CN111562299A - 一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用 - Google Patents

一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111562299A
CN111562299A CN202010428179.6A CN202010428179A CN111562299A CN 111562299 A CN111562299 A CN 111562299A CN 202010428179 A CN202010428179 A CN 202010428179A CN 111562299 A CN111562299 A CN 111562299A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aptamer
cile
electrochemical
rgo
mwcnt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010428179.6A
Other languages
English (en)
Inventor
谢慧
孙伟
牛燕燕
张晓萍
陈碧娇
程辉
邵波
闫丽君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hainan Normal University
Original Assignee
Hainan Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hainan Normal University filed Critical Hainan Normal University
Priority to CN202010428179.6A priority Critical patent/CN111562299A/zh
Publication of CN111562299A publication Critical patent/CN111562299A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/301—Reference electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/38—Cleaning of electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/48—Systems using polarography, i.e. measuring changes in current under a slowly-varying voltage

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于铅离子（Pb2+）检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用。以碳离子液体电极（CILE）为基底电极，通过电还原法在CILE表面形成一层还原氧化石墨烯（rGO）薄膜，进一步修饰羧基化多壁碳纳米管（COOH‑MWCNT）制得具有优良导电性和大比表面积的修饰电极。采用电沉积法于修饰电极表面形成一层金纳米粒子（AuNP），利用Au‑S键合力将巯基化适配体探针（Aptamer）自组装于电极表面，并以硫代乙醇酸封闭活性位点来消除非特异性吸附，得到用于检测Pb2+的电化学适配体传感器（Aptamer/Au/COOH‑MWCNT/rGO/CILE）。通过Pb2+诱导巯基化适配体探针形成G‑四链体构象便于电化学指示剂氯化血红素（Hemin）的嵌入，采用电化学方法检测Hemin的电信号，其电信号强弱与Pb2+浓度大小相关，从而实现对Pb2+的定量分析。

Description

一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析 应用
技术领域
本发明主要提出了一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，属于纳米电化学和生物传感领域。
背景技术
重金属污染严重威胁人类健康和环境卫生，其中铅离子（Pb2+）能够引起神经毒素效应，对人体健康具有重大影响，尤其针对儿童和老年人能造成贫血、记忆力减退、烦躁不安和智力低下等病症。因此，实现高灵敏和高选择性检测Pb2+意义重大。一些现有的检测技术，如表面等离子体共振光谱法、石英晶体微量天平和荧光光谱等，尽管灵敏度很高，但这些分析技术既耗时、仪器昂贵、操作又复杂。电化学分析具有低成本、动态范围宽以及操作简单等优点，而电化学传感器因其响应速度快、灵敏度高、选择性好和可操作性强而受到广泛的关注。
适配体是指通过SELEX技术筛选出来的一段DNA或RNA序列，其能够与相应的靶标物进行高亲和力和强特异性的结合。与传统的生物传感器相比较而言，基于适配体的传感器件具有明显的优势，使得适配体传感技术成为一种极具发展前景的分析技术，在电化学及电分析化学领域得到广泛的应用。适配体在靶标物存在时能相应的折叠成稳定的三维结构，例如在Pb2+的诱导下，富含G碱基的适配体可以通过氢建作用形成G-四分体，随后通过π-π堆积作用进一步结合形成具有更高结构顺序的G-四链体（G4）。利用这种特性结合电化学测量方法可以构建出用于Pb2+检测的具有强特异性、高灵敏度的电化学适配体传感器。
随着纳米技术的进步，纳米材料的应用范围正在快速扩大与发展。为了构建更高灵敏度的电化学生物传感器，许多纳米材料也被用于传感界面的修饰，以提高生物识别元件在传感界面上的固定量，进一步提升对靶标物的识别能力。石墨烯（graphene，GR）是碳原子sp2杂化形成的碳质材料的基元结构，因为垂直于平面的共轭大π键的形成使得电子具有很强的活性。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是对石墨烯进行氧化处理使其表面富含含氧官能团，从而改善其亲水性、降低界面间的能量，但其导电性不佳，所以通常会对其进行还原处理得到还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）。碳纳米管（CNT）是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管。自1991年被Sumio Iijima发现以来，由于其表面活性高、电子传递快等电化学特性，在电催化和电分析化学方面得到了广泛的应用。为了进一步提高电化学性能，常常对碳纳米管进行功能化处理。羧基化多壁碳纳米管（COOH-MWCNT）是在碳纳米管的基础上引入了羧基官能团改善其分散性和溶解性。
本发明基于Pb2+诱导富含G碱基的DNA链变构形成G4构象并以氯化血红素（Hemin）作为嵌入G4结构中的电化学指示剂构筑了电化学适配体传感器。以碳离子液体电极（CILE）作为电化学转导基底，通过电还原法在CILE表面形成一层还原氧化石墨烯（rGO）薄膜，通过与COOH-MWCNT和AuNP协同修饰为Pb2+的高灵敏与高选择性检测提供一个具有大比表面积和优良电导率的传感平台，进而实现对Pb2+快速有效的定量分析。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建方法并将其用于铅离子的定量分析。本发明通过采用CILE作为基底电极，在其表面依次修饰了rGO、COOH-MWCNT以增大电极的比表面积，提高其导电性能。随后在修饰电极表面电沉积AuNP，通过Au-S键作用自组装巯基化适配体探针并以硫代乙醇酸来消除非特异性吸附。巯基化适配体探针在Pb2+的诱导下折叠形成G-四链体结构，Hemin嵌入在G-四链体中产生相应的电化学信号，从而构建出高灵敏检测Pb2+的电化学适配体传感器，并将其应用于水样中Pb2+的定量分析，得到的检测范围为1.0×10-13~1.0×10-5 mol/L，检测限为3.33×10-14mol/L（3σ）。
本发明采用的技术手段如下：
（1）将10.0 µL 0.5 mg/mL 氧化石墨烯分散液均匀涂布在CILE表面，室温晾干后放入10.0 mmol/L pH = 7.7 Tris-HCl缓冲溶液中进行电化学还原，还原电位-1.3 V，时间为200 s，用超纯水洗涤自然晾干后即可得到rGO/CILE。
（2）将COOH-MWCNT加入到N’N-二甲基甲酰胺分散剂中进行超声分散均匀，得到COOH-MWCNT分散液，取8.0 µL 2.0 mg/mL该分散液均匀涂布在步骤（1）所得的rGO/CILE表面，室温晾干即可得到COOH-MWCNT/rGO/CILE。
（3）将步骤（2）所得的COOH-MWCNT/rGO/CILE放入2.0 mmol/L氯金酸溶液中进行电化学沉积，沉积电位-0.3 V，时间为100 s，用超纯水洗涤自然晾干后即可得到Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE。
（4）将步骤（3）制备好的Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE置于1.0 μmol/L巯基化适配体探针中于4 °C下自组装12 h，通过形成Au-S键将巯基化适配体探针固定在修饰电极上，取出后用超纯水冲洗，除去吸附在电极表面未组装的适配体链。进一步滴涂30.0 μL 1.0mmol/L硫代乙醇酸，室温25 °C下反应0.5 h，封闭电极表面空余的结合位点，用超纯水洗涤自然晾干后即可得到适配体传感器（Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE）。
（5）将步骤（4）制备好的适配体传感器置于不同浓度的铅离子溶液中，室温25 °C下结合40 min，使铅离子诱导巯基化适配体探针形成G-四链体结构，用超纯水洗涤后晾干。
（6）将步骤（5）与不同浓度铅离子结合后的适配体传感器置于5.0 μmol/L Hemin分散液中，室温25 °C下结合60 min，使电化学指示剂Hemin嵌入G-四链体结构中，用超纯水洗涤后晾干。
（7）将步骤（6）已嵌入Hemin指示剂的适配体传感器置于10.0 mmol/L pH = 7.7Tris-HCl缓冲液中进行示差脉冲伏安检测，制定工作曲线，并对实际样品进行定量分析。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）本发明制备的Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE修饰电极所使用的三种纳米材料能够发挥协同效应，其优越的导电性能，能够增敏传感界面；其优良的生物相容性，不会破坏巯基化适配体探针的生物活性；其大比表面积，能够负载更多的巯基化适配体探针，实现电信号的放大。
（2）本发明通过电还原法在CILE基底电极上直接生成rGO薄膜，涂布固定COOH-MWCNT后通过电沉积法进一步直接负载AuNP，具有工艺简单、成本低、周期短、能耗低等优点。
（3）本发明使用了能够特异性识别铅离子的巯基化适配体探针，并以Hemin作为电化学指示剂，采用电化学示差脉冲伏安法对铅离子进行定量分析，具有宽检测范围（1.0×10-13~ 1.0×10-5 mol/L）和低检测限（3.33×10-14 mol/L）。
附图说明
图1不同材料修饰电极界面的扫描电镜表征，（A）rGO/CILE，（B）COOH-MWCNT/CILE，（C）Au/CILE，（D-F）Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE。
图2（A）在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/L KCl电解液中（a）CILE，（b）rGO/CILE，（c）Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE，（d）COOH-MWCNT/rGO/CILE，（e）Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE的循环伏安曲线，扫速为0.10 V/s；（B）Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE在1.0mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/L KCl电解液中不同扫速下的循环伏安曲线，其中a到l分别为0.01，0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80，0.90，1.00 V/s；（C）氧化还原峰电流与υ1/2线性关系曲线。
图3（A）不同浓度GO分散液制备的rGO/CILE在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/L KCl电解液中的循环伏安曲线，（a）CILE，（b）0.5 mg/mL，（c）1.0 mg/mL，（d）2.0 mg/mL，（e）3.0 mg/mL；（B）不同电还原时间下制备的rGO/CILE在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5mol/L KCl电解液中的循环伏安曲线，（a）0 s，CILE（b），（c）50 s，（d）100 s，（e）150 s，（f）250 s，（g）300 s，（h）200 s；（C）修饰不同浓度COOH-MWCNT制备的COOH-MWCNT/rGO/CILE在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/L KCl电解液中的循环伏安曲线，（a）rGO/CILE，（b）0.5mg/mL，（c）1.0 mg/mL，（d）1.5 mg/mL，（e）2.0 mg/mL，扫速为0.10 V/s。
图4（A）Pb2+诱导的Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE在不同浓度Hemin分散液中结合后的示差脉冲伏安曲线，Hemin分散液浓度分别为（a）0 μmol/L，（b）10.0 μmol/L，（c）1.0 μmol/L，（d）5.0 μmol/L；（B）Pb2+诱导的Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE在5.0 μmol/L Hemin分散液中结合不同时间后的示差脉冲伏安曲线，结合时间分别为（a）0 min，（b）10 min，（c）20 min，（d）30 min，（e）40 min，（f）50 min，（g）60 min。
图5（A）嵌入G-四链体中的Hemin在不同pH 10.0 mmol/L Tris-HCl缓冲液中的电化学响应，pH分别为（a）7.1，（b）7.4，（c）7.7，（d）8.5，（e）9.0；（B）还原峰电流（Ipc）与pH间的关系曲线。
图6（A）不同浓度Pb2+诱导的G-四链体中嵌入的Hemin的示差脉冲伏安曲线，Pb2+浓度从a到j分别为0，1.0×10-13，1.0×10-12，1.0×10-11，1.0×10-10，1.0×10-9，1.0×10-8，1.0×10-7，1.0×10-6，1.0×10-5 mol/L；（B）Pb2+浓度的对数（lgC）与结合Pb2+前后Hemin峰电流变化值（ΔI）的线性关系曲线。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
将10.0 µL 0.5 mg/mL氧化石墨烯分散液均匀涂布在碳离子液体电极（CILE）表面，室温晾干后放入10.0 mmol/L pH = 7.7 Tris-HCl缓冲液中进行电化学还原（还原电位-1.3V，时间为200 s），电化学还原完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干；进一步将8.0 µL2.0 mg/mL COOH-MWCNT分散液（DMF为溶剂）均匀涂布在电极表面，室温下自然晾干；进一步将电极置于2.0 mmol/L氯金酸溶液中进行电化学沉积（沉积电位-0.3 V，时间为100 s），电沉积完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干；进一步将电极置于1.0 μmol/L巯基化适配体探针中在4 oC下结合12 h，取出后用超纯水冲洗自然晾干；进一步在电极上滴涂30.0 μL1.0 mmol/L硫代乙醇酸室温下结合0.5 h，用超纯水冲洗自然晾干，即可得到适配体传感器（Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE）。
对比例1
将10.0 µL 0.5 mg/mL 氧化石墨烯分散液均匀涂布在碳离子液体电极（CILE）表面，室温晾干后放入10.0 mmol/L pH = 7.7 Tris-HCl缓冲液中进行电化学还原（还原电位-1.3V，时间为200 s），电化学还原完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干，即可得到rGO/CILE。
对比例2
将10.0 µL 0.5 mg/mL氧化石墨烯分散液均匀涂布在碳离子液体电极（CILE）表面，室温晾干后放入10.0 mmol/L pH = 7.7 Tris-HCl缓冲液中进行电化学还原（还原电位-1.3V，时间为200 s），电化学还原完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干；进一步将8.0 µL2.0 mg/mL COOH-MWCNT分散液（DMF为溶剂）均匀涂布在电极表面，室温下自然晾干，即可得到COOH-MWCNT/rGO/CILE。
对比例3
将10.0 µL 0.5 mg/mL氧化石墨烯分散液均匀涂布在碳离子液体电极（CILE）表面，室温晾干后放入10.0 mmol/L pH = 7.7 Tris-HCl缓冲液中进行电化学还原（还原电位-1.3V，时间为200 s），电化学还原完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干；进一步将8.0 µL2.0 mg/mL COOH-MWCNT分散液（DMF为溶剂）均匀涂布在电极表面，室温下自然晾干；进一步将电极置于2.0 mmol/L氯金酸溶液中进行电化学沉积（沉积电位-0.3 V，时间为100 s），电沉积完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干，即可得到Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE。
对比例4
将8.0 µL 2.0 mg/mL COOH-MWCNT分散液（DMF为溶剂）均匀涂布在碳离子液体电极（CILE），室温下自然晾干，即可得到COOH-MWCNT/CILE。
对比例5
将碳离子液体电极（CILE）置于2.0 mmol/L氯金酸溶液中进行电化学沉积（沉积电位-0.3 V，时间为100 s），电沉积完成后取出电极，用超纯水洗涤自然晾干，即可得到Au/CILE。
一、扫描电镜表征
图1（A）为对比例1 rGO/CILE的扫描电镜，可以看出rGO具有良好的褶皱空间结构。图1（B）为对比例4 COOH-MWCNT/CILE，可以清晰地看到一根根碳纳米管交织错叠，说明COOH-MWCNT分散均匀没有团聚，管径约为50 nm左右，长度可达0.5~2.0 μm。图1（C）为对比例5Au/CILE，AuNP通过电沉积法在CILE表面形成，其外观为规则圆粒状，粒径约50~150 nm左右。图1（D~F）为对比例3 Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE，COOH-MWCNT均匀地铺陈在rGO修饰的电极表面，仍可以看到电极界面呈褶皱卷曲结构，AuNP则稳定负载在纳米管表面并沿着管状生长，管径增大至350 nm左右。
二、电化学表征
图2（A）为不同修饰电极的循环伏安曲线。在CILE（曲线a）上观察到一对氧化还原峰（Ipc = 43.58 μA，Ipa = 42.39 μA）；进一步将GO在CILE表面电化学还原后形成一层rGO薄膜，明显观察到对比例1 rGO/CILE（曲线b）上的氧化还原峰电流增大；进一步修饰COOH-MWCNT后，对比例2 COOH-MWCNT/rGO/CILE（曲线d）上的氧化还原峰电流稳步提升且背景电流增大。通过电化学沉积法在修饰电极表面形成一层AuNP后，对比例3 Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE（曲线e）上氧化还原峰电流继续增大（Ipc = 67.56 μA，Ipa = 60.95 μA），表明电极界面的电子转移速率加快，电传导率提高。而实施例1 Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE（曲线c）上的氧化还原峰电流值则表现为下降（Ipc = 55.52 μA，Ipa = 58.77 μA），表明非导电性的巯基化适配体探针与硫代乙醇酸的存在阻碍了电极表面的电子传递，降低了电信号。图2（B）为对比例3 Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE在0.01~1.00 V/s的扫速范围内的循环伏安曲线。随着扫速的增加，氧化还原峰电流逐渐增大，且氧化还原峰电流与υ1/2呈良好的线性关系，线性回归方程分别为Ipc（μA）= 13.50 + 158.61υ1/2（V/s）（n = 25，γ =0.997）和Ipa（μA）= -17.15 - 127.20υ1/2（V/s）（n = 25，γ = 0.994）。如图2（C）所示。根据Randles-Sevcik方程求解出对比例3 Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE的有效面积为0.214 cm2，表明修饰材料的存在有效增大了电极的比表面积，利于实现传感界面的更多负载，从而放大电信号、提升检测灵敏度。
三、修饰电极制备条件优化
图3（A）为不同浓度GO分散液制备的rGO/CILE在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/LKCl电解液中的循环伏安曲线，在rGO/CILE（曲线b~e）上的电流值均比CILE（曲线a）上的电流值大，说明rGO的存在有效增强了电极的电传导能力，明显提高检测信号。当使用的GO分散液浓度为0.5 mg/mL时，氧化还原峰电流值最大（Ipc = 58.39 μA，Ipa = 50.93 μA）。因此选择的最优GO分散液浓度为0.5 mg/mL。图3（B）为不同电还原时间下制备的rGO/CILE在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/L KCl电解液中的循环伏安曲线。从CILE（曲线b）上可以观察到一对明显的氧化还原峰。固定GO分散液于电极表面后，当电还原时间为0 s，即GO没有被还原时，曲线a上无明显氧化还原峰，是因为GO表面的含氧官能团破坏了石墨表面的共轭结构，导电性降低。随着电还原时间的增加，rGO/CILE（曲线c~g）峰电流值逐渐增大，是因为还原后的GO修复了石墨片层上的网状结构，各位点相互结合使电极表面更加稳定，排列更加有序，其导电性能得到提高。当还原时间为200 s时，氧化还原峰电流值最大，因此选择最优电还原时间为200 s。图3（C）为修饰不同浓度COOH-MWCNT制备的COOH-MWCNT/rGO/CILE在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.5 mol/L KCl电解液中的循环伏安曲线，COOH-MWCNT/rGO/CILE（曲线b-e）的峰电流值均比rGO/CILE（曲线a）的大，说明COOH-MWCNT进一步增强了电极的电子运输速率、放大电信号。当COOH-MWCNT分散液浓度为2.0 mg/mL时，氧化还原峰电流最大，因此选择的COOH-MWCNT分散液浓度为2.0 mg/mL。
四、Hemin结合条件优化
图4（A）为Pb2+诱导的Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE在不同浓度Hemin分散液中结合后的示差脉冲伏安曲线，曲线a为空白对照，即Hemin浓度为0 μmol/L时，没有观察到明显的电信号。当Hemin为5.0 μmol/L（曲线d）时，其电流响应明显大于Hemin浓度为10.0 μmol/L（曲线b）和1.0 μmol/L（曲线c）时，故选择的Hemin分散液浓度为5.0 μmol/L。图4（B）为Pb2+诱导的Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE在5.0 μmol/L Hemin分散液中结合不同时间后的示差脉冲伏安曲线，随着结合时间的增加，适配体传感器的峰电流值逐渐增大，60 min时达到稳定，故选择的最优结合时间为60 min。
五、缓冲液pH优化
图5（A）为嵌入Pb2+诱导G-四链体中的Hemin在不同pH的10.0 mmol/L Tris-HCl缓冲液中的电化学响应，可以观察到Hemin明显的还原峰。随着pH的改变Hemin的还原峰电流发生改变。图5（B）为Hemin的还原峰电流（Ipc）与Tris-HCl缓冲液pH值的关系，可以发现当pH为7.7时，Hemin的电化学响应最强，因此选择检测Hemin电信号的最优pH值为7.7。
六、工作曲线
在最佳条件下制作适配体传感器，采用示差脉冲伏安法在最佳检测条件下对含不同浓度Pb2+溶液进行定量分析。如图6（A）所示，随着Pb2+浓度的增大，检测到Hemin的峰电流值也逐渐增大，这是由于Pb2+浓度的增大诱导巯基化适配体探针形成的G-四链体数量增多，Hemin在G-四链体上的固定量增大，相应的电化学信号也随之增大。如图6（B）所示，结合Pb2+前后Hemin的峰电流变化值（ΔI）与Pb2+浓度的对数（lgC）呈现良好的线性关系，线性回归方程为ΔI（µA）= 10.43 + 0.59lgC（mol/L）（n = 8, γ = 0.995），检测范围为1.0×10-13~1.0×10-5 mol/L，检测限为3.33×10-14 mol/L（3σ）。
七、样品检测
将制作的适配体传感器用于自来水样中Pb2+的定量分析，以城市自来水作为溶剂对Pb2 +标准溶液进行稀释最终得到理论上含Pb2+浓度为1.0×10-10 mol/L的样品溶液，采用标准加入法测定样品溶液中Pb2+的含量，结果如表1所示，得到的平均回收率为98.44%，表明所构建的适配体传感器可以良好的用于水样中Pb2+含量的测定。
表1自来水样中Pb2+的含量及回收率测定（n = 3）。
Figure 963478DEST_PATH_IMAGE001
综上所述，本发明采用CILE作为基底电极，在其表面依次修饰了rGO和COOH-MWCNT以增大电极的比表面积，提高其导电性能。随后在修饰电极表面电沉积AuNP，通过Au-S键作用自组装巯基化适配体探针并以硫代乙醇酸作多余活性位点封闭剂。巯基化适配体探针在Pb2+的诱导下折叠形成G-四链体结构，Hemin嵌入G-四链体中从而产生相应的电化学信号。基于此，构建了一种基于Pb2+诱导G-四链体构象的电化学适配体传感器，并将其成功应用于水样中Pb2+的定量分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，以CILE为基底电极，通过电还原法在其表面生成还原氧化石墨烯薄膜，所述的还原氧化石墨烯上进一步修饰羧基化多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管上进一步负载金纳米粒子，所述金纳米粒子用于巯基化适配体探针的自组装，所述巯基化适配体探针用于特异性识别重金属铅离子。
2.根据权利要求1所述的一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，所述的适配体传感器构建过程中电还原使用的氧化石墨烯分散液浓度为0.5~3.0 mg/mL，电还原时间为50~300 s。
3.根据权利要求1所述的一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，所述的适配体传感器构建过程中使用的羧基化多壁碳纳米管分散液浓度为0.5~2.0 mg/mL，用量为6.0~10.0 μL。
4.根据权利要求1所述的一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，所述的适配体传感器构建过程中电沉积使用的氯金酸溶液浓度为0.5~3.0 mmol/L，电沉积时间为50~200 s。
5.根据权利要求1所述的一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，所述的适配体传感器构建过程中使用的巯基化适配体探针序列为5’-SHC6 GGG TGG GTG GGT GGG T-3’，浓度为1.0~10.0 μmol/L。
6.一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将10.0 µL 0.5 mg/mL氧化石墨烯分散液均匀涂布在CILE表面，室温晾干后放入10.0 mmol/L pH = 7.7 Tris-HCl缓冲溶液中进行电化学还原，还原电位-1.3 V，时间为200 s，用超纯水洗涤自然晾干后即可得到rGO/CILE；
（2）将COOH-MWCNT加入到分散剂N’N-二甲基甲酰胺中进行超声分散均匀，得到COOH-MWCNT分散液，取8.0 µL 2.0 mg/mL该分散液均匀涂布在步骤（1）所得的rGO/CILE表面，室温晾干即可得到COOH-MWCNT/rGO/CILE；
（3）将步骤（2）所得的COOH-MWCNT/rGO/CILE放入2.0 mmol/L 氯金酸溶液中进行电化学沉积，沉积电位-0.3 V，时间为100 s，用超纯水洗涤自然晾干后即可得到Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE；
（4）将步骤（3）制备好的Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE置于1.0 μmol/L巯基化适配体探针中于4 °C下自组装12 h，通过形成Au-S键将巯基化适配体探针固定在修饰电极上，取出后用超纯水冲洗，除去吸附在电极表面未组装的适配体链；进一步滴涂30.0 μL 1.0 mmol/L硫代乙醇酸，室温25 °C下反应0.5 h，封闭电极表面空余的结合位点，用超纯水洗涤自然晾干后即可得到适配体传感器（Aptamer/Au/COOH-MWCNT/rGO/CILE）。
7.一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，适配体传感器在分析应用过程中，巯基化适配体探针与不同浓度铅离子反应时间为40~60min。
8.一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，适配体传感器在分析应用过程中，铅离子诱导形成的G-四链体构象与Hemin的结合时间为10~60 min，Hemin分散液的浓度为1.0~10.0 μmol/L。
9.一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用，其特征在于，适配体传感器在分析应用过程中，电化学检测Hemin电信号时所使用的电解液为10.0~50.0mmol/L Tris-HCl缓冲液，缓冲液pH为7.1~9.0。
CN202010428179.6A 2020-05-20 2020-05-20 一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用 Pending CN111562299A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010428179.6A CN111562299A (zh) 2020-05-20 2020-05-20 一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010428179.6A CN111562299A (zh) 2020-05-20 2020-05-20 一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111562299A true CN111562299A (zh) 2020-08-21

Family

ID=72071125

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010428179.6A Pending CN111562299A (zh) 2020-05-20 2020-05-20 一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111562299A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113252758A (zh) * 2021-04-08 2021-08-13 陕西省石油化工研究设计院 非标记电化学检测铅离子的方法
CN113358715A (zh) * 2021-04-06 2021-09-07 南京师范大学 一种基于适配体的重金属镉电化学传感器及其制备方法
CN113406179A (zh) * 2021-05-12 2021-09-17 同济大学 一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用
WO2023197643A1 (zh) * 2022-04-15 2023-10-19 齐鲁工业大学 一种纳米基因传感器及其制备方法与应用
CN117269288A (zh) * 2023-08-07 2023-12-22 山东师范大学 一种用于glut1检测的电化学生物传感器及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105866205A (zh) * 2016-04-10 2016-08-17 海南师范大学 基于金纳米粒子-巯基化石墨烯修饰电极的电化学dna生物传感器的构建及应用
CN107941873A (zh) * 2017-08-04 2018-04-20 海南师范大学 一种基于纳米复合材料的血红蛋白电化学传感器的制备及应用
CN109959689A (zh) * 2019-03-06 2019-07-02 海南师范大学 一种基于金/铂@碳纤维修饰的Hg（Ⅱ）无标记电化学适配体传感器
CN110967389A (zh) * 2019-12-18 2020-04-07 西北师范大学 一种基于双嵌段dna的电化学适配体传感器的构筑及应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105866205A (zh) * 2016-04-10 2016-08-17 海南师范大学 基于金纳米粒子-巯基化石墨烯修饰电极的电化学dna生物传感器的构建及应用
CN107941873A (zh) * 2017-08-04 2018-04-20 海南师范大学 一种基于纳米复合材料的血红蛋白电化学传感器的制备及应用
CN109959689A (zh) * 2019-03-06 2019-07-02 海南师范大学 一种基于金/铂@碳纤维修饰的Hg（Ⅱ）无标记电化学适配体传感器
CN110967389A (zh) * 2019-12-18 2020-04-07 西北师范大学 一种基于双嵌段dna的电化学适配体传感器的构筑及应用

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BIN-CHENG YIN 等: "An Allosteric Dual-DNAzyme Unimolecular Probe for Colorimetric Detection of Copper(II)", J. AM. CHEM. SOC., vol. 131, no. 41, pages 14624 *
LIANGQIA GUO 等: "A G-quadruplex based label-free fluorescent biosensor for lead ion", BIOSENSORS AND BIOELECTRONICS, vol. 35, pages 123 - 127, XP028482509, DOI: 10.1016/j.bios.2012.02.031 *
梁顺超 等: "适配体电化学传感器检测汞离子进展", 分析测试学报, vol. 35, no. 5, pages 618 - 626 *
陈碧娇 等: "以氯化血红素作为指示剂的Hg2 + 电化学传感器的制备与应用", 山东化工, vol. 48, no. 7, pages 8 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113358715A (zh) * 2021-04-06 2021-09-07 南京师范大学 一种基于适配体的重金属镉电化学传感器及其制备方法
CN113358715B (zh) * 2021-04-06 2022-11-08 南京师范大学 一种基于适配体的重金属镉电化学传感器及其制备方法
CN113252758A (zh) * 2021-04-08 2021-08-13 陕西省石油化工研究设计院 非标记电化学检测铅离子的方法
CN113252758B (zh) * 2021-04-08 2023-09-05 陕西省石油化工研究设计院 非标记电化学检测铅离子的方法
CN113406179A (zh) * 2021-05-12 2021-09-17 同济大学 一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用
WO2023197643A1 (zh) * 2022-04-15 2023-10-19 齐鲁工业大学 一种纳米基因传感器及其制备方法与应用
CN117269288A (zh) * 2023-08-07 2023-12-22 山东师范大学 一种用于glut1检测的电化学生物传感器及其制备方法
CN117269288B (zh) * 2023-08-07 2024-04-19 山东师范大学 一种用于glut1检测的电化学生物传感器及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Graphene-based electrochemical biosensor for pathogenic virus detection
CN111562299A (zh) 一种用于铅离子检测的电化学适配体传感器件的构建与分析应用
Alim et al. Recent uses of carbon nanotubes & gold nanoparticles in electrochemistry with application in biosensing: A review
Rasheed et al. Carbon nanostructures as immobilization platform for DNA: a review on current progress in electrochemical DNA sensors
Kaya et al. Nanomaterials-based nanosensors for the simultaneous electrochemical determination of biologically important compounds: ascorbic acid, uric acid, and dopamine
Kang et al. A sensitive nonenzymatic glucose sensor in alkaline media with a copper nanocluster/multiwall carbon nanotube-modified glassy carbon electrode
Yang et al. Recent trends in carbon nanomaterial-based electrochemical sensors for biomolecules: A review
Xu et al. Impedance DNA biosensor using electropolymerized polypyrrole/multiwalled carbon nanotubes modified electrode
Cai et al. Carbon nanotube-enhanced electrochemical DNA biosensor for DNA hybridization detection
Gao et al. The new age of carbon nanotubes: An updated review of functionalized carbon nanotubes in electrochemical sensors
Nancy et al. Synergistic electrocatalytic effect of graphene/nickel hydroxide composite for the simultaneous electrochemical determination of ascorbic acid, dopamine and uric acid
Zhu et al. Electrochemical DNA biosensors based on platinum nanoparticles combined carbon nanotubes
Zhu et al. Facile and controllable one-step fabrication of molecularly imprinted polymer membrane by magnetic field directed self-assembly for electrochemical sensing of glutathione
Deshmukh et al. Nanocomposite platform based on EDTA modified Ppy/SWNTs for the sensing of Pb (II) ions by electrochemical method
Chen et al. An ultrasensitive electrochemical DNA biosensor based on a copper oxide nanowires/single-walled carbon nanotubes nanocomposite
Zhang et al. Decorating graphene sheets with gold nanoparticles for the detection of sequence-specific DNA
Erdem et al. Single‐walled carbon nanotubes modified graphite electrodes for electrochemical monitoring of nucleic acids and biomolecular interactions
Lai et al. A sandwich-type electrochemical immunosensor using polythionine/AuNPs nanocomposites as label for ultrasensitive detection of carcinoembryonic antigen
Ge et al. based biosensor relying on flower-like reduced graphene guided enzymatically deposition of polyaniline for Pb2+ detection
Bi et al. A molecularly imprinted polymer combined with dual functional Au@ Fe3O4 nanocomposites for sensitive detection of kanamycin
AbduláRasheed A highly sensitive DNA sensor for attomolar detection of the BRCA1 gene: signal amplification with gold nanoparticle clusters
Tran et al. Nanomaterials in label-free impedimetric biosensor: Current process and future perspectives
Bian et al. Voltammetric studies of the interaction of rutin with DNA and its analytical applications on the MWNTs–COOH/Fe3O4 modified electrode
Tahir et al. Evaluation of carbon nanotube based copper nanoparticle composite for the efficient detection of agroviruses
Noorbakhsh et al. Antifouling properties of reduced graphene oxide nanosheets for highly sensitive determination of insulin

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200821