CN109142745A - 一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法及应用。本发明以二氧化锡/碳酸镉/硫化镉为基底材料并用可见光照射来获得光电流。基底材料的三种组分能带匹配良好，使光电转换效率大大提高，以便于获得大的输出信号。待测β‑淀粉样蛋白溶液的量不同，导致形成免疫复合物的量不同，进而导致了对光电信号影响程度的不同。据此，构建的传感器实现了对β‑淀粉样蛋白的检测。其检测限为50 fg/mL。

Description

一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的 制备方法及应用

技术领域

本发明涉及基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法及应用，具体是采用二氧化锡/碳酸镉/硫化镉作为基底材料制备了一种灵敏检测β-淀粉样蛋白的光电化学免疫传感器，属于新型功能材料与生物传感检测技术领域。

背景技术

β-淀粉样蛋白是一种多肽，并循环于血液、脑脊液和脑间质液中，是阿尔茨海默症患者大脑中老人斑的主要组成成分。现如今，β-淀粉样蛋白被视为阿尔兹海默症的生物标志物。

研究人员采用了多种方法来实现β-淀粉样蛋白的检测。例如，Liu等采用电化学方法实现了对β-淀粉样蛋白在90 pg/mL~ 677.1 ng/mL浓度范围内的准确检测，检测限为45.1 pg/mL（Biosensors & Bioelectronics，49, 231-235）。Tang等采用荧光免疫法实现了对β-淀粉样蛋白的检测，检测范围为23 ~ 456.2 pg/mL，检测限为7.6 pg/mL（Spectrochim. Acta A，201, 82-87）。电化学检测和荧光检测的激发信号和检测信号能量形式相同，造成了该检测方法背景信号大，不利于检测限的进一步提高。而光电化学检测的激发信号是光，检测信号是电。激发和被检两种信号能量形式的不同导致了光电检测具有很低的背景信号，使得光电检测可以达到极低的检测限。此外，光电检测还具有设备简单、灵敏度高、易于微型化等特点，已发展成为一种极具应用潜力的分析方法。

产生被检电信号的基底材料对传感器的性能起着非常重要的作用。具有高光电转换效率并且性能稳定的基底材料一直是研究人员的探索目标。近年来，发现两种及以上多种半导体的复合可以大大提升材料的光电转换效率，并且克服单种组分存在的光腐蚀等问题。然而大部分的复合材料需要预先将组分单独合成，再进行复合。例如，Lin等（AcsApplied Materials & Interfaces, 2015, 7(25):13849-13858）预先单独合成了硫化镉和二氧化锡，然后再通过超声的方法将两种材料复合，生成了硫化镉/二氧化锡复合材料。经此途径合成的复合材料虽然具有较好的光电转换性能，但其合成步骤复杂，不利于大面积的推广应用。本发明采用一锅法水热合成了二氧化锡/碳酸镉/硫化镉复合材料，破解了复合材料合成步骤复杂的难题。此外，本发明还以二氧化锡/碳酸镉/硫化镉复合材料为光电转换材料构建了光电化学免疫传感器，实现了对β-淀粉样蛋白的灵敏检测。二氧化锡/碳酸镉/硫化镉复合材料的合成尚属首次，其在光电化学免疫传感器方面的应用也未见报道。

发明内容

本发明的目的之一是在二价硫离子存在的情况下，通过控制溶液的酸碱度为碱性，水热合成出二氧化锡及二氧化锡基复合材料。

本发明的目的之二是通过一锅水热法合成出二氧化锡/碳酸镉/硫化镉复合材料，并实现其在光电转换方面上的应用。

本发明的目的之三是以二氧化锡/碳酸镉/硫化镉为基底制备出一种灵敏度高、特异性强、检测速度快的光电化学免疫传感器，实现了可见光条件下对β淀粉样蛋白的超灵敏检测。

本发明的技术方案如下：

1. 一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）将ITO导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇、0.1 mol/L氢氧化钠溶液和超纯水超声清洗0.5 h，氮气下吹干；

2）取6 µL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，室温下晾干；

3）将以上修饰的电极在浓度为1 ~ 10 mmol/L的巯基乙酸溶液中浸泡0.5 h后，超纯水清洗；

4）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的10 ~ 500 mmoL/L 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐溶液和20 ~ 200 mmoL/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液的混合液4 μL。室温下孵化0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，室温下晾至湿润薄膜状态；

5）滴加6 µL、1 μg/mL的β-淀粉样蛋白抗体溶液，4 ℃下孵化1 h后超纯水清洗，自然晾至湿润薄膜状态；

6）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，0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾至湿润薄膜状态；

7）滴加6 µL浓度为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL β-淀粉样蛋白标准溶液，4 ~ 50 ℃恒温孵化4 h后超纯水冲洗电极表面，制得一种检测β-淀粉样蛋白的光电化学免疫传感器。

2. 如权利要求1所述浓度为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL β-淀粉样蛋白标准溶液为从上海领潮生物科技有限公司购得的1 mg/mL的β-淀粉样蛋白标准溶液用磷酸盐缓冲液稀释得到。

3. 如权利要求2所述磷酸盐缓冲液为用0.1 mol/L的磷酸氢二钠溶液与0.1 mol/L的磷酸二氢钾混合制得，并且调制其酸碱度为7.4。

4. 如上所述一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法，所述二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液，制备步骤如下：

1）二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的制备

向30 mL超纯水中依次加入0.1 ~ 0.9 g 四氯化锡五水合物、0.1 ~ 0.9 g二氯化镉和0.1 ~ 0.9 g硫脲并磁力搅拌30 min；随后，逐滴加入浓度为4.5 ~ 14.5 mol/L的氨水溶液使得溶液的pH值达到7 ~ 11；将上述溶液搅拌10 min后移入反应釜，100 ~ 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；40 ℃真空干燥12 h；研磨后得到二氧化锡/碳酸镉/硫化镉材料；并配置成浓度为1 ~ 6 mg/mL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉水溶液。

5. 如上所述制备的所述一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器，用于β-淀粉样蛋白的检测，检测步骤如下：

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 为5.1 ~ 8.0的溶有浓度为0.05 ~0.2 mol/L的抗坏血酸的PBS缓冲溶液中进行测试；

2）用时间-电流法对β-淀粉样蛋白标准标准溶液进行检测，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）用待测的β-淀粉样蛋白样品溶液代替β-淀粉样蛋白标准溶液进行检测。

本发明的有益成果

1. 本发明首次发现了在二价硫离子存在条件下，可以通过控制溶液的酸碱度为碱性而水热合成出二氧化锡及二氧化锡复合材料。为二氧化锡及其复合物的合成开辟了新的途径。

2. 本发明采用一步水热法首次成功地合成了二氧化锡/碳酸镉/硫化镉复合材料。高倍透射电子显微镜显示该材料的呈4 ~ 6 nm的颗粒状。X射线光电子能谱分析证明了复合物中氧、锡、硫、碳、镉五种元素的存在。得益于三种组分的能带匹配良好，所合成的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉复合材料在如权利要求3中1）、2）和3）中所述的光电流测试中展示出了120微安的光电流响应，这是二氧化锡光电流响应的80倍，碳酸镉/硫化镉材料的6倍。该材料的成功合成不仅破解了复合材料逐个合成再复合的难题，还解决了二氧化锡、碳酸镉和硫化镉三种材料单独使用时光电转换效率低的问题。该复合材料在光电转换方面应用潜力巨大。

3. 本发明制备的光电化学免疫传感器，用于β-淀粉样蛋白的检测，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。本发明制备的传感器对β-淀粉样蛋白检测线性范围为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL，检测限达到50 fg/mL。

具体实施方案

实施例1 一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法：

1）将ITO导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇、0.1 mol/L氢氧化钠溶液和超纯水超声清洗0.5 h，氮气下吹干；

2）取6 µL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，室温下晾干；

3）将以上修饰的电极在浓度为8 mmol/L的巯基乙酸溶液中浸泡0.5 h后，超纯水清洗；

4）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的400 mmoL/L 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐溶液和200 mmoL/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液的混合液4 μL。室温下孵化0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，室温下晾至湿润薄膜状态；

5）滴加6 µL、1 μg/mL的β-淀粉样蛋白抗体溶液，4 ℃下孵化1 h后超纯水清洗，自然晾至湿润薄膜状态；

6）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，0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾至湿润薄膜状态；

7）滴加6 µL浓度为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL β-淀粉样蛋白标准溶液，4 ℃恒温孵化4h后超纯水冲洗电极表面，制得一种检测β-淀粉样蛋白的光电化学免疫传感器。

实施例2 一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法：

1）将ITO导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇、0.1 mol/L氢氧化钠溶液和超纯水超声清洗0.5 h，氮气下吹干；

2）取6 µL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，室温下晾干；

3）将以上修饰的电极在浓度为3 mmol/L的巯基乙酸溶液中浸泡0.5 h后，超纯水清洗；

4）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的10 mmoL/L 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐溶液和20 mmoL/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液的混合液4 μL。室温下孵化0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，室温下晾至湿润薄膜状态；

5）滴加6 µL、1 μg/mL的β-淀粉样蛋白抗体溶液，4 ℃下孵化1 h后超纯水清洗，自然晾至湿润薄膜状态；

6）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，0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾至湿润薄膜状态；

7）滴加6 µL浓度为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL β-淀粉样蛋白标准溶液，37 ℃恒温孵化4h后超纯水冲洗电极表面，制得一种检测β-淀粉样蛋白的光电化学免疫传感器。

实施例3 二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液的制备：

向30 mL超纯水中依次加入0.64 g 四氯化锡五水合物、0.54 g二氯化镉和0.37 g硫脲并磁力搅拌30 min；随后，逐滴加入浓度为10.5 mol/L的氨水溶液使得溶液的pH值达到7.5；将上述溶液搅拌10 min后移入反应釜，140 ℃下反应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；40 ℃真空干燥12 h；研磨后得到二氧化锡/碳酸镉/硫化镉材料；并配置成浓度为1 mg/mL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉水溶液。

实施例4 二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液的制备：

向30 mL超纯水中依次加入0.24 g 四氯化锡五水合物、0.74 g二氯化镉和0.56 g硫脲并磁力搅拌30 min；随后，逐滴加入浓度为4.5 mol/L的氨水溶液使得溶液的pH值达到8.5；将上述溶液搅拌10 min后移入反应釜，180 ℃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；40 ℃真空干燥12 h；研磨后得到二氧化锡/碳酸镉/硫化镉材料；并配置成浓度为6 mg/mL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉水溶液。

实施例5 二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液的制备：

向30 mL超纯水中依次加入0.84 g 四氯化锡五水合物、0.14 g二氯化镉和0.47 g硫脲并磁力搅拌30 min；随后，逐滴加入浓度为14.5 mol/L的氨水溶液使得溶液的pH值达到10；将上述溶液搅拌10 min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；40 ℃真空干燥12 h；研磨后得到二氧化锡/碳酸镉/硫化镉材料；并配置成浓度为3 mg/mL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉水溶液。

实施例6 β-淀粉样蛋白的检测

（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 为5.5的溶有浓度为0.8 mol/L的抗坏血酸的PBS缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对β-淀粉样蛋白标准标准溶液进行检测，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）用待测的β-淀粉样蛋白样品溶液代替β-淀粉样蛋白标准溶液进行检测。

实施例7 β-淀粉样蛋白的检测

（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 为7.4的溶有浓度为0.2 mol/L的抗坏血酸的PBS缓冲溶液中进行测试；

（2）用时间-电流法对β-淀粉样蛋白标准标准溶液进行检测，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）用待测的β-淀粉样蛋白样品溶液代替β-淀粉样蛋白标准溶液进行检测。

实施例8应用实施例1和2构建的传感器按照实施例6和7的检测方法对β-淀粉样蛋白标准溶液进行了检测，测得传感器的线性检测范围为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL，检测限达到50 fg/mL。

Claims (5)

1.一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将ITO导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇、0.1 mol/L氢氧化钠溶液和超纯水超声清洗0.5 h，氮气下吹干；

2）取6 µL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液滴加到ITO导电玻璃的导电面，室温下晾干；

3）将以上修饰的电极在浓度为1 ~ 10 mmol/L的巯基乙酸溶液中浸泡0.5 h后，超纯水清洗；

4）在修饰电极表面滴加体积比为1:1的10 ~ 500 mmoL/L 1-乙基-(3-二甲基氨基丙级)碳二亚胺盐酸盐溶液和20 ~ 200 mmoL/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液的混合液4 μL；室温下孵化0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，室温下晾至湿润薄膜状态；

5）滴加6 µL、1 μg/mL的β-淀粉样蛋白抗体溶液，4 ℃下孵化1 h后超纯水清洗，自然晾至湿润薄膜状态；

6）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，0.5 h后用超纯水冲洗电极表面，4 ℃冰箱中晾至湿润薄膜状态；

7）滴加6 µL浓度为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL β-淀粉样蛋白标准溶液，4 ~ 50 ℃恒温孵化4 h后超纯水冲洗电极表面，制得一种检测β-淀粉样蛋白的光电化学免疫传感器。

2.如权利要求1所述浓度为0.1 pg/mL ~ 100 ng/mL β-淀粉样蛋白标准溶液为从上海领潮生物科技有限公司购得的1 mg/mL的β-淀粉样蛋白标准溶液用磷酸盐缓冲液稀释得到。

3.如权利要求2所述磷酸盐缓冲液为用0.1 mol/L的磷酸氢二钠溶液与0.1 mol/L的磷酸二氢钾混合制得，并且调制其酸碱度为7.4。

4.如权利要求1所述一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器的制备方法，所述二氧化锡/碳酸镉/硫化镉溶液，其特征在于，制备步骤如下：

1）二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的制备

向30 mL超纯水中依次加入0.1 ~ 0.9 g 四氯化锡五水合物、0.1 ~ 0.9 g二氯化镉和0.1 ~ 0.9 g硫脲并磁力搅拌30 min；随后，逐滴加入浓度为4.5 ~ 14.5 mol/L的氨水溶液使得溶液的pH值达到7 ~ 11；将上述溶液搅拌10 min后移入反应釜，100 ~ 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；40 ℃真空干燥12 h；研磨后得到二氧化锡/碳酸镉/硫化镉材料；并配置成浓度为1 ~ 6 mg/mL的二氧化锡/碳酸镉/硫化镉水溶液。

5.如权利要求1所述的制备方法制备的一种基于二氧化锡/碳酸镉/硫化镉的光电化学免疫传感器，用于β-淀粉样蛋白的检测，其特征在于，检测步骤如下：

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 为5.1 ~ 8.0的溶有浓度为0.05 ~0.2 mol/L的抗坏血酸的磷酸盐缓冲溶液中进行测试；

2）用时间-电流法对β-淀粉样蛋白标准标准溶液进行检测，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）用待测的β-淀粉样蛋白样品溶液代替β-淀粉样蛋白标准溶液进行检测。