CN111208287B - 一种磁共振传感器的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁共振传感器的构建方法，包括：S1、将2‑氨基对苯二甲酸和铁盐分别溶于DMF溶液得到2‑氨基对苯二甲酸溶液和铁盐溶液，之后在110‑130℃水热反应20‑22h得到Fe‑MOFs材料；S2、将Fe‑MOFs材料煅烧得到磁性介孔碳材料；S3、将磁性介孔碳材料分别与抗体溶液和抗原溶液混合孵育，分别形成磁性介孔碳材料‑抗体组装体和磁性介孔碳材料‑抗原组装体；S4、将磁性介孔碳材料‑抗体组装体和磁性介孔碳材料‑抗原组装体与检测目标液混合得到混合液，之后得到检测目标液的浓度。大大简化待测样的预处理过程时间，对目标物的测定都具有良好的灵敏度和低检测限。

Description

一种磁共振传感器的构建方法
技术领域
本发明涉及磁共振传感器领域，尤其涉及一种磁共振传感器的构建方法。
背景技术
随着纳米技术的飞速发展，生物传感器已广泛用于选定目标的快速，灵敏的分析。但是，当前使用的生物传感器，例如磁传感器，化学传感器和光学传感器，容易受到外界因素的干扰，需要复杂的预处理。基于纳米粒子的磁共振传感器因其对背景干扰的抵抗力以及无损和高通量检测能力而受到青睐。但是，对于磁共振传感器而言，提高其灵敏度和稳定性仍然是一项非常艰巨的任务。传统的Fe3O4纳米颗粒对磁传感器表现出明显增强的对比度效果，但它们容易积累和沉淀，这不利于提高检测系统的灵敏度。
发明内容
因此，引入具有高弛豫率的均匀分散的多孔磁性材料用于构建磁共振传感器是十分必要的。基于此，本发明提出了一种磁共振传感器的构建方法。
一种磁共振传感器的构建方法，包括以下步骤：
S1、将2-氨基对苯二甲酸和铁盐分别溶于DMF溶液得到2-氨基对苯二甲酸溶液和铁盐溶液，将所述2-氨基对苯二甲酸溶液和所述铁盐溶液混合搅拌2-4h，之后在110-130℃水热反应20-22h得到Fe-MOFs材料；
S2、将所述Fe-MOFs材料在惰性气体氛围中逐渐升温至450-480℃，并在该温度条件下煅烧50-70min得到磁性介孔碳材料；
S3、将所述磁性介孔碳材料分别与抗体溶液和抗原溶液混合孵育，分别形成磁性介孔碳材料-抗体组装体和磁性介孔碳材料-抗原组装体；
S4、将所述磁性介孔碳材料-抗体组装体和所述磁性介孔碳材料-抗原组装体与检测目标液混合得到混合液，将所述混合液孵育，之后检测孵育后的所述混合液的弛豫时间信号值的改变得到所述检测目标液的浓度。
优选地，在步骤S3中，在温度为25-30℃，将所述磁性介孔碳材料分别与所述抗体溶液和所述抗原溶液混合孵育。
更优选地，在步骤S3中，在温度为25-30℃，将所述磁性介孔碳材料分别与所述抗体溶液和所述抗原溶液混合孵育12-24h。
进一步地，在步骤S4中，将所述混合液在温度为25-30℃，孵育1-2h。
进一步地，在步骤S2中，将所述Fe-MOFs材料在惰性气体氛围中以2-5℃/min逐渐升温煅烧至450-480℃；所述惰性气体优选为氮气。
进一步地，在步骤S1中，将2.5-3mmol的2-氨基对苯二甲酸溶于15-20mL的DMF溶液得到所述-氨基对苯二甲酸溶液。
进一步地，在步骤S1中，将5-6mmol的铁盐溶于15-20mL的DMF溶液得到所述-氨基对苯二甲酸溶液，所述铁盐优选为FeCl3。
进一步地，在步骤S1，将所述2-氨基对苯二甲酸溶液和所述铁盐溶液混合搅拌2-4h,之后转移至50-100mL聚四氟乙烯内衬反应釜内胆中在110-130℃下水热反应20-22h得到所述Fe-MOFs材料。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：通过热分解反应形成的氧化铁颗粒使磁性介孔碳材料具有高饱和磁化性能，Fe-MOFs材料在惰性气体氛围中逐渐升温至450-480℃，并在该温度条件下煅烧50-70min形成的磁性介孔碳材料由于其高比表面积和存在很多微介孔吸引了大量水分子，而且介孔碳结构导致Fe3O4纳米颗粒附近水分子的自扩散系数降低，使得制备得到的磁性介孔碳材料具有高横向弛豫率，并将磁性介孔碳材料分别与抗原和抗体组装，通过目标物介导功能化磁性介孔碳材料的自组装程度，改变了检测体系横向弛豫时间，从而建立一种检测食品中有害物质的磁弛豫传感体系，并且将所建立的传感体系应用于实际样品的检测中，表明实用性较好。本发明采用的功能化的磁性介孔碳材料自组装体系检测目标物，较传统的检测方法而言，简化了待测样的预处理过程。对目标物的测定都具有良好的灵敏度和低检测限。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本具体实施方式中磁性介孔碳材料检测目标物的原理图。
图2为实施例1前驱体Fe-MOFs的(A)电镜图和(B)水合粒径图。
图3为实施例1磁性介孔碳材料(NPC-Fe3O4)的(A)电镜图和(B)水合粒径图。
图4为实施例1Fe-MOFs与NPC-Fe3O4的(A)傅里叶变换红外光谱图和(B)X射线衍射图。
图5为实施例1NPC-Fe3O4的(A)高分辨透射电镜图和(B-F)能谱图。
图6为实施例1双酚A(BPA)的浓度与横向弛豫时间(T2)之间的标准曲线图。
图7为实施例2黄曲霉毒素B1(AFB1)的浓度与横向弛豫时间(T2)之间的标准曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本具体实施方式提出一种磁共振传感器的构建方法，包括以下步骤：
S1、将2.5-3mmol的2-氨基对苯二甲酸溶于15-20mL的DMF溶液得到2-氨基对苯二甲酸溶液，将5-6mmol的FeCl3溶于15-20mL的DMF溶液得到FeCl3溶液，将2-氨基对苯二甲酸溶液和FeCl3溶液混合不断搅拌2-4h，将混合溶液转移至50-100mL聚四氟乙烯内衬反应釜内胆中，于10-130℃下加热20-22h，反应完成后，冷却至室温，用DMF洗涤三次以上，烘干备用得到Fe-MOFs材料；
S2、将Fe-MOFs材料在高温管式炉惰性气体氛围中以2-5℃/min逐渐升温至450-480℃，并在该温度条件下煅烧50-70min得到磁性介孔碳材料(简写为NPC-Fe3O4)；
S3、在温度为25-30℃下，将磁性介孔碳材料、抗体和抗原分别溶于10mM PB(pH7.4)缓冲液，将所述磁性介孔碳材料分别与抗体溶液和抗原溶液混合孵育12-24h，分别形成磁性介孔碳材料-抗体组装体(表示为NPC-Fe3O4-抗体组装体)和磁性介孔碳材料-抗原组装体(表示为NPC-Fe3O4-抗原组装体)；
S4、将所述磁性介孔碳材料-抗体组装体和所述磁性介孔碳材料-抗原组装体与检测目标液混合得到混合液，将所述混合液在温度为25-30℃下，孵育1-2h，之后检测孵育后的所述混合液的弛豫时间信号值的改变得到所述检测目标液的浓度。
结合图1，磁性介孔碳材料-抗体组装体和所述磁性介孔碳材料-抗原组装体中，抗体和抗原会分别吸附于磁性介孔材料的表面，磁性介孔碳材料-抗体组装体和所述磁性介孔碳材料-抗原组装体混合会因为抗原与抗体的特异性结合导致磁性介孔碳材料发生聚集；将两者与目标物(即检测目标液)混合，目标物会与抗体结合，从而降低磁性介孔碳材料的聚集程度，目标物的浓度越高，越多的目标物与抗体结合，磁性介孔碳材料的聚集程度越低，则测得的横向弛豫时间越长。△T2表示磁性介孔碳-抗体组装体的横向弛豫时间减去抗原抗体特异性识别结合后组装体的横向弛豫时间，越多的目标物与抗体结合，磁性介孔碳材料的聚集程度越低，△T2越低。
为进一步说明本具体实施方式提出的构建方法，下面列举优选的实施例进行更为详细地说明。
实施例1
一种磁共振传感器的构建方法，包括以下步骤：
S1、将2.5mmol的2-氨基对苯二甲酸溶于15mLDMF溶液得到2-氨基对苯二甲酸溶液，将5mmol的FeCl3溶于15mLDMF溶液得到FeCl3溶液，将2-氨基对苯二甲酸溶液和FeCl3溶液混合不断搅拌2h,然后将混合溶液转移至50mL聚四氟乙烯内衬反应釜内胆中，于110℃下加热20h，反应完成后，冷却至室温，用DMF洗涤三次以上，烘干备用得到Fe-MOFs材料，如图2所示。由图2可知，Fe-MOFs材料在水溶液中均匀分散的且平均粒径310nm左右。
S2、将Fe-MOFs材料在高温管式炉氮气氛围中以2℃/min逐渐升温至450℃，并在该温度条件下煅烧50min，冷却至室温，干燥环境保存备用，得到磁性介孔碳材料(NPC-Fe3O4)，如图3所示。由图3可知，Fe-MOFs通过煅烧处理形成了很多小颗粒分布在磁性介孔碳材料中。结合图4，由傅里叶变换红外光谱图可知，相比于前驱体，NPC-Fe3O4有Fe-O的生成且质子化的羧酸基团消失了。由图4中的X射线衍射图可知，NPC-Fe3O4的衍射峰大部分和Fe3O4的衍射峰相匹配。由此可知Fe-MOFs经煅烧处理得到的NPC-Fe3O4具有Fe3O4结构。由图5可知，高分辨透射电镜图显示出清晰的晶格条纹，突出显示了0.256nm的晶格间距，该间距代表了Fe3O4的(311)平面。由能谱图可知，NPC-Fe3O4中的小颗粒主要是Fe和O元素，其他部分主要是C元素。由此可知NPC-Fe3O4中的小颗粒是Fe3O4，其他部分是介孔碳结构。
S3、在温度为25-30℃下，将NPC-Fe3O4、抗体和抗原分别溶于10mM PB(pH 7.4)缓冲液，将所述NPC-Fe3O4分别与抗体溶液和抗原溶液混合孵育12h，分别形成磁性介孔碳材料-抗体组装体和磁性介孔碳材料-抗原组装体；将步骤S2得到的磁性介孔碳材料配置成0.2mg/mL的溶液，之后吸取1.5mL的磁性介孔碳材料溶液，与等体积的浓度为4μg/mL抗体的溶液置于10mL离心管中，室温条件下在摇床上孵育12h，形成磁性介孔碳材料-抗体组装体(表示为NPC-Fe3O4-抗体组装体)。吸取1.5mL的0.2mg/mL的NPC-Fe3O4溶液，与等体积的浓度为4μg/mL的抗原溶液置于10mL离心管中，室温条件下在摇床上孵育12h，形成磁性介孔碳材料-抗原组装体(表示为NPC-Fe3O4-抗原组装体)。
S4、在2mL离心管中分别加入0.15mL L NPC-Fe3O4-抗体溶液，0.15mL NPC-Fe3O4-抗原和0.3mL多种浓度的目标液双酚A溶液(即BPA溶液)得到混合液，双酚A溶液的浓度分别设为：0.05ng/mL，0.1ng/mL，0.2ng/mL，0.5ng/mL，1ng/mL，2ng/mL，5ng/mL，10ng/mL，20ng/mL和50ng/mL，并在室温下孵育1小时，然后用核磁共振造影剂成像分析仪(NMI 20-CA)分析混合液，结果如图6所示。结果表明该方法对BPA浓度的检测范围为0.05-50ng/mL，检测限(LOD)低至0.02ng/mL，检测效果良好。分别用饮用水、茶饮料(购自农夫山泉股份有限公司)配制10ng/mL和50ng/mL浓度的双酚A标准溶液，进行添加回收率实验，通过测定其横向弛豫时间值来计算相对回收率。结果如表1所示，该方法的回收率在正常范围内，因此结果显示所建立的方法适用于实际样品中BPA的检测。
表1样品中检测BPA的结果
Figure BDA0002370376670000071
实施例2
与实施例1的步骤S1-S3相同，区别在于步骤S4：在2mL离心管中分别加入0.15mLNPC-Fe3O4-抗体溶液，0.15mL NPC-Fe3O4-抗原和0.3mL多种浓度的目标液黄曲霉毒素B1溶液(即AFB1溶液)得到混合液，AFB1溶液的浓度分别设为：0.01ng/mL，0.02ng/mL，0.05ng/mL，0.1ng/mL，0.2ng/mL，0.5ng/mL，1ng/mL，2ng/mL，并在室温下孵育1小时，然后用核磁共振造影剂成像分析仪(NMI 20-CA)分析混合液，结果如图7所示。结果表明该方法对AFB1浓度的检测范围为0.01-2ng/mL，检测限(LOD)低至0.005ng/mL，检测效果良好。分别用纯净水(购自华润怡宝饮料(中国)有限公司)、山泉水(购自农夫山泉股份有限公司)、食醋(购自海天调味食品股份有限公司)配制1ng/mL浓度的AFB1标准溶液，进行添加回收率实验，通过测定其横向弛豫时间值来计算相对回收率。结果如表2所示，该方法的回收率在正常范围内，因此结果显示所建立的方法适用于实际样品中AFB1的检测。
表2样品中检测AFB1的结果
Figure BDA0002370376670000072
其他有益效果：
1)本发明合成具有高质子横向弛豫性能的磁性介孔碳材料，利用其高持水性能、优良的磁学性能以及良好的稳定性等优良特性构建磁共振传感体系，建立目标液浓度与横向弛豫时间信号值的线性关系，该发明属于检测技术领域，适用于食品安全领域，适用于瓶装矿泉水、食醋、花生油等中有害物质含量的检测。
2)本发明的在磁性介孔碳材料表面修饰了特异性抗体，可特异性识别目标物；且检测体系中的目标液浓度可介导功能化磁性介孔碳材料的组装效率，不存在目标物的情况下，组装效率最高，存在目标物的情况下，组装效率较低；本发明选择以具有高质子横向弛豫率的磁性介孔碳材料作为功能性材料，构建通过核磁共振分析成像仪检测目标物的方法，从而实现对目标物的简便快速、高灵敏、高通量检测。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (8)

1.一种磁共振传感器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将2-氨基对苯二甲酸和铁盐分别溶于DMF溶液得到2-氨基对苯二甲酸溶液和铁盐溶液，将所述2-氨基对苯二甲酸溶液和所述铁盐溶液混合搅拌2-4h，之后在110-130℃水热反应20-22h得到Fe-MOFs材料；
S2、将所述Fe-MOFs材料在惰性气体氛围中以2-5 ℃/min逐渐升温至450-480℃，并在该温度条件下煅烧50-70 min得到磁性介孔碳材料；
S3、将所述磁性介孔碳材料分别与抗体溶液和抗原溶液混合孵育，分别形成磁性介孔碳材料-抗体组装体和磁性介孔碳材料-抗原组装体；
S4、将所述磁性介孔碳材料-抗体组装体和所述磁性介孔碳材料-抗原组装体与检测目标液混合得到混合液，将所述混合液孵育，目标物会与抗体结合，从而降低磁性介孔碳材料的聚集程度，目标物的浓度越高，越多的目标物与抗体结合，磁性介孔碳材料的聚集程度越低，则测得的横向弛豫时间越长，△T2表示磁性介孔碳-抗体组装体的横向弛豫时间减去抗原抗体特异性识别结合后组装体的横向弛豫时间，越多的目标物与抗体结合，磁性介孔碳材料的聚集程度越低，△T2越低，之后检测孵育后的所述混合液的弛豫时间信号值的改变得到所述检测目标液的浓度。
2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在步骤S3中，在温度为25-30℃，将所述磁性介孔碳材料分别与所述抗体溶液和所述抗原溶液混合孵育。
3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，在步骤S3中，在温度为25-30℃，将所述磁性介孔碳材料分别与所述抗体溶液和所述抗原溶液混合孵育12-24h。
4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在步骤S4中，将所述混合液在温度为25-30℃，孵育1-2h。
5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在步骤S2中，所述惰性气体为氮气。
6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在步骤S1中，将2.5-3 mmol的2-氨基对苯二甲酸溶于15-20mL的DMF溶液得到所述2-氨基对苯二甲酸溶液。
7.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在步骤S1中，将5-6 mmol的铁盐溶于15-20mL的DMF溶液得到所述铁盐溶液，所述铁盐为FeCl3。
8.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在步骤S1，将所述2-氨基对苯二甲酸溶液和所述铁盐溶液混合搅拌2-4h， 之后转移至50-100 mL聚四氟乙烯内衬反应釜内胆中在110-130℃下水热反应20-22h得到所述Fe-MOFs材料。
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Study of the detection of bisphenol A based on a nano-sized metal–organic framework crystal and an aptamer;Mao-Long Chen et al.;《Analytical Methods》;20170228;第9卷;第907页第1栏第3-4段、第908页第1栏第2-3段、图3 *
量子点荧光免疫和磁弛豫时间传感检测沙门氏菌的研究;王松柏等;《光谱学与光谱分析》;20151130;第35卷(第11期);第3105-3110页 *

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