CN110531087B - 基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器 - Google Patents

基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于MXenes‑ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器，特点是将具有高量子产率、良好生物相容性的ZnO QDs引入Ru(bpy)3 2+/S2O8 2‑体系，其作为共反应加速剂极大地提高Ru(bpy)3 2+/S2O8 2‑体系的发光效率。此外，MXenes作为探针基底，增加了发光试剂Ru(bpy)3 2+和共反应加速剂ZnO QDs的负载量，增强ECL信号。且MXenes具有优异的光热转换效率，能在电极表面形成温度梯度层，加快电活性物质向电极表面的扩散速度，进一步增强ECL信号和提高检测的灵敏度。本发明能用于甲状腺球蛋白（Tg）的检测并取得较好的检测结果。

Description

基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发 光传感器
技术领域
本发明属于新型功能材料与生物传感检测技术领域，具体涉及一种高效的基于Nb2CTx MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光免疫器的制备方法和应用。
背景技术
甲状腺球蛋白（Thyroglobulin，Tg）是由甲状腺滤泡上皮分泌的一种碘化糖蛋白，分子量约为660KD。Tg的含量受多种甲状腺相关疾病影响，包括桥本式症（甲状腺炎），格雷夫斯病（毒性弥漫性甲状腺肿），亚急性甲状腺炎，甲状腺功能亢进以及甲状腺瘤等。在先天性甲状腺功能缺陷的患者中，甲状腺球蛋白含量的检测可以鉴别甲状腺完全缺失、甲状腺发育不全以及其他病理情况。因此，寻找一种快速、灵敏的分析方法检测Tg具有重要的意义。
电致化学发光免疫传感器具有灵敏度高、选择性好、操作简便、可连续快速、自动化检测分析等优点，被广泛地应用于临床诊断、药物分析和环境监测等领域。本发明制备了一种基于Nb2CTx MXenes-ZnO QDs的热致增敏型电致化学发光免疫器用于甲状腺球蛋白（Tg）的高灵敏检测。ZnO QDs 被首次引入Ru(bpy)3 2+/S2O8 2- ECL 体系，其作为共反应加速剂可以促进S2O8 2- 生成更多的SO4 ·-，增强Ru(bpy)3 2+/S2O8 2- ECL 体系的发光信号。Nb2CTxMXenes具有良好的金属导电性，亲水性和大的比表面积，其作为探针基质，提高了Ru(bpy)3 2+ 和ZnO QDs 的负载，而且，Nb2CTx MXenes具有优异的光热转换效率，能够将808nm的激光能量转换为热，提高电极表面温度，进而加快传质和对流速度，进一步提高检测的灵敏度。最终，基于光热基质Nb2CTx MXenes和ZnO QDs/Ru(bpy)3 2+/S2O8 2-三元ECL体系构建免疫传感器，实现对Tg的高灵敏和宽范围检测。本发明为构建高效传感器提供了一个新的方法，同时，可能刺激更多光热材料在ECL领域的应用。
发明内容
本发明的目的之一是基于Nb2CTx MXenes-ZnO QDs和光热放大技术，构建一种无标记、灵敏度高、稳定性好的电致化学发光免疫传感器。
本发明的目的之二是将该电致化学发光免疫传感器应用于甲状腺球蛋白（Tg）的高灵敏检测。
为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：
1. 一种基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）玻碳电极（GCE）首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依次用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
（2）滴加5 μL 浓度为 5 mg/mL的TiO2-MOF/ε-PL悬浮液于干净的玻碳电极表面，红外灯下烘干，冷却至室温，制得TiO2-MOF/ε-PL修饰电极；
（3）滴加5 μL 0.1 wt% 戊二醛于步骤（2）所制得的电极界面, 室温下孵育30min；
（4）滴加5 μL 浓度为50 ng/mL 的甲状腺球蛋白抗体（Ab1）于步骤（3）修饰电极表面，室温下孵育40 min，用去离子水洗去物理吸附，制得Ab1/TiO2-MOF/ε-PL修饰电极；
（5）将步骤（4）制备的修饰电极置于1.0 wt. %的BSA溶液中40 min, 以封闭电极表面上非特异性活性位点，用去离子水冲洗电极表面洗去物理吸附，并保存在4°C冰箱中备用；
（6）将200 μL 浓度为1.0×10-2 mol/L联吡啶钌（Ru(bpy)3 2+）加入到200 μL 浓度为5 mg/mL Nb2CTx MXenes 中，室温下振荡5 h, 洗涤、离心获得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+复合物；同时，将100 μL 浓度为10 mM 3-氨丙基二乙氧基硅烷（APTES）加入到200 μL浓度为5 mg/mL ZnO QDs 溶液并在室温振荡6 h, 得到APTES-ZnO QDs 复合物；然后，将APTES-ZnO QDs 复合物溶液与Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+复合物超声混合均匀，在室温下搅拌5h，洗涤、离心制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs复合物溶液；在戊二醛辅助下，向Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs复合物溶液中加入200 μL 浓度为50 μg/mL甲状腺球蛋白抗体（Ab2），经超纯水洗涤后，再向所获得的溶液中加入100 μL 1.0 wt. % BSA封闭非特异性吸附位点；洗涤，离心制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2复合物溶液，储存在4 °C冰箱中备用；
（7） 将步骤（5）所获得的修饰电极浸入到不同浓度的甲状腺球蛋白 （Tg）标准溶液中，室温下孵育50 min，用去离子水冲洗电极表面, 再滴加 5 μL 步骤 （6） 制备的Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2复合物溶液，在室温下孵育50 min，用去离子水冲洗电极表面，制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2/Tg/BSA/Ab1/TiO2-MOF/ε-PL修饰电极，并保存在4 °C冰箱中备用。
2. 所述的TiO2-MOF/ε-PL悬浮液由下述方法制备的： 1.5 g对苯二甲酸， 3 mL无水甲醇，27 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.78 mL钛酸四丁酯混合均匀后转移至100 mL反应釜中， 在150 °C 下加热48 h， 待反应物冷却后，用甲醇洗涤数次，最后，将所得产物在400 °C下煅烧5 h，自然冷却得到最终产物TiO2-MOF，将其分散到水中得到浓度为5 mg/mL 的TiO2-MOF溶液；200 μL 浓度为5 mg/mL 的TiO2-MOF溶液加入到200 μL 浓度为5 mg/mL的ε-聚赖氨酸，室温下振荡6 h， 离心，洗涤，再分散得到TiO2-MOF/ε-PL悬浮液。
3. 所述的Nb2CTx MXenes由下述方法制备的：2 g Nb2AlC MXenes 溶解在20 mL30 wt%氢氟酸（HF）溶液中并在室温下连续搅拌90 小时； 将得到的Nb2CTx MXenes悬浮液洗涤、离心数次直至pH为6；然后，所得到的悬浮液经聚偏氟乙烯（PVDF）膜过滤，最后再在真空下干燥得到目标产物。
4. 所述的ZnO QDs由下述方法制备的：将0.367 g 醋酸锌和0.043 g四水乙酸镁超声溶解于30 mL异丙醇中，得到溶液A；将0.1 g 氢氧化钠溶解在15 mL异丙醇中，得到溶液B；混合溶液A加入溶液B中并在室温下搅拌8 h，得到ZnO QDs。
5. 甲状腺球蛋白 (Tg）的检测步骤：
（1）使用电化学工作站采用三电极体系进行测定，以上述制得的基于MXenes-ZnOQDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝电极为辅助电极，在0.1 mol/mL pH 9.0的 PBS缓冲溶液中进行测试；
（2）采用电位范围0 ~ 1.6 V，扫描速率0.15 V/s电位窗口，电致化学发光设备光电倍增管800 V对不同浓度的甲状腺球蛋白（Tg）标准溶液进行检测，通过电致化学发光设备采集1.1 V的ECL信号强度，通过ECL信号强度与甲状腺球蛋白（Tg）标准溶液浓度之间的关系，绘制工作曲线；
（3）待测样品溶液代替甲状腺球蛋白（Tg） 标准溶液进行检测，检测的结果可通过工作曲线查得。
本发明的显著优点为：
（1） ZnO QDs具有良好的生物相容性，其作为共反应加速剂， 能够促进S2O8 2- 还原生成更多的SO4 ·-, 提高Ru(bpy)3 2+/S2O8 2- 体系的发光效率。
（2）Nb2CTx MXenes具有大的比表面积和优异的光热转换效率，不仅能够增加Ru(bpy)3 2+和ZnO QDs的负载量，而且在808 nm激光照射下，增加电极表面温度，进一步提高ECL信号和检测灵敏度。
（3）拓宽了MXenes 应用范围，并为构建高灵敏电致化学发光传感器提供新的思路。
附图说明
图1为免疫传感电极的电致化学发光响应信号与甲状腺球蛋白（Tg）标准溶液浓度的线性关系图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
一种基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）玻碳电极（GCE）首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依次用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
（2）滴加5 μL 浓度为 5 mg/mL的TiO2-MOF/ε-PL悬浮液于干净的玻碳电极表面，红外灯下烘干，冷却至室温，制得TiO2-MOF/ε-PL修饰电极；
（3）滴加5 μL 0.1 wt% 戊二醛于步骤（2）所制得的电极界面, 室温下孵育30min；
（4）滴加5 μL 浓度为50 ng/mL 的甲状腺球蛋白抗体（Ab1）于步骤（3）修饰电极表面，室温下孵育40 min，用去离子水洗去物理吸附，制得Ab1/TiO2-MOF/ε-PL修饰电极；
（5）将步骤（4）制备的修饰电极置于1.0 wt. %的BSA溶液中40 min, 以封闭电极表面上非特异性活性位点，用去离子水冲洗电极表面洗去物理吸附，并保存在4°C冰箱中备用；
（6）将200 μL 浓度为1.0×10-2 mol/L联吡啶钌 （Ru(bpy)3 2+） 加入到200 μL 浓度为5 mg/mL Nb2CTx MXenes中，室温下振荡5 h, 洗涤、离心获得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+复合物；同时，将100 μL 浓度为10 mM 3-氨丙基二乙氧基硅烷（APTES）加入到200μL浓度为5 mg/mL ZnO QDs 溶液并在室温振荡6 h, 得到APTES-ZnO QDs 复合物; 然后，将APTES-ZnO QDs 复合物溶液与Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+复合物超声混合均匀， 在室温下搅拌5 h，洗涤、离心制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs复合物溶液； 在戊二醛辅助下，向Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs复合物溶液中加入200 μL 浓度为50 μg/mL甲状腺球蛋白抗体（Ab2，购买自武汉默克生物技术有限公司），经超纯水洗涤后，再向所获得的溶液中加入100 μL 1.0 wt. % BSA封闭非特异性吸附位点；洗涤，离心制得Nb2CTxMXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2复合物溶液，储存在4 °C冰箱中备用；
（7） 将步骤（5）所获得的修饰电极浸入到不同浓度的甲状腺球蛋白 （Tg）标准溶液中，室温下孵育50 min, 用去离子水冲洗电极表面, 再滴加 5 μL 步骤 （6） 制备的Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2复合物溶液，在室温下孵育50 min，用去离子水冲洗电极表面，制得N Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2/Tg/BSA/Ab1/TiO2-MOF/ε-PL修饰电极，并保存在4 °C冰箱中备用。
实施例2
上述实施例1的TiO2-MOF/ε-PL悬浮液的制备： 首先，1.5 g对苯二甲酸， 3 mL 无水甲醇，27 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.78 mL钛酸四丁酯混合均匀后转移至100 mL反应釜中， 在150 °C 下加热48 h， 待反应物冷却后，用甲醇洗涤数次，最后，将所得产物在400 °C下煅烧5 h，自然冷却得到产物TiO2-MOF，再分散到水中得到浓度为5 mg/mL 的TiO2-MOF溶液；200 μL 浓度为5 mg/mL 的TiO2-MOF溶液加入到200 μL 浓度为5 mg/mL的ε-聚赖氨酸（ε-PL，购买自上海阿拉丁试剂有限公司），室温下振荡6 h， 离心，洗涤，再分散得到TiO2-MOF/ε-PL悬浮液。
实施例3
上述实施例1的Nb2CTx MXenes的制备：2 g 铌碳化铝（Nb2AlC MXenes，购买自福斯曼科技（北京）有限公司） 溶解在20 mL 30 wt%氢氟酸（HF）溶液中并在室温下连续搅拌90小时； 将得到的Nb2CTx MXenes悬浮液洗涤、离心数次直至pH为6；然后，所得到的悬浮液经聚偏氟乙烯（PVDF）膜过滤，最后再在真空下干燥得到目标产物。
实施例4
上述实施例1的ZnO QDs的制备：：将0.367 g 醋酸锌和0.043 g四水乙酸镁超声溶解于30 mL异丙醇中，得到溶液A；将0.1 g 氢氧化钠溶解在15 mL异丙醇中，得到溶液B；混合溶液A加入溶液B中并在室温下搅拌8 h，得到ZnO QDs。
实施例5
甲状腺球蛋白 (Tg）的检测步骤：
（1）使用电化学工作站采用三电极体系进行测定，以实施例1制得的基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝电极为辅助电极，在0.1 mol/mL pH 9.0的 PBS缓冲溶液中进行测试；
（2）采用电位范围0 ~ 1.6 V，扫描速率0.1 V/s电位窗口，电致化学发光设备光电倍增管800 V对不同浓度的甲状腺球蛋白（Tg）标准溶液进行检测，通过电致化学发光设备采集1.1 V的ECL信号强度，通过ECL信号强度与甲状腺球蛋白（Tg）标准溶液浓度之间的关系，绘制工作曲线，见图1；
（3）待测样品溶液代替甲状腺球蛋白（Tg）标准溶液进行检测，检测的结果可通过工作曲线查得。

Claims (5)

1.一种基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）玻碳电极GCE首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依次用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
（2）将ε-聚赖氨酸 ε-PL加入TiO2-MOF中，制成浓度为5 mg/mL的TiO2-MOF/ε-PL悬浮液，滴加5 μL 于干净的玻碳电极表面，红外灯下烘干，冷却至室温，制得TiO2-MOF/ε-PL修饰电极；
（3）滴加5 μL 0.1 wt% 戊二醛于步骤（2）所制得的电极表面, 室温下孵育30 min；
（4）滴加5 μL 浓度为50 μg/mL 的甲状腺球蛋白抗体Ab1于步骤（3）修饰电极表面，室温下孵育40 min，用去离子水洗去物理吸附，制得Ab1/TiO2-MOF/ε-PL修饰电极；
（5）将步骤（4）制备的修饰电极置于1.0 wt. %的BSA溶液中40 min, 以封闭电极表面上非特异性活性位点，用去离子水冲洗电极表面洗去物理吸附，并保存在4°C冰箱中备用；
(6)将200 μL 浓度为1.0×10-2 mol/L联吡啶钌 Ru(bpy)3 2+ 加入到200 μL 浓度为5mg/mL Nb2CTx MXenes 中，室温下振荡5 h, 洗涤、离心获得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+ 复合物；同时，将100 μL 浓度为10 mM 3-氨丙基二乙氧基硅烷APTES加入到200 μL浓度为5mg/mL ZnO QDs 溶液中并在室温振荡6 h, 得到APTES-ZnO QDs 复合物；然后将APTES-ZnOQDs 复合物溶液与Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+复合物超声混合均匀并在室温下搅拌5 h，洗涤、离心制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs复合物溶液； 在戊二醛辅助下，向Nb2CTxMXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs复合物溶液中加入200 μL 浓度为50 μg/mL 甲状腺球蛋白抗体Ab2，经超纯水洗涤后，再向所获得的溶液中加入100 μL 1.0 wt. % BSA封闭非特异性吸附位点；洗涤、离心制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2复合物溶液，储存在4 °C冰箱中备用；
（7） 将步骤（5）所获得的修饰电极浸入到不同浓度的甲状腺球蛋白 Tg标准溶液中，室温下孵育50 min, 用去离子水冲洗电极表面, 再滴加 5 μL 步骤 （6） 制备的Nb2CTxMXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2复合物溶液，在室温下孵育50 min，用去离子水冲洗电极表面，制得Nb2CTx MXenes@Ru(bpy)3 2+-ZnO QDs-Ab2/Tg/BSA/Ab1/TiO2-MOF/ε-PL修饰电极，并保存在4 °C冰箱中备用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的TiO2-MOF/ε-PL悬浮液由下述方法制备的：1.5 g对苯二甲酸， 3 mL 无水甲醇，27 mL N,N-二甲基甲酰胺DMF和0.78 mL钛酸四丁酯混合均匀后转移至100 mL 反应釜中， 在150 °C 下加热48 h， 待反应物冷却后，用甲醇洗涤数次，最后，将所得产物在400 °C下煅烧5 h，自然冷却得到最终产物TiO2-MOF，将其分散到水中得到浓度为5 mg/mL 的TiO2-MOF溶液；200 μL 浓度为5 mg/mL 的TiO2-MOF溶液加入到200 μL 浓度为5 mg/mL的ε-聚赖氨酸，室温下振荡6 h， 离心，洗涤，再分散得到TiO2-MOF/ε-PL悬浮液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Nb2CTx MXenes由下述方法制备的：2g Nb2AlC MXenes 溶解在20 mL 30 wt% 氢氟酸HF溶液中并在室温下连续搅拌90 小时；将得到的Nb2CTx MXenes悬浮液洗涤、离心数次直至pH为6；然后，所得到的悬浮液经聚偏氟乙烯PVDF膜过滤，最后再在真空下干燥得到目标产物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的ZnO QDs由下述方法制备的：将0.367 g 醋酸锌和0.043 g四水乙酸镁超声溶解于30 mL异丙醇中，得到溶液A；将0.1 g 氢氧化钠溶解在15 mL异丙醇中，得到溶液B；将溶液A加入溶液B中并在室温下搅拌8 h，得到ZnO QDs。
5.权利要求1-4任一所述的方法制备的一种基于MXenes-ZnO QDs的热致增敏型甲状腺球蛋白电致化学发光传感器。
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