CN110133082A - 一种适体传感器用电极材料，电化学适体传感器及其制备方法 - Google Patents

一种适体传感器用电极材料，电化学适体传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适体传感器用电极材料，电化学适体传感器及其制备方法。该适体传感器用电极材料由包括以下步骤的方法制备而成：1)将钴盐、铁氰酸盐在溶剂中反应，制备固相钴铁配合物；2)将钴铁配合物、钴盐、镍盐、2‑甲基咪唑在溶剂中搅拌反应，制备固相包覆材料；3)将固相包覆材料在保护气氛下于300℃以上进行煅烧处理，即得。本发明提供的适体传感器用电极材料，由于框架的固有空腔以及不同金属氧化物和NiCo2O4尖晶石之间的协同作用，该电极材料可固定大量的适体链，从而有利于提高相应电化学适体传感器的检测性能。

Description

一种适体传感器用电极材料，电化学适体传感器及其制备 方法
技术领域
本发明属于电化学传感器领域，具体涉及一种适体传感器用电极材料，电化学适体传感器及其制备方法。
背景技术
血液中胰岛素水平的准确检测对糖尿病患者的护理具有重要意义。到目前为止，已经开发了几种胰岛素检测的分析方法，包括毛细管电泳，高效液相色谱法，电化学检测，荧光检测以及表面等离子体共振。即使已经做出了许多努力，传统分析方法的仍存在一些缺点，如繁琐、耗时和昂贵，限制了胰岛素的快速检测。
作为单链DNA或RNA分子，适体可以通过三维折叠可与小分子乃至整个细胞发生特异性地识别和结合。与抗体相比，适体链具有几个明显的优势，例如成本低、尺寸小和稳定性高，因此用作探测不同目标物的探针。已有研究者利用光谱法研究了胰岛素与特定适体链的相互作用，单链DNA(ssDNA)与胰岛素核酸适体之间可形成G-四链结构并用于检测胰岛素。
电化学适体传感器(aptasensors)结合了电化学方法和适体传感器的优点，例如简单、易操作、低成本、高灵敏度和良好的选择性。例如，基于在丝网印刷和修饰电极表面吸附甲基蓝信号的变化，利用胰岛素适体通过电化学信号的变化来检测胰岛素。另外，使用氧化还原标记修饰的富含鸟嘌呤的适体用于胰岛素的特异性识别，通过与胰岛素结合折叠形成G-四联体。而且，对于电化学适体传感器，额外的电活性标记或标记适体链都可以增强电化学信号变化，但是过程复杂而耗时，进一步阻碍了它们的实际应用。因此，无标记电化学适体传感器引起了人们的广泛关注，其中对高电化学活性的电极材料的探索是十分重要的。如何将适配体与靶向目标分子之间的结合转化为可测量的电化学信号是电化学适体传感器发展的关键，优化电极材料对开发先进的电化学适体传感器至关重要。
公告号为CN106248960B的中国发明专利公开了一种检测胰岛素的高通量核酸电化学适体传感器及其制备方法，其是在微孔板上固定纳米金颗粒，纳米金颗粒与胰岛素核酸适体通过Au-S键结合在微孔板上，同时在纳米金颗粒上固定蔗糖酶及与胰岛素核酸适体部分互补的DNA互补链，制备DNA互补链/蔗糖酶/纳米金探针。现有胰岛素核酸电化学适体传感器的检出限为0.1μmol/L，灵敏度较低，不能满足胰岛素检测的快速、准确检测要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适体传感器用电极材料，以解决现有电极材料固定的适体量较少，不能有效提高电化学适体传感器的检测灵敏度的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种电化学适体传感器，以解决现有电化学适体传感器的检测灵敏度低的问题。
本发明的第三个目的在于提供一种电化学适体传感器的制备方法，以解决电化学适体传感器的检测灵敏度低的问题。
为实现上述目的，本发明的适体传感器用电极材料所采用的技术方案是：
一种适体传感器用电极材料，由包括以下步骤的方法制备而成：
1)将钴盐、铁氰酸盐在溶剂中反应，制备固相钴铁配合物；
2)将钴铁配合物、钴盐、镍盐、2-甲基咪唑在溶剂中搅拌反应，制备固相包覆材料；
3)将固相包覆材料在保护气氛下于300℃以上进行煅烧处理，即得。
本发明提供的适体传感器用电极材料，采用包覆方法将两种金属有机框架(MOF)复合在一起，经煅烧后，金属配位中心转化为相应的金属氧化物，如NiO和Fe2O3，以及NiCo2O4尖晶石。由于框架的固有空腔以及不同金属氧化物和NiCo2O4尖晶石之间的协同作用，该电极材料可固定大量的适体链，从而有利于提高相应电化学适体传感器的检测性能。
为促进形成性能优良的纳米片包覆结构，优选的，步骤2)中，搅拌反应后得到固体产物，将固体产物、钴盐、镍盐在溶剂中混匀，然后在110-130℃下水热反应1-2h，得到所述固相包覆材料。
为进一步形成结构稳定，各金属氧化物和NiCo2O4配比适宜的复合材料，优化与适体链之间的强相互作用，优选的，每95-105mg以固相钴铁配合物质量计的所述固体产物，对应钴元素的加入量为1.5-2.5mmol，对应镍元素的加入量为1.5-2.5mmol。
为进一步优化固相钴铁配合物(钴铁-普鲁士蓝类似物，表示为CoFe-PBA)中钴、铁的相对含量，进而可以进一步优化电极反应过程，优选的，步骤1)中，钴盐中钴元素、铁氰酸盐中铁元素的摩尔比为(2-4):1。
为获得尺寸均匀的反应产物，优选的，步骤1)中，所述反应在聚乙烯吡咯烷酮和柠檬酸钠存在的条件下进行，每mmol铁元素对应聚乙烯吡咯烷酮的用量为1-2g，对应柠檬酸钠的用量为0.5-2.5g。
为进一步保证产物的尺寸均匀性，优选的，步骤1)中，所述反应是在室温下搅拌反应10min，然后静置至少24h。
从原料成本方面考虑，优选的，步骤1)中，所述钴盐为氯化钴。从溶剂成本及溶解效果方面综合考虑，优选的，步骤1)中，所述溶剂为水。
为获得性能良好的包覆结构(钴镍-沸石咪唑酯骨架，表示为CoNi-ZIF)，优选的，步骤2)中，钴盐中钴元素、镍盐中镍元素、2-甲基咪唑的摩尔比为(0.8-1.2)：(0.8-1.2)：(7.5-8.5)；2-甲基咪唑与固相钴铁配合物的质量比为(12-14)：(0.8-1.2)。
从原料成本方面考虑，优选的，步骤2)中，所述钴盐为硝酸钴，所述镍盐为硝酸镍。从溶剂成本及溶解效果方面综合考虑，优选的，步骤2)中，所述溶剂为甲醇。
从降低煅烧能耗和兼顾金属氧化物、NiCo2O4的转化效果方面综合考虑，步骤3)中，煅烧的温度为300-900℃，时间为2-3h。
本发明的电化学适体传感器所采用的技术方案是：
一种电化学适体传感器，包括电极基体和修饰在电极基体上的电极材料，以及附着在电极材料上的核酸适体，所述电极材料由包括以下步骤的方法制备而成：
1)将钴盐、铁氰酸盐在溶剂中反应，制备固相钴铁配合物；
2)将钴铁配合物、钴盐、镍盐、2-甲基咪唑在溶剂中搅拌反应，制备固相包覆材料；
3)将固相包覆材料在保护气氛下于300℃以上进行煅烧处理，即得。
本发明提供的电化学适体传感器，所使用的电极材料由多金属氧化物和NiCo2O4尖晶石组成，高温煅烧后所形成的多孔纳米结构、不同组分间的协同作用、强的电化学导电性以及良好的生物相容性，使得电极材料与适体具有较大的结合作用，进而对胰岛素(insulin)的检测具有较高的检测灵敏度。
从应用效果方面考虑，优选的，所述核酸适体为用于特异性检测胰岛素的核酸适体。
本发明的电化学适体传感器的制备方法所采用的技术方案是：
一种电化学适体传感器的制备方法，包括以下步骤：将电极材料分散于溶剂中，得到分散液；然后将分散液转移至电极基体表面，干燥，得到修饰电极；将修饰电极在核酸适体溶液中孵育，之后取出电极并干燥即得。
本发明提供的电化学适体传感器的制备方法，制备工艺简单，所得电化学适体传感器的检测限低，而且具有优异的选择性、良好的稳定性、再现性以及良好的适用性。
从成本及电化学适体传感器的检测性能方面综合考虑，优选的，分散液中，电极材料的浓度为0.1-8mg/mL，针对直径为3mm的电极基体，分散液的用量为5μL。
为进一步优化核酸适体的固定效果，优选的，所述孵育是在2-4℃下保持25-60min。
附图说明
图1为本发明的NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料和CoNi-ZIF@CoFe-PBA的FE-SEM图；其中，(a，b)CoNi-ZIF@CoFe-PBA，(c，d)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300，(e，f)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600，(g，h)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900；
图2为本发明的NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料和CoNi-ZIF@CoFe-PBA的TEM和HR-TEM图；其中，(a，b，c)CoNi-ZIF@CoFe-PBA，(d，e，f)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300，(g，h，i)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600，(j，k，l)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900；
图3为本发明的NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料和CoNi-ZIF@CoFe-PBA的XRD图，其中，(i)CoNi-ZIF@CoFe-PBA，(ii)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300，(iii)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600，(iv)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900；
图4为本发明的NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料和CoNi-ZIF@CoFe-PBA的拉曼光谱图，其中，(i)CoNi-ZIF@CoFe-PBA，(ii)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300，(iii)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600，(iv)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900；
图5为本发明的CoNi-ZIF@CoFe-PBA的XPS图，其中，(a)Co 2p，(b)Fe 2p和(c)Ni2p；
图6为本发明的NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料的Co 2p、Fe 2p和Ni 2p的高分辨率XPS光谱；其中，(a)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300，(b)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600，(c)NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900；
图7为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的EIS图；
图8为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的EIS图；
图9为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的EIS图；
图10为本发明的基于Apt/CoNi-ZIF@CoFe-PBA/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的EIS图；
图11为本发明的不同电化学适体传感器检测胰岛素的每一个阶段的ΔRct变化图；
图12为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的CV图；
图13为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的CV图；
图14为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的CV图；
图15为本发明的基于Apt/CoNi-ZIF@CoFe-PBA/AE构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的CV图；
图16为本发明利用不同浓度的电极材料(NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600)分散液(0.1、0.5、1.0、2.0、5.0和8.0mg/mL)修饰电极构筑的电化学适体传感器检测胰岛素产生的ΔRct变化图；
图17为本发明使用不同浓度(10、100、200、500和1000nM)的Apt溶液修饰电极构筑的电化学适体传感器检测胰岛素所引起的ΔRct值变化图；
图18为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器检测不同浓度胰岛素的EIS图(0、0.00001、0.0001、0.001、0.01、0.1、1、10和100ng/mL)；
图19为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器在检测胰岛素时，ΔRct值对胰岛素浓度的依赖性，校准图的线性部分如插图所示；
图20为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器的选择性实验结果图(其中干扰物浓度为0.1ng·ml-1、胰岛素浓度为0.01ng/mL)；
图21为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器的重现性实验结果图(测试使用的胰岛素浓度为0.00001ng/mL)；
图22为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器的稳定性实验结果图(测试使用的胰岛素浓度为0.00001ng/mL)；
图23为本发明的基于Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE构筑的电化学适体传感器的再生性实验结果图(测试使用的胰岛素浓度为0.00001ng/mL)。
具体实施方式
本发明主要通过构建双金属CoFe-PBA纳米结构和CoNi-沸石框架的新型核壳纳米复合结构(表示为CoNi-ZIF@CoFe-PBA)，然后高温煅烧形成多组分金属氧化物和钴酸镍尖晶石结构。通过在高温条件下煅烧CoNi-ZIF@CoFe-PBA，使配位金属中心(Ni和Fe)不仅转变为相应的金属氧化物(NiO和Fe2O3)，而且Co和Ni中心之间的协同作用促使了NiCo2O4尖晶石的形成(表示为NiO/Fe2O3/NiCo2O4)。煅烧后，大多数有机配体被分解，只剩下少量的碳组分，由于多孔纳米结构、金属氧化物和NiCo2O4与适体链之间的强相互作用，该电极材料表面可高效固定大量核酸适体。当这些适体为特异性检测胰岛素的核酸适体时，由于胰岛素与其适体之间的生物识别作用，使胰岛素优先与适体发生固定化反应，形成胰岛素与适体之间的G-四联体，进而可用于胰岛素的高效检测。
CoNi-ZIF@CoFe-PBA的制备分两步进行，第一步制备CoFe-PBA，第二步是以CoFe-PBA为模板，在其表面包覆CoNi-ZIF纳米片。
CoFe-PBA的合成是利用金属离子与有机配体的配位反应进行制备。反应时，铁元素的浓度可控制为1-4mol/L。溶剂选择水即可。CoFe-PBA的合成时，配位反应优选搅拌反应5-15min，然后静置反应24h。反应后，用乙醇洗涤沉淀三次，再经烘干，即得CoFe-PBA。
在CoFe-PBA表面包覆CoNi-ZIF纳米片时，可将钴盐、镍盐分散在甲醇中，形成溶液A；将2-甲基咪唑、CoFe-PBA分散在甲醇中形成溶液B；将溶液A加入到溶液B中，超声反应，然后将产物洗涤，用溶剂重新分散，得到分散液。溶液A中，镍盐的浓度可控制为3-6.5mol/L。将分散液和溶液A混合，水热反应，用乙醇洗涤所得产物并在60℃下干燥过夜，即得CoNi-ZIF@CoFe-PBA。
煅烧时，升温速率可控制为1℃/min，之后自然冷却至室温，即得NiO/Fe2O3/NiCo2O4粉末。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)、硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、2-甲基咪唑(C4H6N2)购买自阿拉丁化学试剂有限公司(中国上海)。氯化钴(CoCl2·6H2O)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)、铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])、乙醇(C2H5OH)和甲醇购买自中国上海国药化学试剂有限公司。所有试剂均为分析级试剂，所有溶液均用超纯水(Milli-Q，≥18.2MΩ·cm)制备。牛白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)、免疫球蛋白G(IgG)、前列腺特异性抗原(PSA)、甲胎蛋白(AFP)、表皮生长因子受体(EGFR)和胰岛素(1mg/mL)购自索莱宝生物技术有限公司(中国北京)。从SBS基因技术有限公司(http://www.sbsbbio.com)获得的用于检测胰岛素的适体序列如下：5’-GGT GGT GGGGGG GGT TGG TAG GGT GTC TTC-3’。
裸金电极(AE)直径为3mm，购买自Gaoss Union Instrument Inc(中国武汉)。
溶液的配制：用PBS(pH＝7.4，0.01M)配制适体储备液(100μM)，同样用PBS配制BSA、CEA、IgG、PSA、AFP、EGFR和胰岛素(1mg/mL)的储备溶液，并在4℃下储存。此外，用PBS稀释相应溶液以获得所需浓度。实际样品测试是将人血清用0.01M PBS(pH 7.4)稀释100倍，并向该血清溶液中加入不同量的胰岛素。
一、本发明的适体传感器用电极材料的具体实施例如下：
实施例1
本实施例的适体传感器用电极材料，包括以下步骤：
1)CoFe-PBA的合成：将CoCl2·6H2O(142.8mg)、PVP(0.3g)和柠檬酸钠(0.25g)溶解在30mL去离子水中，形成第一溶液；将K3[Fe(CN)6](66mg)溶解到20mL去离子水中，形成第二溶液。然后，在磁力搅拌下条件下将第二溶液滴加到第一溶液中，10分钟后，将反应体系转移并静置24小时。最后，用乙醇洗涤沉淀三次后在60℃条件下干燥，得到CoFe-PBA。
2)CoNi-ZIF@CoFe-PBA的制备：将Co(NO3)2·6H2O(0.55g)和Ni(NO3)2·6H2O(0.55g)在磁力搅拌下溶于30mL的甲醇中形成溶液A；将2-甲基咪唑(1.32g)、CoFe-PBA(100mg)在磁力搅拌下分散于30mL的甲醇中形成溶液B，将溶液A加入到溶液B中，超声15min，所得混合液用甲醇离心洗涤至无色，再将固相产物分散到30mL甲醇中，得到分散液。
将另一份30mL的溶液A加入到分散液中混合，将所得混合物转移到100mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在120℃下加热1h，用乙醇洗涤所得产物并在60℃下干燥过夜，所得产物即为CoNi-ZIF@CoFe-PBA。
3)NiO/Fe2O3/NiCo2O4纳米复合材料的制备：将CoNi-ZIF@CoFe-PBA在管式炉氮气流下，以1℃/min的速率升温至300℃，保温2h，即得300℃煅烧产物，表示为NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300。
实施例2-3
实施例2-3的适体传感器用电极材料，与实施例1的电极材料的制备步骤基本相同，区别仅在于，步骤3)中，煅烧的温度分别为600℃、900℃，分别得到600℃煅烧产物、900℃煅烧产物，分别表示为NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600和NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900。
二、本发明的电化学适体传感器的制备方法的具体实施例如下：
实施例4
本实施例的电化学适体传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)裸金电极(AE)的预处理：用0.05μm氧化铝抛光AE表面，并用去离子水冲洗。接着在将AE浸泡在体积比为7：3的H2SO4：H2O2溶液中超声15min，用超纯水洗涤，并在氮气下干燥。最后，在0.5M H2SO4中采用电化学扫描，采用循环伏安法在-0.2-1.6V的范围内测试，完成电化学清洗。
2)电化学适体传感器的构筑：将1.0mg的NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300分散在1.0mL的超纯水中，形成均匀分散体，得到浓度为1.0mg/mL的分散液。将5μL分散液滴加到步骤1)电化学清洗后的AE表面，在室温下干燥1h，得到修饰电极(表示为NiO/Fe2O3/NiCo2O4/AE)。随后，将修饰电极浸泡在适体溶液(200nM)中，在4℃下共孵育30min，适体固定在修饰电极的表面直至饱和，即完成电化学适体传感器的构筑，表示为Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4/AE。
实施例5-6
实施例5-6的电化学适体传感器的制备方法，分别以NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600、NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900为电极材料，其他与实施例4的方法保持一致。
实施例7-11
实施例7-11的电化学适体传感器的制备方法，以NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600为电极材料，分散液的浓度分别为0.1、0.5、2.0、5.0和8.0mg/mL，其他与实施例4的方法保持一致。
三、本发明的电化学适体传感器的实施例，分别对应电化学适体传感器的制备方法实施例4-11的最终产品。
四、对比例的说明
对比例1
对比例1的电化学适体传感器的制备方法，所使用的电极材料为实施例1中的CoFe-PBA在600℃煅烧2h后的衍生物，表示为Co3O4/NiO/NiCo2O4，其他与实施例4的方法保持一致。
对比例2
对比例2的电化学适体传感器的制备方法，所使用的电极材料为CoNi-ZiF在600℃煅烧2h后的衍生物，表示为CoO/Fe3O4，其他与实施例4的方法保持一致。CoNi-ZiF的制备与实施例1中相应步骤的区别在于，溶液B中不加入CoFe-PBA。
五、相关实验例
实验例1
通过扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(TEM)对CoNi-ZIF@CoFe-PBA和NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料进行形貌表征，结果如图1和图2所示。
如图1a和1b所示，CoNi-ZIF纳米片(CoNi-ZIF-NSs)包裹在CoFe-PBA材料的表面，形成复合材料CoNi-ZIF@CoFe-PBA，尺寸在650nm-1.3μm范围内，其透射电镜图也证明了这一点(图2a和2b)。另外，HR-TEM图中0.24和0.22nm晶格间距分别对应于NiO和CoO的(111)和(200)晶面(图2c)。
300℃煅烧后，CoFe-PBA仍保留原有的立方体状并且表面被NSs包裹(图1c和1d)，尺寸大小在700nm-1.2μm之间，略小于CoNi-ZIF@CoFe-PBA，这说明煅烧后有机配体的蒸发导致尺寸减小。其TEM图如图2d和2f所示，NSs上出现了大量纳米颗粒，图2e中0.203nm的晶格间距对应着NiCo2O4的(200)晶面，这表明CoNi-ZIF@CoFe-PBA复合材料中的Co和Ni金属配位中心转化到新型尖晶石纳米结构NiCo2O4中。
当煅烧温度升高到600℃时，复合材料的形貌变成由小的纳米球状堆积形成纳米立方块状(图1e和1f)，虽然保留了原有的立方块状，但小的纳米球也变得松散，形成了明显的多孔纳米结构。如TEM图所示(图2g)，立方体由小纳米颗粒包围，尺寸大小为30-40nm(图2h)，其HR-TEM图中晶格间距为0.220、0.240和0.244nm，分别对应于Fe2O3、NiO和NiCo2O4的(113)、(111)和(311)晶面。
900℃煅烧后(图1g和1h)，纳米颗粒尺寸在500nm-1.1μm范围，大小尺寸较为不均匀，表明在高温煅烧过程中有金属氧化物的形成。其TEM如图2j和2h所示，HR-TEM图(图2l)中出现的0.203、0.228和0.253nm的晶格间距分别对应于NiCo2O4、NiO和Fe2O3的(400)、(200)和(311)晶面。
实验例2
本实验例对CoNi-ZIF@CoFe-PBA和NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料进行晶体和化学结构分析。
各材料的XRD图如图3所示。CoNi-ZIF@CoFe-PBA的XRD图中(曲线i)，在10.35、17.5、24.7、35.4和39.75°出现的特征峰分别对应于具有面心立方结构的CoFe PBA的(200)、(220)、(400)和(420)晶面，然而，在CoFe-PBA表面包裹的CoNi-ZiF结晶度较差。
在300℃条件下煅烧后(曲线ii)，XRD中30.87、36.72、44.39和64.53°处出现的弱峰可分别对应于立方尖晶石结构NiCo2O4(JCPDS卡号：20-0781)的(220)、(311)、(400)和(440)晶面。对于在600℃下煅烧的纳米复合材料(曲线iii)，除了立方尖晶石NiCo2O4晶体的特征峰外，还观察到在42.97和62.35°处出现的特征峰，对应于NiO的(200)和(220)晶面。900℃煅烧后复合材料的XRD图中也出现了NiCo2O4和NiO的显著特征峰(曲线iv)。研究结果还表明，随着煅烧温度的升高，各特征峰的强度均增大，表明所制备的复合材料的结晶度增大。此外，所有材料中位于14.8°的宽峰与材料中非晶态相的存在有关。
各材料的拉曼光谱如图4所示。其中，476和518cm–1两处的峰对应于Ni-O振动。2162cm-1处的峰对应于FeII-FeII-C≡N-CoII的形成。300℃煅烧后形成的纳米复合材料中481和573cm-1两处的峰分别对应于NiCo2O4的Eg和F2g。当煅烧温度升高到600℃时，677cm-1处的吸收峰与NiCo2O4的A1g模式有关，进一步证实了尖晶石NiCo2O4的形成。同样的结果也出现在900℃煅烧后形成的复合材料Raman图中。结合TEM、XRD、Raman等分析结果，CoNi-ZIF@CoFe-PBA复合材料煅烧后形成的衍生物可以用NiO/Fe2O3/NiCo2O4表示。
CoNi-ZIF@CoFe-PBA的XPS图如图5所示。它证明了Co2+和Co3+物种以及Ni2+和Ni3+物种共存。Fe 2p-XPS图谱中观察到其结合能为708.5eV，与Fe、Fe0的金属状态相对应。与原始PBA相比，Fe0的存在表明部分Fe2+物种还原为金属状态。
NiO/Fe2O3/NiCo2O4系列纳米复合材料中Co 2p、Ni 2p和Fe2p的高分辨率XPS光谱如图6(横、纵坐标与图5一致)所示，同样可说明Co0、Co2+、Co3+、Fe2+和Fe3+是共存的，材料中还含有Ni2+、Ni3+和NiO。根据以上分析，各材料的XPS表征、XRD和TEM结果显示出一致的结论。
实验例3
本实验例对各电化学适体传感器进行电化学测试。电化学测试是在CHI660E电化学工作站完成，电化学体系由三电极体系构成，金电极(AE)为工作电极，铂丝电极作为对电极，Ag/AgCl为参比电极。循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)测试是在含有0.1M KCl、0.14M NaCl和5mM[Fe(CN)6]3-/4-磷酸盐缓冲溶液(由K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]·3H2O溶解于PBS(0.1M，pH＝7.4)中配置而成，其中[Fe(CN)6]3-、[Fe(CN)6]4-的浓度均为5mM)中进行，CV测试扫描范围-0.2V至+0.8V，扫描速率100mV·s-1，EIS测试频率扫描范围设置为0.01Hz-100kHz，偏置电位为0.22V，交流电位为5mV。
图7中，以基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600构筑的电化学适体传感器为例，通过EIS电化学技术来表示检测胰岛素过程中每个步骤的信号变化。结果显示，基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的EIS-Nyquist图由一部分低频半圆和一部分高频线性部分组成。线性部分与x轴之间的夹角约为45°，表明电解质离子的转移由扩散控制。裸金电极(Au electrode，AE)的Rct值很小，只有102ohm，说明AE具有良好的电化学活性。
在AE表面上修饰NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600复合材料后，NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE的Rct值增大到230ohm，说明NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600涂覆在AE表面使其导电性变差，也表明NiO/Fe2O3/NiCo2O4 600复合材料的存在阻碍了在固液界面的电子转移。然而，与其他MOF的衍生物相比，NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600复合材料的Rct值很小，即电化学活性较高，这是由于复合材料中存在有NiO和Fe2O3的金属氧化物以及Co的金属态和NiCo2O4尖晶石。NiCo2O4尖晶石具有良好的电化学活性，甚至优于NiO、CoO、NiO2和Co3O4。
当固定核酸适体链后，Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE的Rct值增加到695ohm，这是因为适体链上的磷酸基团被电离成电解质溶液中的负电荷，这导致了与[Fe(CN)6]3-/4-形成斥力，进一步阻止了电子在液固界面的转移。检测到胰岛素后，Rct值的增加是由于适体链和胰岛素之间的特异性识别，由于适体链与胰岛素形成的复合物导电性较差，进一步减少界面处的电子转移。基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300、NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900、CoNi-ZIF@CoFe-PBA构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的EIS图分别如图8-图10所示。
前后每一步检测产生的Rct值变化(ΔRct＝Rct,i+1-Rct,i)代表了电极表面附着层的量，因此基于不同材料所构筑的电化学适体传感器引起的ΔRct值可表明了对胰岛素检测的敏感性。如图11所示，其中汇总了基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4纳米复合材料、CoNi-ZIF@CoFe-PBA、Co3O4/NiO/NiCo2O4和CoO/Fe3O4的电化学适体传感器在检测胰岛素时每一步引起的ΔRct值。
通过对比，用NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900纳米复合材料修饰的电极引起的ΔRct值最小，只有103.8ohm，表明该材料具有最高的电化学活性。相反，CoNi-ZIF@CoFe-PBA修饰电极后产生的ΔRct值变化最大，为354ohm，表明其电化学导电性最差，这是由CoNi-ZiF@CoFe-PBA复合材料中存在的有机相引起的。NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300和NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600两种材料修饰电极后，其ΔRct值分别为142和128ohm。显然，随着煅烧温度的升高NiO/Fe2O3/NiCo2O4纳米复合材料的电化学导电性不断增强。从XRD和TEM结果来看，随着煅烧温度的升高，NiCo2O4的含量增加，从而导致电化学活性升高。
将适体链固定在修饰电极表面后，Apt/CoNi-ZIF@CoFe-PBA/AE产生的ΔRct值变化最小，而Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600产生的ΔRct值最大，为464ohm。与Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE相比，Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900/AE产生的ΔRct值为414ohm，Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900/AE检测胰岛素后产生的ΔRct值为141ohm。它比NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE检测胰岛素产生的ΔRct值变化要小(184.8ohm)。
不同材料构筑的电化学适体传感器检测胰岛素时每一步产生的Rct值变化如表1所示。
表1 Rct值变化
由表1的结果可知，基于Co3O4/NiO/NiCo2O4和CoO/Fe3O4构筑的电化学适体传感器，即使这些材料也表现出良好的电化学活性，但核酸适体链的固定量较小，因此导致胰岛素检测效率较低。
图12中，利用CV电化学手段测试了所构筑的电化学适体传感器检测胰岛素时每一步所发生的电化学信号变化。由于电解质溶液中含有[Fe(CN)6]3-/4-氧化还原电极对，AE在0.8和-0.2V的电位范围内有两个明显的氧化还原峰。AE表面修饰NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600后，NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE形成的高电流密度CV环封闭面积较大。上述优良的电化学活性与NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600纳米复合材料中含有的Ni2+/Ni3+和Co2+/Co3+的二元固态氧化还原对有关，表明两种电活性中心共存参与氧化还原反应，有利于电化学活性的增大。NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE固定核酸适体后，NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600与胰岛素核酸适体的结合导致Apt/NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600/AE的峰值电流略有降低，这是由于电极与电解质溶液界面上的电子转移被阻断。这些CV测量结果与EIS测量结果一致。基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,300、NiO/Fe2O3/NiCo2O4,900、CoNi-ZIF@CoFe-PBA构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的CV图分别如图13-图15所示。
实验例4
本实验例以基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600构筑的电化学适体传感器(电化学适体传感器实施例2)为例，探究电化学适体传感器检测胰岛素的最佳测试条件，具体包括含/NiO/Fe2O3/NiCo2O4分散液的浓度及Apt溶液的浓度确定，结果如图16和图17所示。
结果表明，基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器检测胰岛素的最佳分散液浓度为1.0mg/mL，Apt的溶液浓度为200nM。
实验例5
本实验例采用EIS技术研究了基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器检测不同浓度胰岛素的电化学信号变化，以确定胰岛素检测的灵敏性。用于测试胰岛素的浓度范围为10fg/mL-100ng/mL(PBS为溶剂)，选择不同浓度的溶液进行灵敏度测试(在每个浓度检测之后，电极用PBS彻底清洗)。每个浓度的测量值都平行测试五次，本实验例中使用平均值。
图18中，不同浓度的胰岛素溶液引起的ΔRct值明显高于空白溶液，且在0.01pg/mL至100ng/mL范围内随着胰岛素浓度的增大而增加。
如图19中的插图所示，观察到ΔRct与胰岛素浓度对数(logCinsulin)之间的呈现良好线性关系，其线性回归方程ΔRct(ohm)＝0.29logCinsulin+1.66(R2＝0.9972)，计算得到检测限(LOD)为9.1fg/mL(S/N＝3)。验证了基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器在宽线性范围、低LOD范围内灵敏检测胰岛素的可行性。
为了进一步评估构筑的电化学适体传感器检测胰岛素的性能，与现有技术中其他类型的检测胰岛素的传感器进行比较，总结在表2中。
表2电化学适体传感器的检测性能比较
(现有技术1：Electrochemiluminescence based competitive immunoassay forSudan I by using gold-functionalized graphitic carbon nitride and Au/Cu alloynanoflowers,Wanlu Chen,Xun Yao,Xinchun Zhou,Kang Zhao,Anping Deng,Jianguo Li,Microchimica Acta(2018)185:275.
现有技术2：Dual-Mode Electrochemical Immunoassay for Insulin Based onCu7S4–Au as a Double Signal Indicator,Yueyuan Li,Wenjuan Zhu,Qing Kang,LeiYang,Yong Zhang,Yaoguang Wang,and Qin Wei,ACS Appl.Mater.Interfaces 2018,10,38791-38798.
现有技术3：Quenching Electrochemiluminescence Immunosensor Based onResonance Energy Transfer between Ruthenium(II)Complex Incorporated in theUiO-67Metal–Organic Framework and Gold Nanoparticles for Insulin Detection,Guanhui Zhao,Yaoguang Wang,Xiaojian Li,Xue Dong,Huan Wang,Bin Du,Wei Cao,andQin Wei,ACS Appl.Mater.Interfaces 2018,10,22932-22938.
现有技术4：A photoelectrochemical sensor for highly sensitivedetection of amyloid beta based on sensitization of Mn:CdSe to Bi2WO6/CdS,RuiXu,Dong Wei,Bin Du,Wei Cao,Dawei Fan,Yong Zhang,Qinwei,Huangxian Ju,Biosensors and Bioelectronics 122(2018)37–42.
现有技术5：Zinc-doping enhanced cadmium sulfideelectrochemiluminescence behavior based on Au-Cu alloy nanocrystals quenchingfor insulin detection,Wenjuan Zhu,Chao Wang,Xiaojian Li,Malik Saddam Khan,XuSun,Hongmin Ma,Dawei Fan,QinWei,Biosensors and Bioelectronics 2017,97,115-121.
现有技术6：Electrochemiluminescence immunosensor based on quenchingeffect of SiO2@PDA on SnO2/rGO/Au NPs-luminol for insulin detection,Bin Xing,WenjuanZhu,Xianpeng Zheng,Yanyan ZhuQinWei,DanWu,Sensor.Actuat.B-Chem.2018,265,403-411.
现有技术7：Label-free electrochemical immunosensor for insulindetection by high-efficiency synergy strategy of Pd NPs@3D MoSx towards H2O2,Zengqiang GaoYueyunLi,ChunyanZhang,ShuanZhang,FayingLi,PingWang,HuanWang,QinWei,Biosens.Bioelectron.2019,126,108-114.
现有技术8：Label-free electrochemical immunosensor for insulindetection by high-efficiency synergy strategy of Pd NPs@3D MoSx towards H2O2,Zengqiang GaoYueyunLi,ChunyanZhang,ShuanZhang,FayingLi,PingWang,HuanWang,QinWei,Biosens.Bioelectron.2019，126,108-114.)
与现有电化学适体传感器相比，本发明基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600构筑的电化学适体传感器表现出更优越的性能。该电化学适体传感器检测胰岛素具有优异的传感性能和较低LOD的原因如下：(i)形成的NiCo2O4、NiO和Fe2O3纳米粒子均匀分布在形成的纳米复合材料中，能够增强其电化学活性；(ii)Fe、Ni和NiCo2O4的不同金属氧化物产生的协同效应可以增大适体链的固定量；(iii)CoNi-ZIF和CoFe-PBA的空腔结构以及NiO/Fe2O3/NiCo2O4复合材料的多孔纳米结构增强了与适体链的接触面，并提高了适体链与胰岛素之间形成复合物的稳定性。
实验例6
本实验例使用几种常见的生物成分作为干扰物，来评价基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器的选择性。生物成分包括BSA、CEA、IgG、PSA、AFP和EGFR。这些干扰蛋白的浓度是胰岛素浓度的100倍(0.01ng/mL)，结果如图20所示。
图20中，检测干扰物时，电化学适体传感器产生的△Rct值变化不明显；尽管胰岛素的浓度很低，检测时产生的△Rct值依然很大，所以该电化学适体传感器的选择性较为优异。
实验例7
本实验例考察基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器的重现性，在相同条件下同时用五根电极分别检测胰岛素，对比其产生的△Rct值，结果如图21所示。
图21中，检测结果的相对标准偏差约为2.27％，表示该电化学适体传感器具有良好的重现性(检测胰岛素的浓度为0.01pg/mL)。
实验例8
本实验例考察基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器的稳定性，将电化学适体传感器储存在4℃冰箱中，连续测试15天，对比△Rct值，结果如图22所示。
图22中，15天后△Rct值基本保持不变，其ΔRct值约为第一天的107.6％，表明所构筑的NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600-基电化学适体传感器具有优异的稳定性(检测胰岛素的浓度为0.01pg/mL)。
实验例9
本实验例考察基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器的再生性。将电极在1.0M NaOH中浸泡2分钟，用超纯水冲洗，然后再浸泡在胰岛素溶液中(0.01pg/mL)，用EIS测试浸泡前后的电化学信号变化，用于探究电化学适体传感器的再生性。相同的步骤反复测试10次，结果如图23所示。
图23中，△Rct只给出现了轻微的下降，这表明该电化学适体传感器具有优异的再生性能，可重复使用。
实验例10
本实验例通过检测人血清样品中的胰岛素含量，探究基于NiO/Fe2O3/NiCo2O4,600的电化学适体传感器的适用性。用PBS(0.01mM，pH7.4)将人的血清样品稀释100倍，然后，将不同浓度的胰岛素溶液加到稀释的血清样品中用于EIS测试分析。根据灵敏性测试得到的线性方程计算得到的结果总结在表3中。
表3人血清样品中的胰岛素检测结果
表3中，该电化学适体传感器对人血清样品中胰岛素含量检测的回收率和相对标准偏差指标优异，表明可以用于检测人血清样品中的胰岛素含量。该电化学适体传感器的测试结果与当地医院使用Elisa试剂盒得到的结果没有明显的差异。因此，本发明的电化学适体传感器可用于测定注射胰岛素后糖尿病患者的胰岛素含量。

Claims (10)

1.一种适体传感器用电极材料，其特征在于，由包括以下步骤的方法制备而成：
1)将钴盐、铁氰酸盐在溶剂中反应，制备固相钴铁配合物；
2)将钴铁配合物、钴盐、镍盐、2-甲基咪唑在溶剂中搅拌反应，制备固相包覆材料；
3)将固相包覆材料在保护气氛下于300℃以上进行煅烧处理，即得。
2.如权利要求1所述的适体传感器用电极材料，其特征在于，步骤2)中，搅拌反应后得到固体产物，将固体产物、钴盐、镍盐在溶剂中混匀，然后在110-130℃下水热反应1-2h，得到所述固相包覆材料。
3.如权利要求2所述的适体传感器用电极材料，其特征在于，每95-105mg以固相钴铁配合物质量计的所述固体产物，对应钴元素的加入量为1.5-2.5mmol，对应镍元素的加入量为1.5-2.5mmol。
4.如权利要求1-3中任一项所述的适体传感器用电极材料，其特征在于，步骤2)中，钴盐中钴元素、镍盐中镍元素、2-甲基咪唑的摩尔比为(0.8-1.2)：(0.8-1.2)：(7.5-8.5)；2-甲基咪唑与固相钴铁配合物的质量比为(12-14)：(0.8-1.2)。
5.如权利要求1-3中任一项所述的适体传感器用电极材料，其特征在于，步骤3)中，煅烧的温度为300-900℃，时间为2-3h。
6.一种电化学适体传感器，其特征在于，包括电极基体和修饰在电极基体上的电极材料，以及附着在电极材料上的核酸适体，所述电极材料由包括以下步骤的方法制备而成：
1)将钴盐、铁氰酸盐在溶剂中反应，制备固相钴铁配合物；
2)将钴铁配合物、钴盐、镍盐、2-甲基咪唑在溶剂中搅拌反应，制备固相包覆材料；
3)将固相包覆材料在保护气氛下于300℃以上进行煅烧处理，即得。
7.如权利要求6所述的电化学适体传感器，其特征在于，所述核酸适体为用于特异性检测胰岛素的核酸适体。
8.一种如权利要求6所述的电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将电极材料分散于溶剂中，得到分散液；然后将分散液转移至电极基体表面，干燥，得到修饰电极；将修饰电极在核酸适体溶液中孵育，之后取出电极并干燥即得。
9.如权利要求8所述的电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，分散液中，电极材料的浓度为0.1-8mg/mL，针对直径为3mm的电极基体，分散液的用量为5μL。
10.如权利要求8或9所述的电化学适体传感器的制备方法，其特征在于，所述孵育是在2-4℃下保持25-60min。
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