CN112098485B - 一种基于传感分离策略的光电化学适配体传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

一种基于传感分离策略的光电化学适配体传感器及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物传感器技术领域，公开了一种基于传感分离策略的光电化学适配体传感器及其制备方法与应用，具体公开一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的高性能光电化学适配体传感器。本发明通过在传感阴极固定凝血酶适配体来特异性捕获凝血酶，以使传感界面的阻抗发生改变，从而引起光电流检测信号的变化。本发明基于光阳极的优异光电性能和传感阴极的特异识别对凝血酶的检测具有高灵敏度和良好的选择性，不仅为提高光阳极的光电性能提供一种高效制备策略，还能有效提升传感器对相关疾病标志物的检测灵敏度，适于市面推广与应用。

Description

一种基于传感分离策略的光电化学适配体传感器及其制备方 法与应用
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种基于传感分离策略的光电化学适配体传感器。更具体地，涉及一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的高性能光电化学适配体传感器及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展及生活水平的提高，人们对身体健康越来越重视，研制能实现对实际样品中目标生物或生化过程监测的新医疗设备成为社会发展的最大挑战之一。其中，在研究不同代谢途径的自然控制机制和生理状态的变化方面生物传感器已被证明是灵敏度最高的分析工具之一。生物传感器主要由分子识别元件与信号转换元件构成的分析检测器件。其中，光电化学生物传感是将光电化学技术与电化学分析法有机结合而发展起来的新一代传感技术。它不仅继承了电化学生物传感具有装置简单、操作方便、花费低、易于集成化和微型化的优点，还使得背景干扰低；并且体系能够实现自供能，更易于实时快速的现场检测。
根据捕获探针的位置，光电化学生物传感按传感类别分为阳极传感和阴极传感两种。阳极光传感是采用N型光电基质来构建光阳极，再用捕获探针进行修饰。由于N型光电活性基质是以电子为载流子，在光照及电子给体存在时，光电流输出信号明显，灵敏度也较高，但是对实际生物样品中多组分还原性物质如谷胱甘肽、多巴胺、抗坏血酸等的抗干扰能力较弱，因为阳极界面发生的是电子氧化反应。
为了克服阳极传感的上述问题，阴极传感是利用P型光电基质来构建光电阴极，并用捕获探针对其进行修饰，由于阴极界面发生的是电子还原反应，则使阴极光电化学生物传感器具有优良的抗还原性物种干扰的能力，因此阴极传感更具有在实际复杂生物样品中检测的应用潜力。然而，由于P型光电基体以空穴为主要载流子，不能利用电子给体提供的电子，以及P型光电活性物质的电荷重组率要高于N型材料，从而导致光电响应较弱，灵敏度较差。
因此，开发一种灵敏度高、抗干扰能力强且基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的高性能光电化学适配体传感器，不仅为提高光阳极的光电性能提供一种高效制备策略，还能有效提升传感器对相关疾病标志物的检测灵敏度，其对于疾病体外诊断具有十分深远的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种灵敏度高、基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器，所述光电化学适配体传感器采用传感分离的策略，将三维交联结构的PEDOT/Bi2S3/ZnO异质结作为光电活性材料修饰于ITO电极来构建光阳极，传感阴极则采用还原氧化石墨烯修饰，并通过壳聚糖将凝血酶适配体固定于所述传感阴极的表面；
通过利用所述光阳极的光电性能和所述传感阴极的特异性，实现对目标检测物的高灵敏及精准检测。
需要说明的是，随着光电化学技术和电化学方法的发展，光电化学（PEC）生物传感技术逐渐成为一种在检测疾病相关目标生物分子领域中被广泛关注的方法，诸如在检测生物标记物、DNA及细胞等方面，都具有极好的发展前景。到目前为止，各种光活性物质和信号放大机制已经被应用到免疫传感体系的构建中，其中大部分工作都致力于提高检测的灵敏度。然而，在许多临床和生物应用中，检测设备必须在复杂的生物基质中应用，由于生物分子的严重非特异性吸附导致检测设备的测定条件变得复杂。因此，开发具有抗污染特性的传感器对光电化学生物传感技术的进一步发展是非常必要的。
本发明为了解决传统光阴极型PEC免疫传感器的弱光电响应缺陷，而采用一种新型的自供能光电化学传感方法，通过将光电活性电极与捕获探针电极分离，并采用无光电活性材料修饰，以固定有捕获探针的电极作为工作电极，及使用光电活性材料修饰的电极作为对电极。在检测过程中，激发光只照射光电活性材料修饰的光阳极，而对固定有捕获探针的生物传感阴极进行避光处理。
且，本发明以人的生物标记物凝血酶作为目标模型，验证了所构建光电化学适配体传感器的实用性。采用硫化铋(bismuth suLfide, Bi2S3)纳米片和聚(3,4-乙基二氧噻吩)(poLy (3,4-ethyLenedixythiophene), PEDOT)对氧化锌(zinc oxide, ZnO)纳米棒进行修饰，制备一种三维交联结构的PEDOT/Bi2S3/ZnO共敏化结构作为光电活性电极。
此外，本发明公开保护的光电化学适配体传感器的构建方法与检测机理如下所述：
首先在ITO导电玻璃表面采用电化学沉积的方法修饰还原氧化石墨烯（RGO）制备ITO/RGO电极基底，然后在构建完全的基底表面通过壳聚糖分子的连接作用固定靶标模型的捕获探针，通过适配体-凝血酶之间的特异性免疫反应来捕获样品中的目标物，使生物传感阴极电极界面阻抗发生变化，引起的光电流信号变化，从而实现对目标物的高灵敏、抗干扰检测。
本发明的另一目的是提供一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略的光电化学适配体传感器的构建方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略的光电化学适配体传感器的构建方法，具体步骤包括：
（1）制备PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极：在氧化铟锡透明导电膜玻璃上合成垂直的氧化锌纳米棒，随后硫化铋纳米片和聚(3,4-乙撑二氧噻吩)薄膜构建三维交联异质结结构，通过在Bi2S3/ZnO电极表面修饰PEDOT导电聚合物薄膜，制备PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极；
（2）制备传感阴极：首先在ITO导电玻璃表面采用电化学沉积的方法修饰还原氧化石墨烯（RGO）制备ITO/RGO电极基底；随后在构建完全的基底表面通过壳聚糖分子的连接（戊二醛活化处理后）固定靶标模型的捕获探针；最终用乙醇胺封闭活性位点，得到生物传感阴极电极。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明采用将捕获探针与光电活性材料相分离的策略构建同时具有高灵敏、抗干扰能力好的免疫传感器。具体为：本发明以凝血酶为目标物检测模型制备得到的PEDOT/Bi2S3/ZnO作为传感器的光阳极，且通过制备ITO/RGO电极，并将所述ITO/RGO电极作为传感器的阴极基底固定捕获探针作为传感阴极。
进一步的，本发明采用分离捕获探针与光电活性材料的策略所构建的光电化学免疫传感器具有两大显著优点：首先，利用光阳极代替光阴极作为光电极，可以在不施加外加电势的情况下明显提高光电流响应，从而使传感器具有良好的灵敏度。其次，该传感器不仅继承了传统阴极光电化学检测对还原性干扰物的抗干扰能力，还由于固定有捕获探针的传感阴极无光照辐射，所以对激发光也具有较好的抗干扰性能。本发明公开保护的技术方案为探索其他具有高灵敏度和抗干扰性的自供能光电化学生物传感器开辟了新的领域。
以及，本发明公开的光阳极构建采用三维交联结构，具体为：在PEDOT/Bi2S3/ZnO构建过程中，以ZnO纳米棒为骨架，Bi2S3纳米片在纳米棒之间交联成网，然后在其表面修饰PEDOT薄膜，构建了一种三维交联结构。这种结构不仅可以提供更大的比表面积，增加对光的吸收利用，而且三种光敏材料根据能带的位置可以形成共敏化结构，利于光生电子的传递和有效分离，从而使得制备的光电化学适配体传感器可以在不施加外加电势的情况下明显提高光电流响应，从而使传感器具有良好的灵敏度。
综合上述分析可知，本发明采用PEDOT/Bi2S3/ZnO构建具有三维交联结构的光电基底材料，使光阳极具备优异的光电性能，产生较高的光电信号；以及采用ITO/RGO作为探针的固定基底，具有良好的导电性，利于光生电子的传递，实现对目标检测物的高灵敏及精准检测，且本发明公开的制备方法简单、易于操作，适于推广与应用。所以本发明公开保护的技术内容为探索其他具有高灵敏度和抗干扰性的自供能光电化学生物传感器开辟了新的领域。
优选的，所述步骤（1）中，首先通过电化学沉积法在ITO导电玻璃上生长ZnO纳米棒；随后分别配制含有硫脲、Bi(NO3)3的乙二醇溶液，并将ZnO电极浸泡于含 (3-氨丙基)三乙氧基硅烷的甲醇溶液中反应制备Bi2S3/ZnO电极；最终在所述Bi2S3/ZnO电极表面通过电化学沉积法修饰PEDOT导电聚合物薄膜，得到PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极。
进一步优选的，所述含有Bi(NO3)3的乙二醇溶液浓度为2~5mmol/L。
示范性的，本发明优选的制备方案为：
（1）制备PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极，具体制备步骤如下所述：
1）通过电化学沉积法在ITO导电玻璃上生长ZnO纳米棒：
实验使用CHI 760D电化学工作站进行，其中所用三电极系统分别是：铂丝为对电极、Ag/AgCL为参比电极、ITO导电玻璃为工作电极。首先在含6.3 mM硝酸锌和6.3 mM 六亚甲基四胺的水溶液中进行电沉积，电沉积时保持溶液温度为80 ℃，沉积电位为1.0 V；然后将底物从溶液中取出，用去离子水清洗干净，最后用氮气吹干，制得。
2）制备Bi2S3/ZnO电极：
配制浓度为4.5 mM硫脲的乙二醇溶液（25 mL）和浓度为3.0 mM Bi(NO3)3的乙二醇溶液（25 mL）；然后将上述两种溶液加入150毫升乙醇中搅拌，直至混合溶液澄清；随后将配制好的溶液加入到100毫升的特氟龙内衬中，将ZnO电极与内衬壁成一定角度放置，浸泡含浓度3mM (3-氨丙基)三乙氧基硅烷的甲醇溶液中3小时，加热到50℃并保持1小时，冷却至室温；用去离子水和乙醇反复冲洗，最终制备得到Bi2S3/ZnO电极。
3）在Bi2S3/ZnO电极表面通过电化学沉积法修饰PEDOT导电聚合物薄膜：
电化学沉积过程使用三电极体系：饱和Ag/AgCl电极作为参比电极；对电极采用铂丝电极；工作电极为Bi2S3/ZnO电极。聚合单体溶液为含有0.1 M LiClO4和0.01 M EDOT单体的乙腈溶液，电化学聚合前用氮气对聚合单体溶液脱氧处理30 min。采用循环伏安法（CV），电压设置为−1.3 V和0.6 V之间，扫描速度为50 mV/s。
（2）制备传感阴极，具体制备步骤如下所述：
采用循环伏安法（CV），电压设置为−1.3 V和0.6 V之间，扫描速度设定为0.1 V/s，循环30周期。电沉积所用的氧化石墨烯溶液浓度为0.8 mg/mL，电化学沉积过程使用三电极体系：饱和Ag/AgCl电极作为参比电极；对电极采用铂丝电极；工作电极为ITO导电玻璃；对电极采用铂丝电极；饱和Ag/AgCl电极作为参比电极。
将一定质量的壳聚糖粉末加入到体积分数为1 %的乙酸溶液中，并搅拌至完全溶解，制得质量分数为0.08 %的CS溶液；然后取20 μL上述壳聚糖溶液均匀滴涂在ITO/RGO电极表面，放置于50 ℃条件下干燥后，将干燥完全的电极分别用浓度为0.1 M氢氧化钠溶液和去离子水冲洗数次；在滴涂CS溶液的电极区域继续均匀滴涂20 μL体积分数为5 %的戊二醛溶液，静置反应30 min后，用去离子水冲洗电极；修饰电极基底在戊二醛活化处理后，取20 μL浓度为2.0 μM的凝血酶适配体滴涂在预处理的修饰电极表面，在4 °C环境下孵育12h；孵育结束后，用PBS缓冲溶液（pH 7.4，10 mM）清洗电极，最后滴涂20 μL浓度为0.5 mM乙醇胺封闭液，静置在37 °C环境下孵育30 min。随后，用PBS缓冲溶液（pH 7.4，10 mM）再次洗涤修饰电极数次后，得到生物传感阴极电极。
（3）对目标物的检测，具体检测步骤如下所示：
检测凝血酶时，将20 μL不同浓度的凝血酶滴涂在生物传感阴极电极表面，静置在37℃环境下孵育1 h，用PBS缓冲溶液清洗电极后进行光电流检测。光电流检测采用常规的双电极系统：有效面积0.25 cm2的固定有捕获探针的ITO/RGO生物传感阴极作为工作电极，有效面积0.25 cm2的光电活性材料修饰电极PEDOT/Bi2S3/ZnO作为对电极。
光电流检测前用氮气对溶液脱氧处理30 min，其中溶液为含0.1 M抗坏血酸（AA）的PBS（pH 7.4, 0.1 M）溶液，溶液中的AA在检测体系中作为电子供体而存在；采用光谱范围为300-2500 nm，强度为300 mW∙cm-2和功率为150 W的氙灯产生的白光作为激发光源，且检测光电流响应时只照射在光电活性电极表面，光源的开启和关闭时间均为10 s/次。检测过程中，光电系统不施加外加电压。
本发明还有一个目的，就是提供上述基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器在体外诊断产品中的应用。
进一步的，所述光电化学适配体传感器的测试环境是pH为6.5~7.5的缓冲溶液，并以溶解氧作为电子受体。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于传感分离策略的光电化学适配体传感器及其制备方法与应用，具有如下优异效果：
本发明通过采用传感分离的构建策略，在传感阴极固定凝血酶适配体特异性捕获凝血酶，使传感界面的阻抗发生改变而引起光电流检测信号的变化，且本发明基于光阳极的优异光电性能和传感阴极的特异识别对凝血酶的检测具有高灵敏度和良好的选择性，其不仅为提高光阳极的光电性能提供一种高效制备策略，还能有效提升传感器对相关疾病标志物的检测灵敏度，适于市面推广与应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为不同浓度的Bi(NO3)3对应Bi2S3/ZnO光阳极的光电流响应图。
图2为PEDOT不同沉积周期对应PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极的光电流响应图。
图3为RGO不同沉积周期对应的光电流响应图。
图4为不同浓度的适配体孵育对应的光电流响应图。
图5为ZnO纳米棒的高倍放大扫描电子显微镜图。
图6为Bi2S3/ZnO的高倍放大扫描电子显微镜图。
图7为PEDOT/Bi2S3/ZnO的高倍放大扫描电子显微镜图。
图8为光阳极制备过程中修饰电极的光电流响应图。
图9为光阳极制备过程中修饰电极的X射线光电子能谱图。
图10为RGO修饰电极的扫描电子显微镜图。
图11为传感阴极制备过程中传感器的电化学阻抗图谱。
图12为传感阴极制备过程中传感器的光电流响应图。
图13为光电化学适配体传感器对目标物检测的光电流信号图。
图14为光电化学适配体传感器对目标物检测的标准曲线图。
图15为光电化学适配体传感器的抗干扰实验数据图。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种灵敏度高、抗干扰能力强且基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的高性能光电化学适配体传感器。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步的说明。
实施例1：
因PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极的光电流输出大小对最终制备的光电化学适配体传感器的检测灵敏度有重要影响，所以下述对PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极的制备工艺参数进行了优化：
1）因Bi(NO3)3的乙二醇溶液浓度对Bi2S3纳米片的形貌及厚度有影响，所以对Bi(NO3)3的乙二醇溶液浓度进行优化，具体如下：
配制浓度为4.5 mM硫脲的乙二醇溶液（25 mL）和不同浓度Bi(NO3)3的乙二醇溶液（25 mL），其中，所述Bi(NO3)3的乙二醇溶液浓度为1mM、2mM、3mM、4mM和5mM；然后将上述两种溶液加入150毫升乙醇中搅拌，直至混合溶液澄清；随后将配制好的溶液加入到100毫升的特氟龙内衬中，将ZnO电极与内衬壁成一定角度放置，浸泡含浓度3mM (3-氨丙基)三乙氧基硅烷的甲醇溶液中3小时，加热到50℃并保持1小时，冷却至室温，并用去离子水和乙醇反复冲洗，最终制备得到不同修饰量的Bi2S3/ZnO电极。
通过进行光电流表征测试可得，如附图1所示，当Bi(NO3)3的浓度为3mM时，Bi2S3/ZnO光阳极的光电流响应最佳，因此选择Bi(NO3)3的浓度为3mM作为最佳的制备工艺参数。
2）因沉积周期的不同对PEDOT导电聚合物薄膜的厚度有影响，所以对沉积周期的次数进行优化，具体如下：
聚合单体溶液为含有0.1 M LiClO4和0.01 M EDOT单体的乙腈溶液，电化学聚合前用氮气对聚合单体溶液脱氧处理30 min，采用循环伏安法（CV），电压设置为−1.3 V和0.6V之间，扫描速度为50 mV/s。分别执行1圈、2圈、3圈、4圈、5圈后，得到不同修饰量的PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极。
通过进行光电流表征测试可得，如附图2所示，当沉积周期为3圈时，PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极的光电流响应最佳，因此选择沉积周期为3圈作为最佳的制备工艺参数。
实施例2：
因传感阴极的电子传输能力和探针修饰量对最终制备的光电化学适配体传感器的检测灵敏度和定量检测范围有显著影响，所以下述对传感阴极的制备工艺参数进行了优化：
1）因传感阴极上RGO的修饰量，对阴极的电子传输能力有显著影响，所以对沉积RGO的制备工艺参数进行了优化，具体如下：
采用循环伏安法（CV），电沉积所用的氧化石墨烯溶液浓度为0.8 mg/mL，电压设置为−1.3 V和0.6 V之间，扫描速度设定为0.1 V/s，循环不同周期。分别执行10圈、20圈、30圈、40圈、50圈后，得到不同修饰量的RGO/ITO电极。
通过进行光电流表征测试可得，如附图3所示，当沉积周期为30圈时，RGO/ITO电极的光电流响应最佳，因此选择沉积周期为30圈作为最佳的制备工艺参数。
2）因捕获探针在传感电极上的修饰量，可以通过其在电极上的孵育浓度体现，所以下述对捕获探针的孵育浓度进行了优化，具体如下：
将一定质量的壳聚糖粉末加入到体积分数为1 %的乙酸溶液中，搅拌至完全溶解，制得质量分数为0.08 %的壳聚糖溶液；然后取20 μL上述壳聚糖溶液均匀滴涂在优化的RGO/ITO电极放置于50 ℃条件下干燥后，将干燥完全的电极分别用浓度为0.1 M氢氧化钠溶液和去离子水冲洗数次；在滴涂CS溶液的电极区域继续均匀滴涂20 μL体积分数为5 %的戊二醛溶液，静置反应30 min后，用去离子水冲洗电极；修饰电极基底在戊二醛活化处理后，取20 μL不同浓度的凝血酶适配体滴涂在预处理的修饰电极表面，在4℃环境下孵育12h，并用磷酸盐缓冲液（10 mM，pH 7.4）将电极洗净后，得到不同负载量的传感阴极。
通过进行光电流表征测试可得，如附图4所示，捕获探针的孵育浓度需要大于等于2.0μM，这样才能保证捕获探针在传感阴极上的充分固定，以获得最佳的定量检测范围，因此选择大于等于2.0μM的捕获探针作为最优孵育浓度。
本发明内容不仅限于上述各实施例的内容，其中一个或几个实施例的组合同样也可以实现本发明目的。
为了进一步验证本发明的优异效果，发明人还进行了如下实验：
首先需要说明的是，本发明下述实验中光电流信号是在光电化学系统上测试完成的，150 W氙灯作为激发光源，光强度约为300 mW/cm2，每10 s开/关光源一次，光电流的记录由电化学工作站完成。
且使用的三电极体系为：修饰面积为0.25 cm2的传感电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极；以及系统外加电压为0.0 V。
实验例一：
（1）ZnO纳米棒修饰电极的制备，具体制备步骤如下所示：
在含6.3 mM硝酸锌和6.3 mM六亚甲基四胺的水溶液中进行电沉积，电沉积时保持溶液温度为80 ℃，沉积电位为1.0 V；然后将底物从溶液中取出，用去离子水清洗干净，并用氮气吹干。
其中，扫描电子显微镜如附图5所示，大量均匀的ZnO纳米棒呈柱状排列，平均直径为80-90nm。
（2）Bi2S3/ZnO修饰电极的制备，具体制备步骤如下所示：
配制浓度为4.5 mM硫脲的乙二醇溶液（25 mL）和浓度为3.0 mM Bi(NO3)3的乙二醇溶液（25 mL）；然后将上述两种溶液加入150毫升乙醇中搅拌，直至混合溶液澄清；随后将配制好的溶液加入到100毫升的特氟龙内衬中，将ZnO修饰电极与内衬壁成一定角度放置，浸泡含浓度3mM (3- 氨丙基)三乙氧基硅烷的甲醇溶液中3小时，加热到50℃并保持1小时，冷却至室温，并用去离子水和乙醇反复冲洗，制备得到Bi2S3/ZnO电极。
其中，扫描电子显微镜如附图6所示，可以看到大量的 Bi2S3纳米片与ZnO纳米棒结合，呈现出三维交联异质结构。
（3）PEDOT/Bi2S3/ZnO修饰电极的制备，具体制备步骤如下所示：
将上述制备的Bi2S3/ZnO电极作为工作电极，聚合单体溶液为含有0.1 M LiClO4和0.01 M EDOT单体的乙腈溶液，电化学聚合前用氮气对聚合单体溶液脱氧处理30 min。采用循环伏安法（CV），电压设置为−1.3 V和0.6 V之间，扫描速度为50 mV/s，循环周期为3圈。
其中，扫描电子显微镜如附图7所示，可以看到在之前的三维交联结构表面形成了一层较厚的纳米花。
为验证PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极的成功制备，对每步构建过程进行验证，具体如下所述：
其中，光电流响应如附图8所示，ZnO修饰电极具有较小的光电流响应（曲线a）；修饰Bi2S3后，光电流增加（曲线b），这是由于Bi2S3纳米片增强了对光的吸收范围所产生；继续修饰PEDOT后，光电流显著增加（曲线c），这是由于形成共敏化结构进一步提高了光生电子/空穴对的分离效率，证明了PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极成功制备。
以及X射线光电子能谱如附图9所示，ZnO修饰电极包含Zn、O这些特征元素（曲线a）；修饰Bi2S3后，在原有特征元素的基础上又出现了Bi、S这些特征元素（曲线b）；继续修饰PEDOT后，在原有特征元素的基础上又出现了Cl这些特征元素（曲线c）。且典型的X射线光电子能谱元素特征峰的出现，进一步证明了PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极成功制备。
实验例二：
（1）RGO修饰电极的制备，具体制备步骤如下所示：
采用循环伏安法（CV），电沉积所用的氧化石墨烯溶液浓度为0.8 mg/mL，电压设置为−1.3 V和0.6 V之间，扫描速度设定为0.1 V/s，循环30周期；其中工作电极为ITO导电玻璃，对电极采用铂丝电极，饱和Ag/AgCl电极作为参比电极；还原氧化石墨烯电沉积后，扫描电子显微镜如附图10所示，电极表面覆盖有大量褶皱的薄纳米片，说明还原氧化石墨烯电沉积成功。
（2）传感阴极的制备，具体制备步骤如下所示：
将一定质量的壳聚糖粉末加入到体积分数为1 %的乙酸溶液中，并搅拌至完全溶解，制得质量分数为0.08 %的CS溶液；然后取20 μL上述壳聚糖溶液均匀滴涂在ITO/RGO电极表面，放置于50 ℃条件下干燥后，将干燥完全的电极分别用浓度为0.1 M氢氧化钠溶液和去离子水冲洗数次；在滴涂CS溶液的电极区域继续均匀滴涂20 μL体积分数为5 %的戊二醛溶液，静置反应30 min后，用去离子水冲洗电极；修饰电极基底在戊二醛活化处理后，取20 μL浓度为2.0 μM的凝血酶适配体滴涂在预处理的修饰电极表面，在4℃环境下孵育12h；孵育结束后，用PBS缓冲溶液（pH 7.4，10 mM）清洗电极，最后滴涂20 μL浓度为0.5 mM乙醇胺封闭液，静置在37℃环境下孵育30 min，随后用PBS缓冲溶液（pH 7.4，10 mM）再次洗涤修饰电极数次后，得到生物传感阴极电极。
此外，为验证传感阴极的成功制备，通过电化学阻抗频谱对每步构建过程进行验证，如下所述：
如附图11曲线a可知，RGO/ITO电极的电子转移电阻值非常小；利用RGO优良的导电性，ITO衬底的导电性和电子收集能力得到了明显的提高，以及界面修饰CS后，将凝血酶适配体和MEA逐步固定在阴极基底上，这些修饰电极的电子转移电阻逐渐增大(曲线b ~ d)；且在检测过程中，凝血酶的靶点固定探针特异性结合，凝血酶蛋白分子的空间位阻较大，电子转移电阻明显升高(曲线e)，电子转移电阻变化过程证明了传感阴极的成功制备。
与之相应的光电流响应如附图12所示，进一步证明了传感阴极成功制备。
实验例三：
对凝血酶的检测，具体检测步骤如下所示：
将20 μL不同浓度的凝血酶滴涂在生物传感阴极电极表面，静置在37℃环境下孵育1 h，用PBS缓冲溶液清洗电极后进行光电流检测。
其中，光电流检测采用常规的双电极系统：有效面积0.25 cm2的实施例二制备的阴极光电化学免疫传感电极为工作电极，有效面积0.25 cm2的实施例一制备的阳极光电活性电极作为对电极。
光电流检测前用氮气对溶液脱氧处理30 min，其中溶液为含0.1 M抗坏血酸（AA）的PBS（pH 7.4, 0.1 M）溶液，溶液中的AA在检测体系中作为电子供体而存在。采用光谱范围为300-2500 nm，强度为300 mW∙cm-2和功率为150 W的氙灯产生的白光作为激发光源，且检测光电流响应时只照射在光电活性电极表面，光源的开启和关闭时间均为10 s/次。以及检测过程中，光电系统不施加外加电压。
检测结果表明：随着目标物浓度的增加，阴极光电流信号逐渐降低，如附图13所示；
且在目标物浓度为0.1 pM到100 pM范围内，阴极光电流信号变化值与目标物浓度的对数成线性关系，如附图14所示，线性相关系数为0.998，实验最低检测限为32 fM，得以表明通过本发明公开制备的基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器对目标检测物质具有较高的灵敏度。
实验例四：
为了证明上述阴极光电化学免疫传感器具有优良的抗干扰能力，包括对生物大分子的干扰以及对还原性小分子的干扰，而选择常见的其他疾病标志物抗原：癌胚抗原（CEA）、前列腺特异性抗原（PSA）、人免疫球蛋白（HIgG），以及常见的还原性小分子：抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）、谷胱甘肽（GSH）作为典型的干扰物，具体操作如下：
取浓度为1 mM的AA、GSH、DA、CEA、HIgG、PSA、HIgG和浓度为1 pM的目标物分别利用本发明制备的阴极光电化学免疫传感器按上述方法分别检测，光电流信号响应如附图15所示。
结果表明，具有潜在干扰物质如的测试结果与仅有目标物TB的光电流信号有明显差距。由此证明了本发明制备的阴极光电化学免疫传感器不仅具有高灵敏度，亦同时具有抗生物大分子及还原性小分子干扰的能力，在实际复杂生物基质中具有优良的应用潜力。
此外，为了进一步验证上述阴极光电化学免疫传感器的正确性及实用性，取已知浓度分别为1.0, 10.0和50.0 pM的标准样品加入稀释10倍的血清中，利用本发明制备的阴极光电化学免疫传感器按上述方法分别检测、计算各样品的浓度，回收率分别为105.2%、96.4%、98.4%检测结果的误差范围均在6%以内，由此进一步证明了本发明制备的阴极光电化学免疫传感器对目标物能够实现快速、灵敏、准确及高效的检测。
对所公开的实施例及实验例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器，其特征在于，所述光电化学适配体传感器采用传感分离的策略，将三维交联结构的PEDOT/Bi2S3/ZnO异质结作为光电活性材料修饰于ITO电极来构建光阳极，传感阴极则采用还原氧化石墨烯修饰，并通过壳聚糖将凝血酶适配体固定于所述传感阴极的表面；
通过利用所述光阳极的光电性能和所述传感阴极的特异性，实现对目标检测物的高灵敏及精准检测。
2.一种如权利要求1所述的基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
（1）制备PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极：在氧化铟锡透明导电膜玻璃上合成垂直的氧化锌纳米棒，随后硫化铋纳米片和聚(3,4-乙撑二氧噻吩)薄膜构建三维交联异质结结构，通过在Bi2S3/ZnO电极表面修饰PEDOT导电聚合物薄膜，制备PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极；
（2）制备传感阴极：在ITO导电玻璃表面采用电化学沉积的方法修饰还原氧化石墨烯制备ITO/RGO电极基底；基底经戊二醛活化处理，随后在构建完全的基底表面通过壳聚糖分子的连接固定靶标模型的捕获探针；最终用乙醇胺封闭活性位点，得到生物传感阴极电极。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，首先通过电化学沉积法在ITO导电玻璃上生长ZnO纳米棒；随后分别配制含有硫脲、Bi(NO3)3的乙二醇溶液，并将ZnO电极浸泡于含 (3-氨丙基)三乙氧基硅烷的甲醇溶液中反应制备Bi2S3/ZnO电极；最终在所述Bi2S3/ZnO电极表面通过电化学沉积法修饰PEDOT导电聚合物薄膜，得到PEDOT/Bi2S3/ZnO光阳极。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器的制备方法，其特征在于，所述含有Bi(NO3)3的乙二醇溶液浓度为2~5mmol/L。
5.一种如权利要求1所述的基于三维交联异质结结构和传感分离策略构建的光电化学适配体传感器或如权利要求2~4任一所述方法制备的光电化学适配体传感器在体外诊断产品中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述光电化学适配体传感器的测试环境为pH 6.5~7.5的缓冲溶液，并以溶解氧作为电子受体。
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CN114527183B (zh) * 2022-01-17 2023-05-16 西南大学 一种光致电化学传感器及其制备方法和应用
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104062330A (zh) * 2014-06-11 2014-09-24 汕头大学 一种检测凝血酶的电化学发光生物传感器及其制备方法
CN104374765A (zh) * 2014-11-17 2015-02-25 济南大学 一种电化学发光适配体传感器、其制备方法及其用途
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104062330A (zh) * 2014-06-11 2014-09-24 汕头大学 一种检测凝血酶的电化学发光生物传感器及其制备方法
CN104374765A (zh) * 2014-11-17 2015-02-25 济南大学 一种电化学发光适配体传感器、其制备方法及其用途
CN105004712A (zh) * 2015-07-17 2015-10-28 盐城工学院 一种用于啶虫脒检测的光电化学传感器的构建方法和检测方法
CN105241938A (zh) * 2015-09-14 2016-01-13 盐城工学院 一种基于稀磁半导体的钾离子核酸适配体光电化学传感器的构建及检测方法

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