CN111678889B - 检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器，属于生物医疗领域，石墨烯为特殊的二维材料，制备大分子石墨烯基体修饰量子点与荧光分子掺杂体结合的生物传感器，配合本发明的申请人之前的申请ZL 2016212964958一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置，扩大单位检测体系中可检测到的信号密度，可对空气中分布的痕量、甚至超痕量冠状病毒2019‑nCoV进行检测。检测精度可达10PPb级别(质量浓度)最高检测精度3PPb(分子浓度)，响应时间180秒内。

Description

检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器
技术领域
本发明涉及生物医疗领域，检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器。
背景技术
空气中以气溶胶形式痕量或超痕量分布的病毒会传播疾病，但是一直没有一种准确灵敏的，能够提供超高灵敏度和即时相应的生物传感器进行检测。
石墨烯有着完美的二维结构，其电子都局域在石墨烯表面，如果能够调控光场将光学表面波引入到石墨烯表面，即形成石墨烯表面波，这样就能使石墨烯和光场充分耦合。石墨烯表面波耦合方式，该方式通过一种特殊结构形成石墨烯表面波，新型结构下石墨烯的光耦合效率可以高达100％，同时这一超高的耦合效率可以从0～100％范围内有效调控具有超高的灵敏度、超快的响应速度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是针对这一情况利用石墨烯量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器，配合本发明的申请人之前的申请ZL 2016212964958一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置扩大单位检测体系中可检测到的信号密度，可对痕量、甚至超痕量生物标志物(病毒、冠状病毒2019-nCoV)实现超高灵敏度即时检测。
提供一种量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器，从而解决扩大单位检测体系中可检测到的信号密度，可对痕量、甚至超痕量生物标志物(病毒、冠状病毒2019-nCoV)实现超高灵敏度即时检测的问题。
为此，本发明的技术方案为：
检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，包括如下：
(1)氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液的制备：
首先利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯/还原氧化石墨烯，其次氧化石墨烯/还原氧化石墨烯与溶液按照质量比1-8‰的比例配置，超声3-10min，制成氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液。
(2)二氧化硅基石墨烯传感器基体的制备：
对二氧化硅薄片进行清洗、擦拭处理，去除表面有机物，在二氧化硅薄片上涂布制备一层氧化石墨烯或石墨烯膜作为二氧化硅复合石墨烯传感器基体。
(3)石墨烯量子点与荧光分子自组装结合体改性生物传感器的制备：
在二氧化硅复合石墨烯传感器基体再制备一层石墨烯量子点与荧光分子自组装的复合膜，利用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯采用溶剂热法制备石墨烯量子点，石墨烯量子点与荧光染色剂在溶液中自组装。
优选的，氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液单层含量在99％以上，氧化石墨烯/还原氧化石墨烯的纯度大于99％。
优选的，氧化石墨烯/还原氧化石墨烯的厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～500μm。
优选的，所述步骤(2)二氧化硅薄片厚度为0.1-5mm，二氧化硅薄片的预处理方法包括冰醋酸(98％)CH3COOH水溶液清洗擦拭，乙醇溶液清洗擦拭，5％的阿摩尼亚溶液或汽油浸泡处理，食人鱼溶液(piranha溶液)去除表面有机物。
优选的，所述步骤(3)利用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯采用溶剂热法制备石墨烯量子点，在浓硫酸和浓硝酸中氧化并切割石墨烯纳米片，石墨烯纳米片厚度为0.17-1.4nm，片径大小为20～100nm；其次将氧化后的石墨烯纳米片在溶剂热环境下还原并形成石墨烯量子点，主要还原剂为氢气，石墨烯量子点厚度为0.17-1.4nm，片径大小为20～100nm。氧化石墨烯/还原氧化石墨烯涂布到二氧化硅表面的方法包括：气刀涂布制膜、刮刀涂布制膜、蒸镀制膜、匀胶机涂布制膜，二氧化硅基石墨烯传感器基体膜厚度为10-500nm，优选膜厚度30-80nm。
优选的，所述步骤(4)石墨烯量子点与荧光染色剂在溶液中自组装，溶液包括水、乙醇、丙酮、溶剂汽油、DMF、氮甲基吡咯烷酮、甲苯、苯。荧光染色剂包括AO染色液产品组成Acridine Orange Stain、Hoechst33258染色液产品组成Hoechst 33258 StainingSolution、碘化丙啶PI染色液产品组成PIStain、Hoechst33342染色液产品组成Hoechst33342 Staining Solution、DAPI染色液产品组成DAPI Staining Solution。
优选的，本发明所述的荧光染色剂包括AO染色液产品组成Acridine OrangeStain、Hoechst33258染色液产品组成Hoechst 33258 Staining Solution、碘化丙啶PI染色液产品组成PI Stain、Hoechst33342染色液产品组成Hoechst 33342 StainingSolution、DAPI染色液产品组成DAPI Staining Solution。
本发明的有益效果是：
本发明利用将光学表面波引入到石墨烯表面，即形成石墨烯表面波，通过在二氧化硅片表面制备石墨烯/氧化石墨烯膜再复合石墨烯量子点与荧光分子自组装的薄膜形成生物传感器，配合本发明的申请人之前的申请ZL2016212964958一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率检测装置使用具有超高的灵敏度、超快的响应速度。
调控光场将光学表面波引入到石墨烯表面，即形成石墨烯表面波，通过在二氧化硅片表面制备石墨烯或氧化石墨烯膜再复合石墨烯量子点与荧光分子自组装的薄膜这样就能使石墨烯和光场充分耦合。石墨烯表面波耦合方式，该方式通过一种特殊结构形成石墨烯表面波，新型结构下石墨烯的光耦合效率可以高达100％，同时这一超高的耦合效率可以从0～100％范围内有效调控具有超高的灵敏度、超快的响应速度。可以检测空气中痕量冠状病毒2019-nCoV，降低空气中以气溶胶形式痕量或超痕量分布的病毒会传播疾病的可能。
附图说明
图1为具体实施方式所用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯的SEM照片。
图2为具体实施方式所用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯的TEM照片。
图3为具体实施方式量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯的SEM照片。
图4为二氧化硅复合氧化石墨烯/还原氧化石墨烯基体的石墨烯量子点与荧光分子自组装的薄膜形成生物传感器示意图。
图5为具体实施方式量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器实物照片。
图6为石墨烯量子点与荧光分子自组装的薄膜形成生物传感器配合本发明的申请人之前的申请ZL2016212964958一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率检测装置示意图。
图7为具体实施方式中利用量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器检测空气中质量分散浓度为265.09PPb超痕量的HSA特征波形。
图8为具体实施方式中利用量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器检测空气中质量分散浓度为265.09PPb超痕量的BSA特征波形。
图9为具体实施方式中利用量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器检测空气中质量分散浓度为10.6PPb超痕量的HSA特征波形。
图10为具体实施方式中利用量子点与荧光分子掺杂改性的石墨烯生物传感器检测空气中质量分散浓度为10.6PPb超痕量的BSA特征波形。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但本发明并不因此局限于下述实施。
(1)原料：
本实施例中所用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯，其厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm，其扫描电镜(SEM)下微观形貌与透射电子显微镜(TEM)下微观形貌如图1和图2所示。
(2)氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液的制备：
利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯/还原氧化石墨烯，其次氧化石墨烯/还原氧化石墨烯与溶液按照质量比1-8‰的比例配置，溶液包括水、乙醇、丙酮、溶剂汽油、DMF、氮甲基吡咯烷酮、甲苯、苯，制成氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液。
(3)二氧化硅基石墨烯传感器基体的制备：
石墨烯传感器基体由二氧化硅薄片和氧化石墨烯/还原氧化石墨烯组成，二氧化硅薄片厚度为0.1-5mm，二氧化硅薄片的预处理方法包括冰醋酸(98％)CH3COOH水溶液清洗擦拭，乙醇溶液清洗擦拭，5％的阿摩尼亚溶液或汽油浸泡处理，食人鱼溶液(piranha溶液)去除表面有机物；在二氧化硅薄片上涂布制备一层氧化石墨烯或石墨烯膜作为二氧化硅复合石墨烯传感器基体，氧化石墨烯/还原氧化石墨烯涂布到二氧化硅表面的方法包括：气刀涂布制膜、刮刀涂布制膜、蒸镀制膜、匀胶机涂布制膜，二氧化硅基石墨烯传感器基体膜厚度为10-500nm，优选膜厚度30-80nm。
(3)石墨烯量子点与荧光分子自组装结合体改性生物传感器的制备：
利用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯采用溶剂热法制备石墨烯量子点，如图3所示；在浓硫酸和浓硝酸中氧化并切割石墨烯纳米片，石墨烯纳米片厚度为0.17-1.4nm，片径大小为20～100nm，然后将氧化后的石墨烯纳米片在溶剂热环境下还原并形成石墨烯量子点，主要还原剂为氢气；石墨烯量子点与荧光染色剂在溶液中自组装，溶液包括水、乙醇、丙酮、溶剂汽油、DMF、氮甲基吡咯烷酮、甲苯、苯。荧光染色剂包括AO染色液产品组成AcridineOrange Stain、Hoechst33258染色液产品组成Hoechst 33258 Staining Solution、碘化丙啶PI染色液产品组成PI Stain、Hoechst33342染色液产品组成Hoechst 33342 StainingSolution、DAPI染色液产品组成DAPI Staining Solution。最后制成如图4、图5所示的检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器。
(4)对空气中不同的蛋白质痕量检测：
利用经步骤(1)-(3)所述的石墨烯量子点与荧光分子自组装的薄膜形成生物传感器，配合本发明的申请人之前的申请ZL2016212964958一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率检测装置，组装如图6所示的检测装置，分别检测空气中质量分散浓度为265.09PPb的牛血清蛋白(BSA)和人血白蛋白(HSA)、以及空气中质量分散浓度为10.6PPb的牛血清蛋白(BSA)和人血白蛋白(HSA)，得到如图7、图8、图9、图10所示的波形图，经观察记录在蛋白质气溶胶进入实验舱5-20秒钟就会出现第一个特征波，经一段扩散在120秒内会连续出现几次明显特征波。运用软件对数百次实验进行分析光电转换电压与时间的关系发现不同的蛋白质气溶胶的特征波分辨率可以达到90％以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不能用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作修改、替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液的制备：
利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯/还原氧化石墨烯，制备氧化石墨烯/还原氧化石墨烯溶液；
(2)二氧化硅基石墨烯传感器基体的制备：
对二氧化硅薄片进行清洗、擦拭处理，去除表面有机物，在二氧化硅薄片上涂布制备一层氧化石墨烯或石墨烯膜作为二氧化硅复合石墨烯传感器基体；
(3)石墨烯量子点与荧光分子自组装结合体改性生物传感器的制备：
利用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯采用溶剂热法制备石墨烯量子点，石墨烯量子点与荧光染色剂在溶液中自组装形成自组装复合膜，在二氧化硅基体的石墨烯传感器基体上再涂布一层所述自组装复合膜，所述自组装复合膜厚度15-30nm，制成检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器。
2.根据权利要求1所述的检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化石墨烯/还原氧化石墨烯厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～500μm；溶液包括水、乙醇、丙酮、溶剂汽油、DMF、氮甲基吡咯烷酮、甲苯、苯。
3.根据权利要求1所述的检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中石墨烯传感器基体由二氧化硅薄片和氧化石墨烯/还原氧化石墨烯组成，二氧化硅薄片厚度为0.1-5mm，二氧化硅薄片的预处理方法包括冰醋酸CH3COOH水溶液清洗擦拭，乙醇溶液清洗擦拭，5％的阿摩尼亚溶液或汽油浸泡处理，食人鱼溶液去除表面有机物。
4.根据权利要求1所述的检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中氧化石墨烯/还原氧化石墨烯涂布到二氧化硅表面的方法包括：气刀涂布制膜、刮刀涂布制膜、蒸镀制膜、匀胶机涂布制膜，二氧化硅基石墨烯传感器基体膜厚度30-80nm。
5.根据权利要求1所述的检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)，利用氧化石墨烯/还原氧化石墨烯采用溶剂热法制备石墨烯量子点，在浓硫酸和浓硝酸中氧化并切割石墨烯纳米片，石墨烯纳米片厚度为0.17-1.4nm，片径大小为20～100nm，然后将氧化后的石墨烯纳米片在溶剂热环境下还原并形成石墨烯量子点，主要还原剂为氢气。
6.根据权利要求1所述的检测痕量病毒的量子点与荧光分子掺杂石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中石墨烯量子点与荧光染色剂在溶液中自组装，溶液包括水、乙醇、丙酮、溶剂汽油、DMF、氮甲基吡咯烷酮、甲苯、苯；荧光染色剂包括AO染色液产品组成Acridine Orange Stain、Hoechst33258染色液产品组成Hoechst 33258 StainingSolution、碘化丙啶PI染色液产品组成PI Stain、Hoechst33342染色液产品组成Hoechst33342 Staining Solution、DAPI染色液产品组成DAPI Staining Solution。
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