CN111307902B - 基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法 - Google Patents
基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及癌胚抗原检测领域，具体涉及基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法，包括如下步骤，a、制备改性αFe2O3光电材料，b、取步骤a中的改性αFe2O3光电材料组装检测电极系统，c、采用步骤b中的组装电极系统进行癌胚抗原的定量检测。本发明灵敏度高、选择性高、检测限低、有利于恶性肿瘤的早期诊断和病情监控。
Description
技术领域
本发明涉及癌胚抗原检测领域，特别是涉及基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法。
背景技术
目前，对肿瘤标志物的检测常用的传统方法有，酶联免疫吸附法(ELISA)、电化学发光法(ECL)、荧光免疫法(IFA)、质谱分析法等免疫分析方法。
以上检测方法存在的缺陷包括：1、激发源和检测信号相同，均是电(光)信号。2、需要较大样品量的输入。3、需要借助大型复杂的仪器设备。4、时间周期较长。
对癌胚抗原的低浓度检测有重要意义，对癌症的早期检查与治疗有很大帮助。
光电化学检测是近年来快速发展的检测技术，激发源(光)与检测信号(电流)完全分离，大幅降低了背景噪声，使其比传统的荧光和电化学技术灵敏度更高；时间周期非常短，约15至30秒即可完成检测；输入样品量较少，只需微克、微升级别的样品量。
但现有技术的光电化学用于检测癌坯抗原浓度的方法，多采用双层光电免疫传感器，光吸收带隙宽、光电吸收效率低，检测限高，不能对低浓度的癌坯抗原进行测定，不利于恶性肿瘤的早期诊断和病情监控。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种灵敏度高、选择性高、检测限低、有利于恶性肿瘤的早期诊断和病情监控的基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法。
本发明所采用的技术方案是：基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法，包括如下步骤，a、制备改性αFe2O3光电材料，b、取步骤a中的改性αFe2O3光电材料组装检测电极系统，c、采用步骤b中的组装电极系统进行癌胚抗原的定量检测。
对上述技术方案的进一步改进为，步骤a中，制备改性αFe2O3的过程为，取FTO导电玻璃，以乙醇、丙酮、水分别清洗超声后氮气吹干备用；配置FeCl3与NaNO3的混合溶液；将FTO导电玻璃导电面朝下放入反应釜，再加入配置好的溶液进行水热140℃～160℃4小时，得到Fe2O3；水热后的FTO导电玻璃自然冷却、清洗，放入马弗炉750℃～850℃煅烧30分钟，得到均匀生长在导电玻璃上的改性αFe2O3。
对上述技术方案的进一步改进为，步骤b中，组装的电极系统为三电极系统，其中基于改性αFe2O3的FTO导电玻璃为基底的电极为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。
对上述技术方案的进一步改进为，步骤b中，改性αFe2O3的FTO导电玻璃工作电极的制备过程为，采用逐层孵育法进行组装，将步骤a中的FTO导电玻璃用乙醇、丙酮、去离子水洗净后，滴涂EDS与NHS，室温下静置，使电极表面羧基活化；然后滴涂抗体，低温孵育10h～14h，使抗体与电极表面产生稳定的链接；然后滴涂牛血清蛋白，封闭抗体上的非特异性结合位点，保留与癌胚抗原结合的特异性位点；然后滴涂癌胚抗原，常温孵育数小时，使癌胚抗原通过抗体与电极表面结合，形成完整的电极体系。
对上述技术方案的进一步改进为，步骤c中，癌胚抗原定量检测时，PH为7～8，光电压为0.1v～0.3v，电子供体为0.5mol L-1～1.5mol L-1抗坏血酸的磷酸盐缓冲溶液。
本发明的有益效果为：
1、一方面，本发明合成了具有较好光电吸收效率和光电转换效率的αFe2O3作为光电材料组合，构建了基于光电材料的光电免疫传感器，光吸收带隙宽，光电效率高，实现了低浓度癌胚抗原的定量检测，检测限低于现有技术中的光电材料。第二方面，本发明通过负载高光电转换效率的改性半导体光电材料(改性Fe2O3)和引入抗体标志物的途径，提高了传感器的灵敏度，使得癌坯抗原的检测精度更高。第三方面，本发明采用光电免疫传感器在人血清中肿瘤标志物的定性和定量分析的实际应用，此种检测方法选择性高，检测限低，有利于恶性肿瘤的早期诊断和病情监控。第四方面，本发明的检测方法，流程简单，检测成本低。
2、步骤a中，制备改性αFe2O3的过程为，取FTO导电玻璃，以乙醇、丙酮、水分别清洗超声后氮气吹干备用；配置1M FeCl3与0.5M NaNO3的混合溶液；将FTO导电玻璃导电面朝下放入反应釜，再加入配置好的溶液进行水热1500℃4小时，得到Fe2O3；水热后的FTO导电玻璃自然冷却、清洗，放入马弗炉8000℃煅烧30分钟，得到均匀生长在导电玻璃上的改性αFe2O3。在改性αFe2O3光电材料的制备过程中，采用水热法制备αFe2O3，得到的αFe2O3能均匀生长在FTO导电玻璃表面，使得后续检测时，αFe2O3均匀稳定的进行光电转化，从而对癌坯抗原的检测结果更为精确。
3、步骤b中，组装的电极系统为三电极系统，其中基于改性αFe2O3的FTO导电玻璃为基底的电极为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。检测材料制备成本低，且检测精度高。
4、步骤b中，改性αFe2O3的FTO导电玻璃工作电极的制备过程为，采用逐层孵育法进行组装，将步骤a中的FTO导电玻璃用乙醇、丙酮、去离子水洗净后，滴涂EDS与NHS，室温下静置，使电极表面羧基活化；然后滴涂抗体，低温孵育10h-14h，使抗体与电极表面产生稳定的链接；然后滴涂牛血清蛋白，封闭抗体上的非特异性结合位点，保留与癌胚抗原结合的特异性位点；然后滴涂癌胚抗原，常温孵育数小时，使癌胚抗原通过抗体与电极表面结合，形成完整的电极体系。采用此种方法制定工作电极，电极表面羧基活化程度高，由于抗体上除了癌坯抗原结合的特异性位点之外的所有非特异性结合位点均已封闭，在检测过程中，抗体和癌坯抗原的结合更为精确，检测结果精确度高，可靠性高，且检测限低。
5、在检测时，由于pH对生物材料的活性和光电材料都有影响，因此不同环境pH对检测效果有着一定影响，在pH为7～8，特别是PH为7.4时，此时整个体系的光电流最大。同时，不同光电材料的光电压不同，αFe2O3的最优光电压为0.2V。在检测过程中，电子供体向整个体系提供了绝大多数的自由电子，它的浓度对检测结果有影响，在抗坏血酸浓度达到0.1M后，继续增大抗坏血酸的浓度也不会使光电流有明显增加，因此，电子供体选用0.5molL-1～1.5mol L-1抗坏血酸的磷酸盐缓冲溶液，最优为选用1mol L-1抗坏血酸。
附图说明
图1为本发明的检测过程中的电子流动原理图；
图2为未改性的Fe2O3扫描电镜图像和改性的Fe2O3扫描电镜图像；
图3为电极体系组装过程示意图；
图4为不同修饰程度下电极的光电流强度示意图；
图5为不同的检测条件下的光电流强度示意图；
图6为不同CEA浓度下的光电流强度示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的癌胚抗原检测方法，包括如下步骤，a、制备改性αFe2O3光电材料，b、取步骤a中的改性αFe2O3光电材料组装检测电极系统，c、采用步骤b中的组装电极系统进行癌胚抗原的定量检测。
如图1所示，为本发明的检测过程中的电子流动原理图。
从图1可看出，在单层的无标光电免疫传感器中，由于受空间位阻效应的影响，电子从溶液中的电子供体到光电材料(或电子从光电材料到电子受体)的转移过程受到阻碍，导致了光生电子-空穴对的复合，改变了光电流的输出，最后通过光电流的变化来确定样品中肿瘤标志物(CEA)的含量。
本发明中，筛选、合成了具有良好光电吸收效率和光电转换效率的光电材料组合；利用共价键合法、共价交联法、亲和吸附法等方法和抗原抗体之间的特异识别与结合，将导电玻璃、光电材料、待检测物组装为完整的电极，利用抗原抗体的特异性结合，组装完整的光电传感器；采用水热法、电沉积法和化学浸渍沉积法等方法，制备光电材料；通过优化合成与检测条件，构建基于光电材料的光电免疫传感器，采用线性分析，实现在肿瘤标记物检测中的应用。
步骤a中，制备改性αFe2O3的过程为，取FTO导电玻璃，以乙醇、丙酮、水分别清洗超声后氮气吹干备用；配置1M FeCl3与0.5M NaNO3的混合溶液；将FTO导电玻璃导电面朝下放入反应釜，再加入配置好的溶液进行水热1500℃4小时，得到Fe2O3；水热后的FTO导电玻璃自然冷却、清洗，放入马弗炉8000℃煅烧30分钟，得到均匀生长在导电玻璃上的改性αFe2O3。
如图2所示，为未改性的Fe2O3扫描电镜图像和改性的Fe2O3扫描电镜图像。从图2可看出，经改性的Fe2O3扫描电镜图像表面比较均匀，便于后续光电材料与抗原的结合，使得最后的检测结果更为精确。
如图3所示，为本发明的检测电极体系组装的过程示意图。
步骤b中，组装的电极系统为三电极系统，其中基于改性αFe2O3的FTO导电玻璃为基底的电极为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。
步骤b中，改性αFe2O3的FTO导电玻璃工作电极的制备过程为，采用逐层孵育法进行组装，将步骤a中的FTO导电玻璃用乙醇、丙酮、去离子水洗净后，滴涂EDS与NHS，室温下静置，使电极表面羧基活化；然后滴涂抗体，低温孵育10h～14h，使抗体与电极表面产生稳定的链接；然后滴涂牛血清蛋白，封闭抗体上的非特异性结合位点，保留与癌胚抗原结合的特异性位点；然后滴涂癌胚抗原，常温孵育数小时，使癌胚抗原通过抗体与电极表面结合，形成完整的电极体系。
如图4所示，为不同修饰程度下电极的光电流强度示意图。其中，a为空白导电玻璃，b为修饰了αFe2O3的电极，c为修饰了αFe2O3和抗体的电极，d为捕捉了癌胚抗原的电极。
从图4可看出，空白导电玻璃几乎没有光电流响应。修饰了αFe2O3后，光电流响应有了极大的提高。依次修饰抗体牛血清蛋白、癌胚抗原后，光电流响应逐渐下降，证明电极的组装是成功的，各个材料均进入了相应位置。
如图5所示，为不同检测条件下的光电流强度示意图，其中，A为不同pH值的条件下光电流强度示意图，B为不同光电压条件下的光电流强度示意图，C为不同电子供体浓度下的光电流强度示意图。由图5可看出，癌胚抗原定量检测时，PH为7.4，光电压为0.2v，电子供体为1mol L-1抗坏血酸的磷酸盐缓冲溶液时，此时光电流强度最大。
如图6所示，为不同CEA浓度下的光电流强度示意图。从图6可看出，在进行癌坯抗原检测时，光电流强度随浓度的变化呈线性变化，当癌坯抗原浓度较低时，光电流强度较高，说明本发明的检测方法的检测限低，检测精度高，有利于恶性肿瘤的早期诊断和病情监控。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的非诊断目的的抗原检测方法，其特征在于：包括如下步骤，a、制备改性αFe2O3光电材料，b、取步骤a中的改性αFe2O3光电材料组装检测电极系统，c、采用步骤b中的组装电极系统进行癌胚抗原的定量检测；
步骤a中，制备改性αFe2O3的过程为，取FTO导电玻璃，以乙醇、丙酮、水分别清洗超声后氮气吹干备用；配置FeCl3与NaNO3的混合溶液；将FTO导电玻璃导电面朝下放入反应釜，再加入配置好的溶液进行水热140℃~160℃4小时，得到Fe2O3；水热后的FTO导电玻璃自然冷却、清洗，放入马弗炉750℃~850℃煅烧30分钟，得到均匀生长在导电玻璃上的改性αFe2O3；
步骤b中，改性αFe2O3的FTO导电玻璃工作电极的制备过程为，采用逐层孵育法进行组装，将步骤a中的FTO导电玻璃用乙醇、丙酮、去离子水洗净后，滴涂EDS与NHS，室温下静置，使电极表面羧基活化；然后滴涂抗体，低温孵育10h~14h，使抗体与电极表面产生稳定的链接；然后滴涂牛血清蛋白，封闭抗体上的非特异性结合位点，保留与癌胚抗原结合的特异性位点；然后滴涂癌胚抗原，常温孵育数小时，使癌胚抗原通过抗体与电极表面结合，形成完整的电极体系；
步骤c中，癌胚抗原定量检测时，pH为7~8，光电压为0.1v~0.3v，电子供体为0.5 mol L-1~1.5 mol L-1抗坏血酸的磷酸盐缓冲溶液。
2.根据权利要求1所述的基于Fe2O3材料单层光电化学传感器的非诊断目的的抗原检测方法，其特征在于：步骤b中，组装的电极系统为三电极系统，其中基于改性αFe2O3的FTO导电玻璃为基底的电极为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。
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