CN112824884B - 光电化学适配体传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电化学适配体传感器及其制备方法和应用，该传感器包括反应端面修饰有复合膜的工作电极，其中复合膜由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料组成，且复合膜表面自组装有特异性适配体探针。其制备方法包括CeO2QDs/Au/g‑C3N4的修饰和特异性适配体探针的固定。本发明光电化学适配体传感器具有稳定性高、使用寿命长、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低等优点，可实现对水体和生物体等介质中目标物的特异性检测，利用率高、使用价值高、应用前景好。该传感器的制备方法具有工艺简单、操作便捷、安全、成本低廉、无污染、制作效率高等优点，适合于大规模制备，有利于工业化应用。

Description

光电化学适配体传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种光电化学适配体传感器及其制备方法和应用，具体涉及一种基于金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料的光电化学适配体传感器及其制备方法和应用。
背景技术
藻毒素(MCs)是水体环境中一类最常见的环状七肽毒素，其中以微囊藻毒素(MC-LR)分布范围最广、毒性最强、出现频率最高。MC-LR不仅会直接对水生生物产生危害，还可以通过施肥，灌溉等方式进入农田土壤，在水生动植物体内逐渐积累，影响其身体机能，致使其中毒，并随食物链累积到动植物及人类体内，主要表现为肝毒性，进一步威胁其生命安全。目前，MC-LR已经成为有机污染物的检测项目之一。世界卫生组织已对水体中MC-LR的安全标准做了统一规定，安全值为1.0μg/L。现有的测定MC-LR的方法包括高效液相色谱法、酶联免疫吸附试验、毛细管电泳法、免疫分析和电化学方法等等，这些方法中存在操作繁琐、精确度和特异性较差、检测成本较高等问题。因此，开发高灵敏度和选择性的检测方法来定量检测环境中的MC-LR是非常必要的。
近年来，光电化学检测技术吸引了越来越多人的关注，由于在光电化学检测是在基于光电转换而发展起来的一种新型分析方法。通过对光敏材料施加光照从而引起电子激发和电荷转移，当吸收光子后在交界面处会形成电子空穴对，与特定的目标检测物发生氧化还原反应，从而对电荷转移产生影响，进一步分析其得到的电信号可获得对目标检测物的定量分析。为了实现对检测对象产生特异性的光电响应，常将分子印迹聚合物、抗体、酶等用于与光电极一起作为光电化学传感器中的识别元件，然而由这些识别元件构成的光电化学传感器存在结构复杂、稳定性差、使用寿命短、抗干扰能力差、检测范围和检测极限不足等问题，另外，这些光电化学传感器的制备方法还存在制备工艺复杂、操作困难、成本高、效率低等问题，同时所制得的光电化学传感器仍然存在稳定性差等不足，这严重限制了光电化学传感器的广泛应用。所以，急需研究一种高灵敏度和选择性的光电化学传感器。
利用核酸适配体构建适配体传感器可以开发高选择性的光电化学传感技术，核酸适配体是体外人工筛选的，对目标分子具有高亲和性和选择性的一种单链核酸。相比于抗体和酶，其具有较高的稳定性，易合成，易修饰，成本较低等优势。另外，开发高灵敏度的光电化学传感技术关键在于研究一种高效、稳定的新型光活性材料。石墨相的非金属半导体氮化碳(g-C3N4)作为一种光活性材料，由于其优异的化学稳定性和低廉的制备成本引起人们的关注，然而纯的g-C3N4由于其高的电子空穴复合效率，在实际应用具有一定的限制。将g-C3N4与其他半导体材料复合可有效抑制电子空穴的复合效率。然而，现有的g-C3N4/半导体纳米复合材料虽然在一定程度上可以增强电子转换效率，其简单的II型结构使得价带位置上移，导带位置下移，导致光生电子空穴的氧化还原能力降低，不利于目标分子的检测。因此，获得一种光电能力强、光能利用率高、分散性能好、稳定性高的石墨相氮化碳型光活性材料，对于获得一种稳定性高、使用寿命长、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低的光电化学适配体传感器以及提高光电化学适配体传感器在光电化学传感技术中的应用范围具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性高、使用寿命长、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低的光电化学适配体传感器，还提供了一种工艺简单、操作便捷、安全、成本低廉、无污染、制作效率高的光电化学适配体传感器的制备方法，同时还提供一种上述光电化学适配体传感器在检测藻毒素中的应用，特别地，采用上述光电化学适配体传感器检测MC-LR时具有抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种光电化学适配体传感器，包括三电极系统中用作工作电极的导电玻璃电极，所述导电玻璃电极的反应端表面修饰有复合膜，所述复合膜由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料组成；所述复合膜表面自组装有识别和捕获目标物分子的特异性适配体探针；所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料包括负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片上修饰有金纳米颗粒；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片是以石墨相氮化碳纳米片为载体，所述石墨相氮化碳纳米片上负载二氧化铈量子点。
上述的光电化学适配体传感器，进一步改进的，所述导电玻璃电极为氧化铟锡导电玻璃电极；所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料中金纳米颗粒的质量百分含量为1％～20％；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片中二氧化铈量子点的质量百分含量为5％～25％；所述二氧化铈量子点的粒径≤20nm；所述金纳米颗粒的粒径为8nm～10nm。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的光电化学适配体传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料悬浮液涂覆在导电玻璃电极的反应端表面，得到CeO2 QDs/Au/g-C3N4修饰的导电玻璃电极；
S2、将特异性适配体探针溶液滴加到步骤S1得到的导电玻璃电极的反应端表面进行孵育，再将6-巯基乙醇溶液滴加到导电玻璃电极的反应端电极表面进行培养，使特异性适配体探针通过金硫共价键固定在导电玻璃电极的反应端表面，完成对光电化学适配体传感器的制备。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料由以下方法制备得到：
(1)将负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散于甲醇/水混合溶液中，得到负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片与甲醇/水混合溶液的质量体积比为1mg∶2mL～4mL；所述甲醇/水混合溶液由甲醇和超纯水混合制得；所述甲醇和超纯水的体积比为1∶5～6；
(2)在避光条件下将步骤(1)中得到的负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液与氯金酸溶液混合，搅拌1h～1.5h，所得混合液在光照条件下进行光还原反应1h～1.5h，得到金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液与氯金酸溶液的体积比为1∶0.0008～0.004；所述氯金酸溶液由氯金酸和超纯水混合制得；所述氯金酸和超纯水的质量体积比为1g∶60mL～120mL。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤(1)中，所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片由以下方法制备得到：
(a)将三聚氰胺升温至500℃～550℃煅烧2h，继续升温至550℃～600℃煅烧2h，冷却，得到黄色产物；
(b)将步骤(a)中得到的黄色产物升温至550℃～600℃煅烧4h，得到石墨相氮化碳纳米片
(c)将步骤(b)中得到的石墨相氮化碳纳米片、六水硝酸铈和水混合，超声30min～40min，在搅拌条件下加入NH3·H2O，得到混合溶液；所述石墨相氮化碳纳米片与六水硝酸铈的质量比为1∶0.1～0.5；所述石墨相氮化碳纳米片与水的质量比为1∶150～250；所述NH3·H2O的体积与所述石墨相氮化碳纳米片、六水硝酸铈、水的体积之和的比值为1∶30～50；
(d)将步骤(c)中得到的混合溶液在温度为160℃～180℃下进行水热反应12h～16h，在转速为2500rpm～3500rpm下进行离心，在温度为60℃下进行干燥，得到负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料悬浮液是由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料分散于全氟磺酸/乙醇混合溶液中制得；所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料悬浮液的浓度为2mg/mL～8mg/mL；所述全氟磺酸/乙醇混合溶液中全氟磺酸、乙醇的体积比为1∶1；
所述步骤S2中，所述特异性适配体探针溶液的浓度为0.5μM～2.5μM；所述孵育在温度为3℃～5℃下进行；所述孵育的时间为10h～12h；所述6-巯基乙醇溶液的浓度为0.5mM～1.5mM；所述培养的时间为0.5h～1h。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的光电化学适配体传感器或上述的制备方法制得的光电化学适配体传感器在检测藻毒素中的应用。
上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：将藻毒素溶液滴加到光电化学适配体传感器中导电玻璃电极的反应端表面进行反应，使光电化学适配体传感器中的特异性适配体探针对藻毒素进行特异性识别和捕获；以捕获藻毒素的导电玻璃电极作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，建立三电极系统；将三电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试，建立藻毒素浓度与光电流变化关系构建检测线性回归方程；根据检测线性回归方程计算待测溶液中藻毒素的浓度。
上述的应用，进一步改进的，所述藻毒素为微囊藻毒素时，所述光电化学适配体传感器中特异性适配体探针的序列为5’-SH-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TACCCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3’，所述微囊藻毒素的浓度与光电流变化的检测线性回归方程为：
I(μA)＝0.6843lg(CMC-LR)+1.7726 (1)
式(1)中，I表示峰电流与背景峰电流的差值，单位为μA；CMC-LR为待测溶液中MC-LR的浓度，单位为pM；式(1)的相关系数R2＝0.997，MC-LR检测线性范围为0.05nM～100pM，检测下限为0.01pM。
上述的应用，进一步改进的，所述反应的时间为0.5h～1h；所述测试过程中，偏压设置为0V，每隔20s进行开关灯。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种光电适配体传感器，包括三电极系统中用作工作电极的导电玻璃电极(如氧化铟锡导电玻璃电极)，其中导电玻璃电极的反应端表面修饰有由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料组成的复合膜，复合膜表面自组装有识别和捕获目标物分子的特异性适配体探针，其中金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料包括负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片，负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片上修饰有金纳米颗粒，负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片是以石墨相氮化碳纳米片为载体，石墨相氮化碳纳米片上负载二氧化铈量子点。本发明中，如果待测水体中存在目标物分子，特异性适配体探针会特异性识别并捕获目标物分子。此时，电极上聚集的光生空穴与羟基自由基便会与目标物分子发生氧化还原反应，促进电极上光生电荷的传递，且光电流信号随着目标物浓度的增加而增大，从而达到检测目标物的目的。本发明中，将金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料作为功能型材料用于制备光电化学适配体传感器的工作电极，不仅可减少电极制备步骤，且能够提高光电化学适配体传感器的灵敏度；由于金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料具有分散性能好、生物相容性高等优点，可以提高更多的活性位点和适配体的负载位点，最小化电子扩散距离，极大地促进电子和空穴的分离，从而提高光电化学适配体传感器的光电化学分析性能，同时得益于二氧化铈量子点与金纳米颗粒的协同放大作用以及其较高的电导性、良好的热稳定性，提高了光能利用率，促进电子和空穴分离，很大程度上提升了光电化学适配体传感器的灵敏度，降低了信噪比，从而使得光电化学适配体传感器具有宽的检测范围和低的检测极限。本发明中，特异性适配体探针具有高特异性、结合能力强、高稳定性等优点，是一种抗干扰能力强的识别元件。本发明光电化学适配体传感器具有稳定性高、使用寿命长、抗干扰能力强、检测范围宽、检测极限低等优点，可实现对水体和生物体等介质中目标物(如藻毒素)的特异性检测，利用率高，有着很好的使用价值和应用前景。
(2)本发明光电化学适配体传感器中，采用的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料中，石墨相氮化碳纳米片具有制备简单、环境友好、可控性高、稳定性高等优点，将二氧化铈量子点修饰在石墨相氮化碳纳米片上，可以提高石墨相氮化碳纳米片对可见光的吸收能力，进一步提升石墨相氮化碳纳米片的材料的光催化效果，且二氧化铈量子点具有立方萤石结构，存在大量的氧空位，氧空位的形成伴随着Ce4+与Ce3+之间的转换，使其具备独特的氧化还原性能，且氧空位的存在可以提升材料的光电性能，进一步抑制光生电子空穴对的复合率；金纳米颗粒是一种优良的电子导体，具有等离子体共振效应(SPR)，将金纳米颗粒修饰在负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片表面，可以充分提高材料在近红外光的响应程度，从而增强其光能利用率；同时，金纳米颗粒作为石墨相氮化碳纳米片与二氧化铈量子点之间的电子桥，改变原有的电子传递路径，构成Z型异质结，从而改变传统II型异质结中电子空穴的聚集位置，使得光生电子和空穴分别在高电位的能带上聚集，提高了电子空穴的氧化还原能力，进而使复合材料具有更强的光电能力，另外，本发明中，CeO2量子点均匀地分布在g-C3N4纳米片上，这种组合巧妙地避免了量子点的聚集效应，保证了复合材料的催化能力，同时，CeO2量子点中氧缺陷的存在以及Ce4+与Au纳米颗粒的协同作用使得复合材料的氧化还原能力得到进一步提高，从而极大地提高材料的光电化学性能。本发明金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料中，采用金纳米颗粒和二氧化铈量子点共同修饰在石墨相氮化碳纳米片表面，可以使得材料具有较高的可见光吸收能力以及较好的光催化效应，具有光电能力强、光能利用率高、分散性能好、稳定性高等优点，是一种可以被广泛用于制备光电化学适配体传感器的新型功能材料，有着很高的使用价值和应用前景。
(3)本发明还提供了一种光电化学适配体传感器的制备方法，具有工艺简单、操作便捷、安全、成本低廉、无污染、制作效率高等优点，适合于大规模制备，有利于工业化应用。
(4)本发明光电化学适配体传感器的制备方法中，还包括金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料的制备方法，将负载有二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散于甲醇/水混合溶液中，加入氯金酸溶液进行光还原反应，使得金纳米颗粒原位修饰在石墨相氮化碳纳米片表面，从而制备得到光电能力强、稳定性高的复合材料。本发明制备方法制得的金纳米颗粒分散均匀，尺寸均一，从而使得形成的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料的稳定性好、光电化学性能强，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、不需要添加额外的化学辅助溶剂等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用。
(5)本发明还提供了一种光电化学适配体传感器在检测藻毒素中的应用，通过将含有藻毒素的溶液滴加到光电化学适配体传感器中导电玻璃电极(如氧化铟锡导电玻璃电极)的反应端表面进行反应，使光电化学适配体传感器上的特异性适配体探针对藻毒素分子进行特异性识别和捕获，然后以捕获藻毒素分子的导电玻璃电极作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，建立三电极系统；将三电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试，建立藻毒素浓度与光电流变化关系的检测线性回归方程；根据该检测线性回归方程计算待测溶液中藻毒素的浓度。特别地，采用本发明光电化学适配体传感器检测MC-LR时，该光电化学适配体传感器能够检测水体和生物体等介质中的MC-LR，提高了光电化学适配体传感器的利用率，且对于MC-LR的检测能获得较好的检测范围和检测极限，具有稳定性高、使用寿命长、检测范围宽、检测极限低、抗干扰能力强等优点，应用范围广、应用价值高。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例2中光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)、金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2QDs/Au/g-C3N4)的阻抗图。
图2为本发明实施例2中光电化学适配体传感器检测不同浓度MC-LR溶液时对应的光电流响应图。
图3为本发明实施例2中不同浓度的MC-LR与光电流变化关系的检测线性回归图。
图4为本发明实施例4中光电化学适配体传感器检测不同藻毒素时对应的光电流响应图。
图5为本发明实施例5中光电化学适配体传感器的稳定性对比图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中，若无特别说明，所采用的原料和仪器均为市售，所采用工艺为常规工艺，所采用设备为常规设备，且所得数据均是三次以上重复实验的平均值。
光源取自高亮度氙灯平行光源系统仪器，并以300W氙灯(北京泊菲莱)作为可见光源。用420nm滤光片滤掉氙灯的可见光。电化学实验使用CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，利用传统的三电极体系:修饰的导电玻璃电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极(所有电位均相对于SCE)。
实施例1
一种光电化学适配体传感器，包括三电极系统中用作工作电极的导电玻璃电极，导电玻璃电极的反应端表面修饰有复合膜，复合膜由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料组成，复合膜表面自组装有识别和捕获目标物分子的特异性适配体探针(可根据实际需要进行选择)，其中金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)，包括负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片，负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片上修饰有金纳米颗粒，负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片是以石墨相氮化碳纳米片为载体，石墨相氮化碳纳米片上负载二氧化铈量子点。
本实施例中，导电玻璃电极为氧化铟锡导电玻璃电极。
本实施例中，金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料中金纳米颗粒的质量百分含量为5％；负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片中二氧化铈量子点的质量百分含量为10％。
本实施例中，二氧化铈量子点的粒径≤20nm；金纳米颗粒的粒径为10nm。
本实施例中，通过水热反应法将二氧化铈量子点修饰在石墨相氮化碳纳米片表面，进一步通过光还原法使得金纳米颗粒均匀地分散在石墨相氮化碳纳米片表面。
一种上述实施例的光电化学适配体传感器的制备方法，包括以下步骤:
(1)将6.0g三聚氰胺粉体平铺于坩埚中，放置于马弗炉中，从室温升至520℃煅烧2h，继续升温至550℃煅烧2h，冷却，得到黄色产物，记为B-g-C3N4。
(2)称取3.0g步骤(1)中得到的黄色产物，平铺于坩埚中，放入马弗炉中，升温至550℃煅烧4h，得到石墨相氮化碳纳米片，记为g-C3N4。
(3)称取0.3g步骤(2)中得到的石墨相氮化碳纳米片与0.04g六水硝酸铈混合，溶解在60mL水中，超声30min，在搅拌条件下加入2mL NH3·H2O，得到混合溶液。将混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬，将聚四氟乙烯内衬放入匹配的钢套中，置于烘箱中从室温升至170℃，保持12h，待冷却至室温，将获得的淡黄色混合溶液在2500rpm的速率下进行离心，离心所得产物在60℃下烘干，得到负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片，记为CeO2QDs/g-C3N4。
(4)称取10mg步骤(3)中制备的负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片置于20mL甲醇/水混合溶液(该甲醇/水混合溶液由甲醇和超纯水混合制备得到，其中甲醇与超纯水的体积比为1∶5)中，混合均匀，得到负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液。将25μL氯金酸溶液(该氯金酸溶液中氯金酸和超纯水的质量体积比为1g∶120mL)加入到上述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液中，在避光条件下搅拌1h，在氙灯照射下进行光还原反应1h，生成金纳米颗粒并使金纳米颗粒修饰到石墨相氮化碳纳米片的表面，离心，干燥，得到金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料，记为CeO2 QDs/Au/g-C3N4。
(5)将4mg步骤(4)中制得的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)加入到1mL全氟磺酸/乙醇混合溶液(该混合溶液中全氟磺酸与乙醇的体积比为1∶1)中，混合均匀，超声35min，得到金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)悬浮液。
(6)将步骤(5)中得到的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)悬浮液均匀涂覆到处理干净的氧化铟锡(ITO)导电玻璃电极的反应端表面，形成由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)组成的复合膜，干燥后，得到CeO2 QDs/Au/g-C3N4修饰的氧化铟锡导电玻璃电极。
(7)将浓度为1.5μM的MC-LR特异性探针溶液(市购，根据不同目标物分子选择对该目标物分子具有识别和捕获目标物分子的特异性适配体探针)滴加到步骤(6)中得到的CeO2QDs/Au/g-C3N4修饰的氧化铟锡导电玻璃电极的反应端表面，置于4℃环境下孵育12h，清洗后加入到浓度为1mM的6-巯基乙醇溶液中保持35min，得到反应端表面结合有适配体和CeO2 QDs/Au/g-C3N4的氧化铟锡导电玻璃电极，完成对光电适配体传感器的制备。
一种上述本实施例的光电化学适配体传感器在检测藻毒素中的应用，其中光电化学适配体传感器中特异性适配体探针对藻毒素分子具有特异性识别和捕获功能，包括以下步骤∶
(a)将不同浓度的藻毒素溶液滴加到光电化学适配体传感器中ITO导电玻璃电极的反应端表面，在60℃下反应1h，使光电化学适配体传感器上的特异性适配体探针对藻毒素分子进行特异性识别和捕获。
(b)以上述本实施例制备方法步骤(7)中捕获藻毒素的ITO导电玻璃电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为对电极，建立三电极系统。
(c)将三电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试，建立藻毒素浓度与光电流变化关系构建检测线性回归方程。
(d)根据检测线性回归方程计算待测溶液中藻毒素的浓度。
对本发明实施例1中制得的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)、石墨相氮化碳纳米片(g-C3N4)、负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片(CeO2 QDs/g-C3N4)进行透射电镜成像分析。结果表明，石墨相氮化碳呈现出典型的片层结构，表面不光滑。二氧化铈量子点均匀地分布在石墨相氮化碳纳米片的表面，尺寸极小且均一，且很好地与石墨相氮化碳纳米片复合在一起金纳米颗粒均匀地分散在石墨相氮化碳纳米片表面，且其颗粒尺寸均一，粒径为10nm，说明金纳米颗粒的成功制备，且金纳米颗粒与负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片很好地复合在一起。
实施例2
一种用于检测微囊藻毒素(MC-LR)的光电化学适配体传感器，包括三电极系统中用作工作电极的导电玻璃电极，导电玻璃电极的反应端表面修饰有复合膜，复合膜由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料组成，复合膜表面自组装有识别和捕获目标物分子(MC-LR)的特异性适配体探针，其中金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)，包括负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片，负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片上修饰有金纳米颗粒，负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片是以石墨相氮化碳纳米片为载体，石墨相氮化碳纳米片上负载二氧化铈量子点。
本实施例中，导电玻璃电极为氧化铟锡导电玻璃电极；识别和捕获目标物分子(MC-LR)的特异性适配体探针的序列为5’-SH-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AATTAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3’。
本实施例中，金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料中金纳米颗粒的质量百分含量为5％；负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片中二氧化铈量子点的质量百分含量为10％。
本实施例中，二氧化铈量子点的粒径≤20nm；金纳米颗粒的粒径为10nm。
本实施例中，通过水热反应法将二氧化铈量子点修饰在石墨相氮化碳纳米片表面，进一步通过光还原法使得金纳米颗粒均匀地分散在石墨相氮化碳纳米片表面。
一种上述实施例的用于检测微囊藻毒素(MC-LR)的光电化学适配体传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将4mg实施例1中制得的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)加入到1mL全氟磺酸/乙醇混合溶液(该混合溶液中全氟磺酸与乙醇的体积比为1∶1)中，混合均匀，超声35min，得到金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)悬浮液。
(2)将步骤(1)中得到的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)悬浮液均匀涂覆到处理干净的氧化铟锡(ITO)导电玻璃电极的反应端表面，形成由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)组成的复合膜，干燥后，得到CeO2 QDs/Au/g-C3N4修饰的氧化铟锡导电玻璃电极。
(3)将浓度为1.5μM的MC-LR特异性探针溶液(市购。该溶液中MC-LR特异性探针的序列为5’-SH-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATGCCC CAT CTC CGC-3’)滴加到步骤(2)中得到的CeO2 QDs/Au/g-C3N4修饰的氧化铟锡导电玻璃电极的反应端表面，置于4℃环境下孵育12h，清洗后加入到浓度为1mM的6-巯基乙醇溶液中保持35min，得到反应端表面结合有适配体和CeO2 QDs/Au/g-C3N4的氧化铟锡导电玻璃电极，完成对光电适配体传感器的制备。
实施例2中制得的光电化学适配体传感器，记为aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO。
一种上述本实施例的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)在检测微囊藻毒素(MC-LR)中的应用，包括以下步骤：
(a)将不同浓度的MC-LR溶液(MC-LR浓度为0.05pM，0.1pM，1pM，10pM，102pM，103pM，104pM，105pM，106pM)滴加到实施例2中制得的光电化学适配体传感器的氧化铟锡导电玻璃电极反应端表面上，在60℃条件下培育20min，使光电化学适配体传感器上的适配体探针对MC-LR进行特异性识别和捕获。
(b)以步骤(a)中捕获MC-LR的氧化铟锡导电玻璃电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为对电极，建立三电极系统。将三电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试，建立MC-LR浓度与光电流变化关系构建检测线性回归方程。
(c)根据检测线性回归方程计算待测溶液中MC-LR的浓度。
对本发明实施例1中制得的金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)、实施例2中制得的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2QDs/Au/g-C3N4/ITO)在含0.1M KCl的5.0mM铁氰溶液([Fe(CN)6]3-/4-)中进行阻抗测试，结果如图1所示。图1为本发明实施例2中光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2QDs/Au/g-C3N4/ITO)、金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)的阻抗图。由图1可知，随着MC-LR特异性适配体探针修饰到CeO2QDs/Au/g-C3N4/ITO上，aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO电阻升高，说明MC-LR特异性适配体探针成功修饰到了CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO上。
图2为本发明实施例2中光电化学适配体传感器检测不同浓度MC-LR溶液时对应的光电流响应图。由图2可知，光电流随着MC-LR的浓度增加而增大。
图3为本发明实施例2中不同浓度的MC-LR与光电流变化关系的检测线性回归图。由图3可知，MC-LR与光电流变化关系的检测线性回归方程为：
I(μA)＝0.6767lg(CMC-LR)+1.8008 (1)
式(1)中，I表示峰电流与背景峰电流的差值，单位为μA；CMC-LR为待测溶液中MC-LR的浓度，单位为pM；式(1)的相关系数R2＝0.997，MC-LR检测线性范围为0.05nM～100pM，检测下限为0.01pM。
由此可见，由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)制得的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)可以用来检测MC-LR，并可根据检测线性回归方程计算待测MC-LR的浓度。
实施例3
为了进一步验证实施例2中光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)在实际应用中的检测效果，将该光电化学适配体传感器用于实际样品中的目标检测(测定方法参照实施例2)，进行回收率实验
采用实施例2中光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)分别检测桃子湖水、洞庭湖水以及实验室自来水中MC-LR的浓度，具体步骤为:将上述水样经过滤等预处理后，取上清液用磷酸盐缓冲溶液调节pH至7.5。样品(含有MC-LR)中目标物质的浓度参照表1，最后将该光电化学适配体传感器用于实际样品中的目标检测(测定方法参照实施例2)，进行回收率实验。测定结果列于表1中。
表1待测溶液的回收率验证结果
Figure BDA0002282861770000121
从表1中可以看出，本发明的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)在可测定的浓度范围内，回收率基本在98.8％～102.2％之间，测定结果理想，相比传统的检测技术，采用本发明光电化学适配体传感器的检测方法操作简单快速。
由表1可知，由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)制得的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)可用于检测水体中的MC-LR，能够获得较好的检测精度。
实施例4
考察实施例2的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)的抗干扰能力，现用实施例2中的光电化学适配体传感器分别对空白样品、浓度为100pM的微囊藻毒素(MC-YR)溶液、浓度为100pM的微囊藻毒素(MC-RR)溶液、浓度为100pM的节球藻毒素(nodularin)溶液、浓度为1pM的MC-LR溶液、以及MC-YR和MC-LR的混合溶液(该混合溶液中MC-YR的浓度为100pM,MC-LR的浓度为1pM)、MC-RR和MC-LR的混合溶液(该混合溶液中MC-RR的浓度为100pM,MC-LR的浓度为1pM))、nodularin和MC-LR的混合溶液(该混合溶液中nodularin的浓度为100pM,MC-LR的浓度为1pM))进行测试(测定方法参照实施例2)，分别编号为1,2,3,4,5,6,7,8，检测结果如图4所示。
图4为本发明实施例4中光电化学适配体传感器检测不同藻毒素时对应的光电流响应图。由图4可知，本发明实施例2中的光电化学适配体传感器(aptamer/CeO2 QDs/Au/g-C3N4/ITO)对MC-LR有较好的光电流响应，对其它藻毒素无光电流响应，这说明本发明光电化学适配体传感器具有较好的抗干扰能力。
实施例5
考察实施例2的光电化学适配体传感器的稳定性，分别将实施例2中的光电化学适配体传感器置于4℃冰箱中1个月和3个月，取出光电化学适配体传感器按照实施例2中的方法对MC-LR溶液(该溶液中MC-LR的浓度均为1pM)进行测试，测试结果如图5所示。图5为本发明实施例5中光电化学适配体传感器的稳定性对比图。图5，a/b/c分别表示光电适配体传感器在当下/储存1个月/储存3个月后获得的光电流曲线。由图5可知，本发明光电化学适配体传感器工作电极在保存1个月或者3个月后仍对MC-LR有较好的响应，对比于最初检测MC-LR的光电流响应值仍有98.6～99.3％，说明本发明光电化学适配体传感器稳定性好、使用寿命长。
上述检测结果表明，由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料(CeO2 QDs/Au/g-C3N4)制得的光电化学适配体传感器具有检测范围宽、检测极限低、抗干扰能力强等优点。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光电化学适配体传感器在检测藻毒素中的应用，其特征在于，包括以下步骤：将藻毒素溶液滴加到光电化学适配体传感器中导电玻璃电极的反应端表面进行反应，使光电化学适配体传感器中的特异性适配体探针对藻毒素进行特异性识别和捕获；以捕获藻毒素的导电玻璃电极作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，建立三电极系统；将三电极系统与电化学工作站连接，采用计时电流法在间歇光照下进行测试，建立藻毒素浓度与光电流变化关系构建检测线性回归方程；根据检测线性回归方程计算待测溶液中藻毒素的浓度；
所述藻毒素为微囊藻毒素时，所述光电化学适配体传感器中特异性适配体探针的序列为5’-SH-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCCCAT CTC CGC-3’，所述微囊藻毒素的浓度与光电流变化的检测线性回归方程为：
I (μA) = 0.6843 lg(CMC-LR) + 1.7726 （1）
式（1）中，I 表示峰电流与背景峰电流的差值，单位为μA；CMC-LR为待测溶液中MC-LR的浓度，单位为 pM；式（1）的相关系数R2=0.997， MC-LR检测线性范围为0.05 n M～100 pM，检测下限为0.01 pM；
所述光电化学适配体传感器，包括三电极系统中用作工作电极的导电玻璃电极，所述导电玻璃电极的反应端表面修饰有复合膜，所述复合膜由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料组成；所述复合膜表面自组装有识别和捕获目标物分子的特异性适配体探针；所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料包括负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片上修饰有金纳米颗粒；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片是以石墨相氮化碳纳米片为载体，所述石墨相氮化碳纳米片上负载二氧化铈量子点；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片中二氧化铈量子点的质量百分含量为10%；
所述光电化学适配体传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料悬浮液涂覆在导电玻璃电极的反应端表面，得到CeO2 QDs/Au/g-C3N4修饰的导电玻璃电极；
S2、将特异性适配体探针溶液滴加到步骤S1得到的导电玻璃电极的反应端表面进行孵育，再将6-巯基乙醇溶液滴加到导电玻璃电极的反应端电极表面进行培养，使特异性适配体探针通过金硫共价键固定在导电玻璃电极的反应端表面，完成对光电化学适配体传感器的制备；
步骤S1中，所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料由以下方法制备得到：
（1）将负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散于甲醇/水混合溶液中，得到负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片与甲醇/水混合溶液的质量体积比为1 mg∶2mL～4mL；所述甲醇/水混合溶液由甲醇和超纯水混合制得；所述甲醇和超纯水的体积比为1∶5～6；
（2）在避光条件下将步骤（1）中得到的负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液与氯金酸溶液混合，搅拌1 h～1.5 h，所得混合液在光照条件下进行光还原反应1 h～1.5 h，得到金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料；所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片分散液与氯金酸溶液的体积比为1∶0.0008～0.004；所述氯金酸溶液由氯金酸和超纯水混合制得；所述氯金酸和超纯水的质量体积比为1 g∶60 mL～120 mL；
步骤（1）中，所述负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片由以下方法制备得到：
（a）将三聚氰胺升温至500℃～550℃煅烧2 h，继续升温至550 ℃～600 ℃煅烧2 h，冷却，得到黄色产物；
（b）将步骤（a）中得到的黄色产物升温至550 ℃～600 ℃煅烧4 h，得到石墨相氮化碳纳米片
（c）将步骤（b）中得到的石墨相氮化碳纳米片、六水硝酸铈和水混合，超声30 min～40min，在搅拌条件下加入NH3·H2O，得到混合溶液；所述石墨相氮化碳纳米片与六水硝酸铈的质量比为1∶0.1～0.5；所述石墨相氮化碳纳米片与水的质量比为1∶150～250；所述NH3·H2O的体积与所述石墨相氮化碳纳米片、六水硝酸铈、水的体积之和的比值为1∶30～50；
（d）将步骤（c）中得到的混合溶液在温度为160 ℃～180 ℃下进行水热反应12 h～16h，在转速为2500 rpm~3500 rpm下进行离心，在温度为60 ℃下进行干燥，得到负载二氧化铈量子点的石墨相氮化碳纳米片。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述反应的时间为0.5 h～1 h；所述测试过程中，偏压设置为0 V，每隔20 s进行开关灯。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述导电玻璃电极为氧化铟锡导电玻璃电极；所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料中金纳米颗粒的质量百分含量为1%～20%；所述二氧化铈量子点的粒径≤20nm；所述金纳米颗粒的粒径为8 nm～10 nm。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤S1中，所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料悬浮液是由金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料分散于全氟磺酸/乙醇混合溶液中制得；所述金纳米颗粒/二氧化铈量子点共同修饰的石墨相氮化碳纳米片复合材料悬浮液的浓度为2 mg/mL～8 mg/mL；所述全氟磺酸/乙醇混合溶液中全氟磺酸、乙醇的体积比为1∶1；
步骤S2中，所述特异性适配体探针溶液的浓度为0.5 μM～2.5 μM；所述孵育在温度为3℃～5 ℃下进行；所述孵育的时间为10 h～12 h；所述6-巯基乙醇溶液的浓度为0.5 mM～1.5 mM；所述培养的时间为0.5 h～1 h。
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