传感器用于测定制备的样品和真实尿样中的8-OHdG水平。结果表明,CHI/GR/SPCE生物传感器具有较大的表面积和快速的电子转移,为制备8-OHdG快速、简单、灵敏和选择性好的电化学生物传感器提供了良好的条件。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案,本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理,属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器,其特征在于,包括工作电极,所述工作电极包括活性丝网印刷碳电极,所述活性丝网印刷碳电极的检测端表面依次连接有壳聚糖CHI及石墨烯GR,所述活性丝网印刷碳电极通过电势下扫描激活丝网印刷碳电极SPCE而获得。
2.一种如权利要求1所述的基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤,所述工作电极的制备方法为:
一、活性丝网印刷碳电极的制备:将200μL的1M硫酸溶液逐滴滴加到丝网印刷碳电极表面上使其充分展开,然后通过-1.6V~-0.4V的恒定电势扫描300s~800s激活丝网印刷碳电极SPCE,最后,将激活的丝网印刷碳电极SPCE用双蒸水冲洗净、氮气吹干;
二、制备GR-CHI分散体:将0.3~0.8mg的石墨烯GR分散在1.0mL质量分数为1.0%的脱乙酰壳多糖CHI溶液中,25℃超声处理1h;
三、制备GR/CHI/SPCE修饰电极:将3~6μL、0.3~0.8mg·mL-1的GR-CHI分散体滴在活化的SPCE的表面上,在25℃干燥。
3.一种如权利要求2所述的基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,其特征在于,所述扫描激活丝网印刷碳电极SPCE的恒定电势为-0.8V,扫描时间为600s。
4.如权利要求2所述的基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器的制备方法,其特征在于,所述GR-CHI分散体滴加在活性丝网印刷碳电极表面体积为6μL,浓度为0.6mg·mL-1。
5.如权利要求1所述的基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器,其特征在于,所述基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器在pH值为3~10、0.1M的PBS缓冲液中检测8-OhdG。
6.如权利要求1所述的基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器,其特征在于,所述基于石墨烯及壳聚糖的生物传感器在pH值为7、0.1M的PBS缓冲液中检测8-OhdG。
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