CN112415069B - 针对唾液中口腔癌的mof-5生物传感器的制备方法和应用 - Google Patents

针对唾液中口腔癌的mof-5生物传感器的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物传感器领域，具体涉及针对唾液中口腔癌的MOF‑5生物传感器的制备方法和应用。本发明选取MOF‑5将ZrO2颗粒进行包裹，然后将名为anti‑Cyfra‑21‑1的口腔癌标记识别蛋白通过共价键组装到ZrO2@MOFs上，口腔癌的生物标记蛋白Cyfra‑21‑1和MOF‑5修饰的电极传感器的anti‑Cyfra‑21‑1抗体产生反应会导致传感器的氧化电流发生改变，通过检测电流是否发生改变从而判断是否存在口腔癌细胞。

Description

针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物传感器领域，具体涉及针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法和应用。
背景技术
传感器是一种可以将到的被检测的信息按照需要转变成其他所需信息形式输出的装置，广泛应用于人们生产生活的各个领域。电化学传感器就是通过电化学的反应监测样品的一类传感器。电化学传感器最早可以追溯到1950年左右，当时是为了监测有毒气体。到今天已经发展了半个多世纪，分析化学将其作为新兴的研究方向进行研究。电化学传感器的种类繁多，发展到现在，可以分为免疫发光传感器、电化学DNA传感器、电化学氧传感器、纳米材料电化学传感器。其中，电化学发光免疫传感器是一种将电化学方法、化学荧光和免疫学方法结合起来的一类新型生物传感器。近年来，用于构筑电化学传感器的材料越来越多，可是金属有机框架材料在电化学传感器领域里却利用得非常少，这是因为绝大多数的金属有机框架材料的导电性极差，还有些是绝缘的。但由于金属有机骨架材料表面孔洞极多，可以将一些基团组装于该材料上，从而在保持材料原有的性能的基础上，赋予它以导电性，从而应用于电化学传感器领域，这就为金属有机框架在电化学中的应用提供了新的思路。张坤蕾等学者通过将MIL-101与壳聚糖组装在一起的方法，研制了可以检测吗啡的电化学传感器；郑州大学的张万庆用XC-72修饰MIL-53制成的传感器来检测三聚氰胺。
口腔癌的诊断和检测技术主要包括：激光显微捕获切割技术、可视化辅助设备、细胞病理学、活体检测技术等。这些侵入式的方法不仅会伤害到人体的安全，而且，需要消耗人力，物力和时间。与以上传统技术相比，生物传感技术(biosensor)具有检测速度快、检测灵敏度高、需要的检测样品少、用户友好、检测数据可靠等优点。
针对口腔癌的研究中，唾液中的IL-8、IL-6、VEGF、EGFR是常用的口腔癌生物标记蛋白，但人体中这类蛋白的含量极少(大约只有pg/mL)，检测相当困难。然而，Cyfra-21-1的蛋白作为生物标记，在唾液中的含量相对较高，正常人大约3.8ng/mL，而口腔癌患者的唾液里该蛋白的浓度可以高达16-18ng/mL左右。因此，本发明拟选取本发明拟选取名为anti-Cyfra-21-1的标记识别蛋白通过共价键连接到ZrO2@MOFs上，随后将口腔癌的生物标记蛋白Cyfra-21-1与免疫电极传感器上的生物标记识别蛋白anti-Cyfra-21-1发生相互作用会导致传感器的氧化电流发生改变。通过检测电流的变化从而诊断口腔癌的发生。
发明内容
针对上述问题本发明提供了针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法和应用，本发明选取MOF-5将ZrO2颗粒进行包裹，然后将名为anti-Cyfra-21-1的口腔癌标记识别蛋白通过共价键组装到ZrO2@MOFs上，口腔癌的生物标记蛋白Cyfra-21-1和MOF-5修饰的电极传感器的anti-Cyfra-21-1抗体产生反应会导致传感器的氧化电流发生改变，通过检测电流是否发生改变从而判断是否存在口腔癌细胞。在此基础上，主要利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、变换红外光谱表征(FI-IR)，研究其表面形貌及颗粒性质，并结合传感器的重现性和稳定性进行分析，阐明传感器的识别机理。从而得到兼具优异生物相容性、高稳定性及优异的基于唾液中口腔癌标志物的MOF-5免疫电极生物传感器。将为设计得到无侵入人体式、无痛型体外口腔癌检测生物传感器提供新策略，为体外诊断提供重要的理论意义和应用价值。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，MOF-5的制备：将2.42g六水硝酸锌和0.68g对苯二甲酸溶解于80mLN，N-二甲基甲酰胺中，待到完全溶解后，将3.2g三乙胺滴加到溶液里，常温下搅拌，离心，去掉上层清液，将剩下的白色固体用N-二甲基甲酰胺洗涤、烘干，得到MOF-5；
步骤2，MOF-5的活化：向MOF-5中加入N，N-二甲基甲酰胺后，在水浴锅中恒温搅拌，将混合溶液离心后过滤，将得到的固体依次用热乙醇、氟化铵、去离子水洗涤，最后将固体干燥，得到活化的MOF-5；
步骤3，对活化的MOF-5进行APTES改性：将活化的MOF-5、APTES与无水乙醇超声震荡，然后在水浴锅中加热搅拌，将混合溶液离心后过滤，然后得到的固体用无水乙醇洗涤，真空干燥，得到改性的MOF-5；
步骤4，纳米氧化锆的制备：将0.5g十二烷基磺酸钠溶于50mL去离子水中，水浴加热至完全溶解后，加入碳酸氢铵溶液搅拌均匀后，再加入锆盐溶液，充分搅拌后，进行水热反应，反应结束后，将得到的先驱体用热乙醇清洗，自然风干，得到介孔ZrO2的前驱体；然后以10～12℃/min的升温速率升温至400℃，煅烧4h得到纳米氧化锆；
步骤5，MOF-5生物传感器的制备：先后用1000目和2000目的砂纸打磨电极表面，然后用Al2O3抛光粉打磨电极表面，直到电极表面变成镜面，先后用HNO3溶液，无水乙醇，二次蒸馏水洗涤电极表面5～8min，取活化的0.2g MOF-5和0.4g纳米氧化锆超声分散于10mL去离子水中，形成ZrO2@MOFs溶液，将2μL anti-Cyfra-21-1滴加到0.5mLZrO2@MOFs溶液中，充分搅拌，形成悬浊液，将悬浊液滴加到电极表面，等到电极干燥后，再滴加体积比为0.5％的Nafion溶液到电极表面，室温下自然风干，得到MOF-5生物传感器。
进一步，所述步骤1中搅拌的时间为4.5～5h，所述洗涤的次数为3～5次，所述烘干的温度为100～110℃。
进一步，所述步骤2中水浴锅的温度为40～45℃，搅拌的时间为50～60min。
进一步，所述步骤2中热乙醇的温度为70～80℃，氟化铵的浓度为1～2mol/L，去离子水的温度为80～100℃；所述干燥的温度为130～150℃，干燥的时间为8～10h。
进一步，所述步骤3中水浴锅的温度为80～90℃，加热搅拌时间为10～12h；所述洗涤的次数为3～5次，所述真空干燥的温度为100～120℃，真空干燥的时间为8～10h。
进一步，所述步骤4中水热反应的温度为120～140℃，反应的时间为7h，所述热乙醇的温度为40℃。
进一步，所述步骤4中碳酸氢钠溶液的浓度为0.3～0.5mol/L，锆盐溶液为0.3mol/L。
进一步，所述步骤5中HNO3溶液的浓度为6mol/L。
针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的应用，基于唾液中的Cyfra-21-1蛋白来检测口腔癌。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1.目前，人们已经发展出一些技术用于口腔癌的诊断和检测，包括：激光显微捕获切割技术、可视化辅助设备及活体检测技术等，但这些技术都是侵入式的，会对人体造成伤害，而且需要消耗大量的人力、财力以及时间。然而本发明为设计得到基于唾液中口腔癌标志物的MOFs免疫电极生物传感器，实现无侵入人体式、无痛型体外口腔癌检测生物传感器提供新的策略，为体外诊断提供重要的理论意义和应用价值。
2.对于目前的生物传感器具有检测速度快、检测灵敏度高、用户友好、检测数据可靠等优点，本发明针对口腔癌体外检测，提出基于新型金属有机骨架材料(Metal OrganicFrameworks，MOFs)拟采用第一种组装方式，以ZrO2作为底物将MOFs纳米颗粒表面首先进行修饰，然后再与蛋白质结合进行自组装，将有望得到兼具优异生物相容性、高稳定性及优异的电极传感器。
附图说明
图1为X射线衍射谱图，其中图1a为MOF-5的X射线衍射标准谱，图1b为本发明MOF-5的X射线粉末衍射谱；
图2为本发明MOF-5的SEM图，其中图2a为放大2000倍，图2b为放大5000倍，图2c为放大10000倍，图2d为放大55000倍；
图3为为红外光谱图，其中图3a为MOF-5红外光谱图，图3b为改性后的MOF-5红外光谱图，图3c为MOF-5和改性后的MOF-5红外光谱对比图；
图4为MOF-5生物传感器的循环伏安曲线图；
图5为本发明MOF-5生物传感器分别在纯PBS溶液和添加Cyfra-21-1识别蛋白的PBS溶液的差分脉冲伏安曲线；其中，A曲线为在纯PBS溶液中的曲线，B曲线为在添加Cyfra-21-1识别蛋白的曲线。
具体实施方式
实施例1
针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，MOF-5的制备：将2.42g六水硝酸锌和0.68g对苯二甲酸溶解于80mLN，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，待到完全溶解后，将3.2g三乙胺滴加到溶液里。常温下搅拌5h，离心，去掉上层清液，将剩下的白色固体用DMF洗涤三次，最后放在烘箱中100℃条件下烘干，得到MOF-5。
步骤2，MOF-5的活化：将MOF-5移入烧杯，向其中加入15mLDMF后，在40℃的水浴锅中恒温搅拌1h。将溶液离心后，依次用78℃的热乙醇、1mol/L的氟化铵、100℃的去离子水洗涤，最后将固体放在150℃的真空干燥箱中，干燥8小时。
步骤3，将0.2g活化的MOF-5、0.175mL的APTES与30mL无水乙醇超声震荡5分钟，然后在85℃水浴锅中加热搅拌12h，将混合溶液离心，然后用无水乙醇洗涤三次，放于100℃真空干燥箱中干燥8h。
步骤4，纳米氧化锆的制备：将0.5g十二烷基磺酸钠溶于50mL去离子水中，水浴加热至完全溶解后，加入0.4mol/L碳酸氢铵溶液搅拌均匀后，再加入0.3mol/L锆盐溶液，充分搅拌后，置于120℃的高压釜中进行水热反应7h，反应结束后，将得到的先驱体用热乙醇清洗，自然风干，得到介孔ZrO2的前驱体；然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，煅烧4h得到纳米氧化锆。
步骤5，MOF-5生物传感器的制备：先后用1000目和2000目的砂纸打磨电极表面，然后用Al2O3抛光粉打磨电极表面，直到电极表面变成镜面，先后用6mol/L的HNO3溶液，无水乙醇，二次蒸馏水洗涤电极表面5min，取活化的0.2gMOF-5和0.4g纳米氧化锆超声分散于10mL去离子水中，形成ZrO2@MOFs溶液，将2μL anti-Cyfra-21-1滴加到0.5mL ZrO2@MOFs溶液中，充分搅拌，形成悬浊液，将悬浊液滴加到电极表面，等到电极干燥后，再滴加体积比为0.5％的Nafion溶液到电极表面，室温下自然风干，得到MOF-5生物传感器。
X射线衍射法(XRD)测MOF-5的晶体结构：将制备的MOF-5粉末样品倒于玻片上，然后将玻片置于样品架上，开始检测。将扫描范围设定为3°到50°，步长设定为0.02°，扫描速度设置为8°/min，然后开启X射线衍射仪进行检测，结果如图1所示，MOF-5的标准XRD谱图如图1a所示，MOF-5在6.78°、9.56°和12.36°处有明显的衍射峰(如图1b所示)，与MOF-5的标准图谱基本一致。
扫描电子显微镜分析：用细棒稍微蘸取一些样品粉末粘到导电胶上，然后将导电胶粘到样品架上，由于样品导电性较弱，因此先喷金，之后放于扫描电子显微镜(SEM)下观察不同放大倍数的微观形貌，从图2中可以看到通过水热法制备的MOF-5晶体形状不规则，只有很少部分呈规则的立方体形状，大小不一定，大部分大小为微米级别的，特别少部分为纳米级别。主要原因是低温条件下的MOF-5配位方式为单齿型配位，晶体以低维形态存在。
变换红外光谱图分析：使用KBr做背景，将MOF-5和改性后的MOF-5分别与KBr以1:100的比例混合，研磨均匀后做成压片，放入红外光谱仪中检测，从图3a可以看出，在1572cm-1和1393cm-1处的吸收峰是由于-COOH中羰基的振动，3500cm-1处的较宽的吸收峰是-OH导致的。如图3b所示是APTES-MOF-5材料的红外光谱图，其在1030-1360cm-1处有明显的振动峰的改变，说明APTES-MOF-5材料被成功制备，该材料能同时具备APTES和MOF-5的性质。
实施例2
PBS溶液的配置：称取8.0gNaCl、0.2gKCl、2.89gNaHPO4·12H2O以及0.2gKH2PO4溶于1000mL二次蒸馏水水中，溶解过程中不断调节pH值，使pH稳定于7左右。配置完成后放于-4℃的冰箱中备用，该PBS溶液将用于稀释识别蛋白和充当电解液。
常温下，将10mL用PBS溶液稀释过的Cyfra-21-1加入PBS溶液中，充分搅拌，作为电解液。以用MOF-5生物传感器充当工作电极，甘汞电极充当对电极，铂电极作为辅助电极，从而构成三电极的体系。
如图4为MOF-5生物传感器的循环伏安曲线图，从图4中可以看出，本发明制备的MOF-5生物传感器具有导电性，并具有良好的电化学性质。
如图5所示MOF-5生物传感器分别在纯PBS溶液和添加Cyfra-21-1识别蛋白的PBS溶液的差分脉冲伏安曲线。其中，A曲线为在纯PBS溶液中的曲线，B曲线为在添加Cyfra-21-1识别蛋白的曲线。从两条曲线的比较可以看出该电极在加入Cyfre-21-1识别蛋白的电解液中有明显的氧化还原峰。而在未添加标记蛋白的电解液中，则没有较明显的氧化还原峰，说明MOF-5免疫生物传感器在PBS溶液中能够实现对口腔癌的检测。
实施例3
针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，MOF-5的制备：将2.42g六水硝酸锌和0.68g对苯二甲酸溶解于80mLN，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，待到完全溶解后，将3.2g三乙胺滴加到溶液里。常温下搅拌5h，离心，去掉上层清液，将剩下的白色固体用DMF洗涤4次，最后放在烘箱中100℃条件下烘干，得到MOF-5。
步骤2，MOF-5的活化：将MOF-5移入烧杯，向其中加入15mLDMF后，在42℃的水浴锅中恒温搅拌50min。将溶液离心后，依次用70℃的热乙醇、1.5mol/L的氟化铵、80℃的去离子水洗涤，最后将固体放在130℃的真空干燥箱中，干燥10小时。
步骤3，将0.2g活化的MOF-5、0.175mL的APTES与30mL无水乙醇超声震荡5分钟，然后在80℃水浴锅中加热搅拌11h，将混合溶液离心，然后用无水乙醇洗涤4次，放于110℃真空干燥箱中干燥10h。
步骤4，纳米氧化锆的制备：将0.5g十二烷基磺酸钠溶于50mL去离子水中，水浴加热至完全溶解后，加入0.3mol/L碳酸氢铵溶液搅拌均匀后，再加入0.3mol/L锆盐溶液，充分搅拌后，置于130℃的高压釜中进行水热反应7h，反应结束后，将得到的先驱体用热乙醇清洗，自然风干，得到介孔ZrO2的前驱体；然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，煅烧4h得到纳米氧化锆。
步骤5，MOF-5生物传感器的制备：先后用1000目和2000目的砂纸打磨电极表面，然后用Al2O3抛光粉打磨电极表面，直到电极表面变成镜面，先后用6mol/L的HNO3溶液，无水乙醇，二次蒸馏水洗涤电极表面7min，取活化的0.2gMOF-5和0.4g纳米氧化锆超声分散于10mL去离子水中，形成ZrO2@MOFs溶液，将2μL anti-Cyfra-21-1滴加到0.5mL ZrO2@MOFs溶液中，充分搅拌，形成悬浊液，将悬浊液滴加到电极表面，等到电极干燥后，再滴加体积比为0.5％的Nafion溶液到电极表面，室温下自然风干，得到MOF-5生物传感器。
实施例4
针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，MOF-5的制备：将2.42g六水硝酸锌和0.68g对苯二甲酸溶解于80mLN，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，待到完全溶解后，将3.2g三乙胺滴加到溶液里。常温下搅拌4.5h，离心，去掉上层清液，将剩下的白色固体用DMF洗涤5次，最后放在烘箱中100℃条件下烘干，得到MOF-5。
步骤2，MOF-5的活化：将MOF-5移入烧杯，向其中加入15mLDMF后，在45℃的水浴锅中恒温搅拌55min。将溶液离心后，依次用80℃的热乙醇、2mol/L的氟化铵、90℃的去离子水洗涤，最后将固体放在140℃的真空干燥箱中，干燥9小时。
步骤3，将0.2g活化的MOF-5、0.175mL的APTES与30mL无水乙醇超声震荡5分钟，然后在90℃水浴锅中加热搅拌10h，将混合溶液离心，然后用无水乙醇洗涤5次，放于120℃真空干燥箱中干燥9h。
步骤4，纳米氧化锆的制备：将0.5g十二烷基磺酸钠溶于50mL去离子水中，水浴加热至完全溶解后，加入0.5mol/L碳酸氢铵溶液搅拌均匀后，再加入0.3mol/L锆盐溶液，充分搅拌后，置于140℃的高压釜中进行水热反应7h，反应结束后，将得到的先驱体用热乙醇清洗，自然风干，得到介孔ZrO2的前驱体；然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，煅烧4h得到纳米氧化锆。
步骤5，MOF-5生物传感器的制备：先后用1000目和2000目的砂纸打磨电极表面，然后用Al2O3抛光粉打磨电极表面，直到电极表面变成镜面，先后用HNO3溶液，无水乙醇，二次蒸馏水洗涤电极表面8min，取活化的0.2g MOF-5和0.4g纳米氧化锆超声分散于10mL去离子水中，形成ZrO2@MOFs溶液，将2μL anti-Cyfra-21-1滴加到0.5mLZrO2@MOFs溶液中，充分搅拌，形成悬浊液，将悬浊液滴加到电极表面，等到电极干燥后，再滴加体积比为0.5％的Nafion溶液到电极表面，室温下自然风干，得到MOF-5生物传感器。

Claims (8)

1.针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，MOF-5的制备：将2.42g六水硝酸锌和0.68g对苯二甲酸溶解于80mLN，N-二甲基甲酰胺中，待到完全溶解后，将3.2g三乙胺滴加到溶液里，常温下搅拌，离心，去掉上层清液，将剩下的白色固体用N-二甲基甲酰胺洗涤、烘干，得到MOF-5；
步骤2，MOF-5的活化：向MOF-5中加入N，N-二甲基甲酰胺后，在水浴锅中恒温搅拌，将混合溶液离心后过滤，将得到的固体依次用热乙醇、氟化铵、去离子水洗涤，最后将固体干燥，得到活化的MOF-5；
步骤3，对活化的MOF-5进行APTES改性：将活化的MOF-5、APTES与无水乙醇超声震荡，然后在水浴锅中加热搅拌，将混合溶液离心后过滤，然后得到的固体用无水乙醇洗涤，真空干燥，得到改性的MOF-5；
步骤4，纳米氧化锆的制备：将0.5g十二烷基磺酸钠溶于50mL去离子水中，水浴加热至完全溶解后，加入碳酸氢铵溶液搅拌均匀后，再加入锆盐溶液，充分搅拌后，进行水热反应，反应结束后，将得到的先驱体用热乙醇清洗，自然风干，得到介孔ZrO2的前驱体；然后以10～12℃/min的升温速率升温至400℃，煅烧4h得到纳米氧化锆；
步骤5，MOF-5生物传感器的制备：先后用1000目和2000目的砂纸打磨电极表面，然后用Al2O3抛光粉打磨电极表面，直到电极表面变成镜面，先后用HNO3溶液，无水乙醇，二次蒸馏水洗涤电极表面5～8min，取活化的0.2gMOF-5和0.4g纳米氧化锆超声分散于10mL去离子水中，形成ZrO2@MOFs溶液，将2μLanti-Cyfra-21-1滴加到0.5mLZrO2@MOFs溶液中，充分搅拌，形成悬浊液，将悬浊液滴加到电极表面，等到电极干燥后，再滴加体积比为0.5％的Nafion溶液到电极表面，室温下自然风干，得到MOF-5生物传感器。
2.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中搅拌的时间为4.5～5h，所述洗涤的次数为3～5次，所述烘干的温度为100～110℃。
3.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中水浴锅的温度为40～45℃，搅拌的时间为50～60min。
4.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中热乙醇的温度为70～80℃，氟化铵的浓度为1～2mol/L，去离子水的温度为80～100℃；所述干燥的温度为130～150℃，干燥的时间为8～10h。
5.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中水浴锅的温度为80～90℃，加热搅拌时间为10～12h；所述洗涤的次数为3～5次，所述真空干燥的温度为100～120℃，真空干燥的时间为8～10h。
6.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中水热反应的温度为120～140℃，反应的时间为7h，所述热乙醇的温度为40℃。
7.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中碳酸氢钠溶液的浓度为0.3～0.5mol/L，锆盐溶液为0.3mol/L。
8.根据权利要求1所述的针对唾液中口腔癌的MOF-5生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤5中HNO3溶液的浓度为6mol/L。
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