CN113150559A - 一种硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物及双信号电化学生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物及双信号电化学生物传感器。粘蛋白1(MUC1)是本领域熟知的肿瘤标志物,然而生物样本中MUCI的含量较低,因此,建立一种高灵敏度的检测方法具有重要意义。本发明提供了一种MUC1的高灵敏生物检测方法,通过将Cu7S4和AuNPs锚定在基于卟啉基多孔有机聚合物上,通过Cu7S4和AuNPs锚定的卟啉基多孔有机聚合物和催化发夹组装(CHA),构建了超灵敏检测粘蛋白1的双信号电化学生物分析。上述生物传感器对MUC1的检测具有较高的灵敏度和选择性,在血清样品中能够保持良好的性能,在生物医学领域有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域,具体涉及一种硫化铜(Cu7S4)锚定的卟啉基多孔有机聚合物、所述有机聚合物作为电化学检测探针的应用,还包括应用所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物的双信号电化学生物传感器。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
测定疾病相关的生物标志物对于疾病的早期诊断、治疗效果的评估和疾病状态的控制至关重要。粘蛋白1(MUC1)是人们熟知的肿瘤生物标志物之一,在90%的乳腺癌和各种恶性肿瘤中均有异常表达。
通常,在生物样本中只存在微量MUC1,因此,建立可靠的、超灵敏的分析方法是非常重要的。截止到目前,有一系列的方法可用于MUC1检测,如荧光法、电化学发光、表面增强拉曼散射等等,虽然一定的价值,但通常需要昂贵的仪器。电化学分析具有较高的灵敏度、设备简单、反应迅速等优点,引起了人们的广泛关注。例如,Lin等提出了一种基于外切核酸酶I辅助靶标回收扩增策略,通过DPV对粘蛋白1进行测定。Wen等人开发了一种敏感的外核酸酶辅助扩增电化学适配体传感器,通过方波伏安法(SWV)检测MUC1。发明人认为,上述技术方案属于单信号检测模式,为了提供更多的信息、提高检测结果的准确性和精密度,有必要开发双信号电化学检测方法。
辣根过氧化物酶(HRP)具有高活性和底物特异性,通常作为生物催化剂放大指示信号被广泛应用于生物传感器中,但是其也有不可忽视的缺点,如不稳定、价格昂贵、难以回收等,这些严重限制了它的实际应用。为了克服这些缺点,技术人员设计了许多具有良好催化活性的类过氧化物酶。其中,金属卟啉作为过氧化物酶的催化活性中心,因其具有较高的催化活性和对人体较低的副作用而受到广泛关注。但是,金属卟啉在溶液中容易二聚和自降解,因此,将金属卟啉固定在支架中以提高其稳定性和保护活性中心是目前研究的热点之一。事实证明,这些策略有效地提高了卟啉材料的催化活性,但也引入了一些新的缺陷,如活性位点的稀释。另外,采用金属卟啉为单元来构建高度稳定的多孔有机框架也是一种很有前途的方法。在卟啉类多孔有机聚合物(PPOPs)中,金属卟啉作为活性位点被单独固定,并通过多孔骨架来稳定。这种独特的结构不仅提供了高密度的活性基团和超高的稳定性,避免了金属卟啉在水溶液中的失活,还具有永久性的纳米通道,有利于底物向活性中心的接近和转化。此外,比表面积较大的PPOPs可以为负载其他功能材料提供了丰富的位点,进而由于它们的协同作用,可以极大地放大其催化活性。由于这些优点,PPOPs在光催化、电催化、传感和仿生催化等方面表现出巨大的潜力。
纳米级硫化铜由于具有以下优点,其用于生物传感器的设计受到越来越多的关注:(1)硫化铜是较好的氧化还原物质,在不引入氧化还原介质的情况下也能表现出强烈的DPV信号。因此,不需要在电解质溶液中额外引入铁氰化钾、硫堇等氧化还原介质,从而避免了干扰和样品污染。(2)硫化铜自身具有良好的类过氧化物酶活性,可以催化H2O2的分解,并且通过CA检测表现出较高的灵敏度。(3)纳米级硫化铜可以很容易地固定在其他类过氧化物酶活性材料上,形成的复合材料进而协同增强的催化活性,极大的放大电化学信号。
发明内容
基于上述研究背景,本发明目的在于提供一种具有更高灵敏度的生物检测传感器,将Cu7S4和AuNPs锚定在基于卟啉基多孔有机聚合物上,制备了一种分级纳米复合材料(AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP)。该复合材料综合了PPOPs和硫化铜的特性,可直接用作电化学双信号探针和纳米放大器。首先,AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP表现出强烈的DPV信号,该信号可以被Cu/Mn-AzoPPOP催化H2O2而进一步放大。与此同时,AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP具有良好的协同催化H2O2活性,CA信号明显增强。结合这些独特的电化学性能与催化发夹组件(CHA),实现进一步放大DPV和CA信号,并利用超灵敏和高度选择性的MUC1。
基于上述技术效果,本发明提供以下技术方案:
本发明第一方面,提供一种硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述卟啉基多孔有机聚合物表面负载硫化铜(Cu7S4)及其他无机功能纳米材料。
在第一方面所述的多孔有机聚合物中,AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP可以作为双信号电化学探针,主要归因于其负载了大量的盘状Cu7S4纳米晶体(Cu7S4 NCs)。由于Cu/Mn-AzoPPOP和Cu7S4 NCs的协同作用以及AuNPs卓越的导电性,使得AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP在微分脉冲伏安法(DPV)和计时安培分析法(CA)中表现出了明显的类过氧化物酶活性和对H2O2分解的高灵敏度。
基于上述有机聚合物的类过氧化物酶活性,本发明联想到可将其应用于电化学传感器的探针,实现检测信号的放大。因此,本发明第二方面,提供第一方面所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物作为电化学检测探针的应用。
基于该思路,本发明进一步设计了靶向检测目标的适配体,并通过催化发夹组装与上述检测探针实现了检测信号的循环放大。提供了一种双信号电化学生物传感器,所述生物传感器包括第一方面所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物及催化发夹组件;
所述催化发夹组件包括适配体、捕获探针HP1及捕获探针HP2,所述适配体用于特异性结合检测目标,所述捕获探针HP1附着于电极表面,捕获探针HP2修饰所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物。
针对MUC1的高灵敏度检测,本发明通过Cu7S4和AuNPs锚定多孔有机聚合物(AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP),并与催化发夹组件(CHA)结合,实现MUC1的双信号、双放大的生物分析手段去检测MUC1。具体原因如下:(1)Cu7S4提供了强烈的DPV信号,该信号被Cu/Mn-AzoPPOP催化H2O2进而实现信号放大。(2)AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP对H2O2也产生了明显增强的CA信号,这是由于Cu/Mn-AzoPPOP和Cu7S4对H2O2具有良好的类过氧化物酶催化活性。(3)通过CHA的链位移反应实现MUC1靶标的多重效用。这些特殊的生物传感器特性使所构建的MUC1测定方法在较宽的线性浓度范围内表现出超灵敏和高选择性。
进一步的,本发明构建了超灵敏检测粘蛋白1(MUC1)的双信号电化学生物分析。基于MUC1和适配体之间的特异性识别,随后其被循环利用,进一步实现了的电化学信号放大。利用这些优势,本发明所制备的生物传感器对MUC1的检测具有较高的灵敏度和选择性,其范围从1fg/mL到10pg/mL,检出限分别为0.72fg/mL(DPV)和0.82fg/mL(CA)。
此外,该传感器在加入人体血清样品后仍能保持良好的性能,这就意味着该传感器在生物医学领域有着广阔的应用前景。具体的应用方式包括MUC1的检测试剂盒或肿瘤诊断试剂盒的开发,所述检测试剂盒中包括第一方面所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物或第三方面所述双信号电化学生物传感器。
以上一个或多个技术方案的有益效果是:
1、本发明所提供的Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其卟啉有机聚合物中卟啉亚基通过偶氮结构连接,所述Cu7S4及金纳米粒子通过共价键方式固定于有机聚合物材料上,因此AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的稳定性良好,可适应多种检测环境,并且Cu7S4及Cu/Mn-AzoPPOP都具有良好的过氧化物酶活性,作为一种检测探针具有良好的前景。
2、针对生物样品中MUC1含量较低的技术问题,本发明通过Cu7S4和AuNPs锚定多孔有机聚合物(AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP),并与催化发夹组件(CHA)结合,实现MUC1的双信号、双放大的分析检测,检测范围为1fg/mL~10pg/mL,检出限低至为0.72fg/mL(DPV)和0.82fg/mL(CA)。该策略还为双信号超灵敏电化学生物分析提供了一个的模型,证明了基于PPOPs的纳米复合材料是生物传感应用的优秀候选材料。
3、经本发明验证,上述生物传感器具有良好的特异性,不受检测环境中其他目标物的干扰,并且在血清样品中也能够实现检测作用,DPV和CA的回收率分别能够达到97.6%~103.4%和98.8%~103.8%,精确度和灵敏度良好,应用于医学领域的检测具有广阔前景。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明中所述生物传感器组装原理示意图;
图2为本发明中所述生物传感器检测原理示意图;
图3为实施例1中所述Cu/Mn-AzoPPOP的合成示意图;
图4为实施例1中所述Cu/Mn-AzoPPOP合成的FT-IR图像表征图;
其中,图4A为CuTPP(NO2)4(曲线a)、MnTPP(NH2)4(曲线b)和Cu-Mn-AzoPPOP(曲线c);
图4B为Cu/Mn-AzoPPOP的SEM图像;
图4C为Cu/Mn-AzoPPOP的氮吸附-解吸等温线;
图4D为Cu/Mn-AzoPPOP的紫外-可见-近红外漫反射光谱以及CuTPP(NO2)4和MnTPP(NH2)4在氯仿中的电子吸收光谱。
图5为实施例1中所述Cu/Mn-AzoPPOP合成过程的TEM及SEM图像;
图5A为Cu7S4的TEM图像
图5B为AuNPs的TEM图像;
图5C为AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的TEM图像;
图5D为AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的SEM图像;
图5E为AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的SEM-EDS元素映射;
图5F为Cu7S4和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的PXRD谱图。
图6为实施例1中所述Cu/Mn-AzoPPOP合成过程的表征谱图;
其中,图6A为Cu7S4(a)、Cu/Mn-AzoPPOP(b)、Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP(c)和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP(d)的紫外-可见吸收光谱;
图6B为加入H2O2前后AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP在0.1M PBS溶液(pH=4.5)中的DPV响应。
图6C为Cu7S4(a),Cu/Mn-AzoPPOP(b),Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP(c)and AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的响应谱图;测试条件:材料浓度(1mg/mL)、H2O2(5mM)、PBS(0.1M,pH=4.5)。
图7为实施例1中所述优化pH,HP1和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的浓度以及孵育时间;
其中,图7A为pH的优化结果;
图7B为HP1浓度的优化结果;
图7C为Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP浓度优化结果;
图7D为孵育时间优化结果。
图8为实施例1中构建的生物传感器表征结果图;
其中,图8A为对不同MUC1浓度从a到g(1,5,10,50,100,1000和10000fg/mL)的DPV响应图;
图8B为生物传感器对不同MUC1浓度的DPV校准曲线;
图8C为对不同MUC1浓度从a到g(1,5,10,50,100,1000和10000fg/mL)的CA响应图;
图8D为生物传感器对不同MUC1浓度的CA校准曲线。
图9为实施例1中所述生物传感器特异性检测结果;
其中,图9A为DPV检测结果;
图9B为CA检测技术;生物传感器对10fg/mL PNK、10fg/mL CEA、10fg/mL AFP、10fg/mL MUC1和10fg/mL混合物(PNK+CEA+AFP+MUC1)的响应;误差条=SD(n=5)。
图10为实施例1中所述10fg/mL的MUC1生物传感器的稳定性测试结果。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的,为了实现生物样本中MUC1的高灵敏度检测,本发明提出了一种硫化铜(Cu7S4)锚定的卟啉基多孔有机聚合物及应用所述有机聚合物的生物传感器。
本发明第一方面,提供一种硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述卟啉基多孔有机聚合物表面负载硫化铜(Cu7S4)及其他无机功能纳米材料。
上述技术方案中,所述卟啉基多孔有机聚合物为具有偶氮骨架的卟啉基多孔有机聚合物,通过偶氮连接卟啉单元,上述多孔有机聚合物可实现良好的稳定性,不受酸碱环境的影响。
进一步的,所述卟啉基多孔有机聚合物配位金属选自铜、锰或其组合。经验证,所述铜、锰掺杂作为配位金属能够有效提高所述有机聚合物的类过氧化物酶活性。
本发明一种效果较好的实施方式中,所述卟啉基多孔有机聚合物具体为一种Cu/Mn-AzoPPOP多孔偶氮有机聚合物,其中铜、锰含量分别为3.0~4.0%和3.~4.0%.
更进一步的,本发明还提供所述Cu/Mn-AzoPPOP的一种制备方法,具体步骤如下:将MnTPP(NH2)4、CuTPP(NO2)4溶于碱性DMF中,在氮气条件下加热进行制备。
经验证,上述方法制备得到的Cu/Mn-AzoPPOP因具有较高的比表面积、良好的生物相容性和类过氧化物酶活性,其较大的比表面积为Cu7S4和无机功能纳米材料提供了丰富的结合位点。
上述技术方案中所述硫化铜为纳米级硫化铜,优选的方案中,为硫化铜纳米晶体。本发明提供一种实施方式中,所述硫化铜纳米晶体为圆盘状,具体制备方法如下:将硬质酸铜、N,N-二丁基硫脲和油胺混合,在氮气的条件下加热进行制备。
上述方案中,所述无机功能纳米材料的主要作用在于通过导电性提高传感器的灵敏度,现有技术中具有导电作用的纳米材料均可以实现上述聚合物作为探针的应用。优选的方案中,所述无机功能纳米材料选自金纳米材料、银纳米材料、碳纳米材料或石墨纳米材料;所述纳米材料不受形状的限制,可行的方式包括纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米管、纳米花等,能够负载于所述多孔有机聚合物即可。
本发明提供的一种实施方式中,所述无机功能纳米粒为金纳米颗粒,制备方法如下:将柠檬酸三钠溶液加入沸腾的HAuCl4溶液中,待反应溶液变成酒红色停止,得到一种AuNPs的溶液。
上述技术方案的一种实施方式中,所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物具体为所述Cu/Mn-AzoPPOP表面负载Cu7S4和AuNPs,本申请文件中采用AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP进行表示,将Cu7S4及Cu/Mn-AzoPPOP加入所述AuNPs的柠檬酸溶液中搅拌一段时间进行制备,Cu7S4的S原子、AuNPs与Cu/Mn-AzoPPOP残留的NH2相互作用形成Au-S键或Au-N键从而实现负载效果。
进一步的,搅拌时间为8~10h。
进一步的,所述Cu7S4、Cu/Mn-AzoPPOP及AuNPs的柠檬酸溶液的加入比例为4~6mg:4~6mg:0.8~1.2mL。
本发明第二方面,提供第一方面所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物作为电化学检测探针的应用。
本发明第三方面,提供一种双信号电化学生物传感器,所述生物传感器包括第一方面所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物及催化发夹组件;
所述催化发夹组件包括适配体、捕获探针HP1及捕获探针HP2,所述适配体用于特异性结合检测目标,所述捕获探针HP1附着于电极表面,捕获探针HP2修饰所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物。
上述电化学生物传感器中,所述适配体包括检测目标结合序列及与捕获探针HP1的结合序列;所述捕获探针HP2包括与所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物的结合序列及与捕获探针HP1的结合序列。
本领域技术人员可根据检测目标获取所述适配体及捕获探针的具体序列,本发明一种实施方式中,提供一种针对MUC1的电化学生物传感器,所述电化学生物传感器中催化发夹组件的具体序列如下:
HP1(序列如SEQ ID NO:1所示):
TCAGCTGGATACCCTGGCCACACGAGTATCCAGCTGACCTTGC-NH2;
HP2(序列如SEQ ID NO:2所示):
TCAGCTGGATACTCGTGTGGCCAGGGTATCCCACGAGTATCC-SH;
Aptamer(序列如SEQ ID NO:3所示):
TCGTGTGGCCAGGGTATCCAGCTGAGCAGTTGATCCTTTGGATACCCTGG。
以MUC1检测为例,所述电化学传感器的反应原理如下:首先,用HP2修饰AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP,获得CHA信号探针(AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2)。在粘蛋白MUC1存在的情况下,可以把适配体的发夹结构打开,形成MUC1-适配体的结合复合物,并作为催化剂引发随后的CHA反应。随后,Au-GCE的HP1的发夹结构与MUC1-适配体复合物暴露的核苷酸片段杂交,形成了一条新的暴露片段的MUC1-适配体-HP1双链。紧接着,HP1新暴露的DNA片段可以与AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2相互作用,形成AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2-MUC1-适配体-HP1三段中间复合物。最后,通过链置换过程,MUC1-适配体从中间三部分复合物中释放出来,参与下一个靶标的循环。结果,大量的AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2在电极上组装成功。
AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP可以通过不同的测量模式产生两种信号。首先,在没有额外电子介质的存在情况下,Cu7S4表现出较强的差分脉冲伏安信号。与此同时,通过CA检测,Cu7S4对H2O2氧化还原也表现出良好的电催化活性。通过Cu/Mn-AzoPPOP和Cu7S4的协同催化H2O2分解,进而放大检测信号。除此之外AuNPs的导电性和CHA提高了传感器的灵敏度和线性响应范围,即:线性范围:1fg/mL至10pg/mL,低检测限:0.72fg/mL(DPV)和0.82fg/mL(CA)(S/N=3)。
所述AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP4-HP2的制备方法如下:
向发夹结构的HP2溶液中加入TCEP反应0.5~1.5h后将其加入AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP溶液中室温孵育10~14h,再加入2-巯基乙醇MCH继续孵育0.5~1.5h,离心获得固体部分并将其分散于Tris缓冲液中。
优选的,本发明提供所述电化学生物传感器检测MUC1的方法:将适配体与含有MUC1的检测目标混合待其形成MUC1-适配体结合复合物,将结合复合物与AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2(100μL)等量混合后,将混合溶液加在捕获探针HP1附着的电极上,室温孵育1~3h;将上述电极置于PBS溶液中,加入H2O2溶液后记录响应电流的变化情况。
另外,所述电化学生物传感器中,还应当包括构成所述电化学传感器的基本构件,具体的,如电极;上述电化学生物传感器中,所述电极具体为金纳米颗粒/玻碳电极(Au-GCE),所述捕获探针HP1附着在纳米金纳米颗粒/玻碳电极上,具体制备方法如下:将玻碳电极打磨清洗后置于HAuCl4溶液中通过电沉积方式得到Au修饰的电极表面,将HP1溶液滴在Au-GCE孵育14~18h后,用MCH封端得到一种捕获探针HP1附着的纳米金/玻碳电极(HP1/Au-GCE)。
本发明第四方面,提供一种MUC1的检测试剂盒,所述检测试剂盒中包括第一方面所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物或第三方面所述双信号电化学生物传感器。
本发明第五方面,提供一种肿瘤诊断试剂盒,所述肿瘤诊断试剂盒中包括第一方面所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物或第三方面所述双信号电化学生物传感器。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1双信号电化学生物传感器的制备及性能验证
一、双信号电化学生物传感器的制备
1、金纳米颗粒的合成
将HAuCl4溶液(wt.0.01%,100mL)放入250ml三颈烧瓶中,然后将溶液搅拌加热至沸腾。随后,立即将柠檬酸三钠溶液(wt.1%,2.5mL)加入上述反应体系中。当溶液变成酒红色时,随即反应停止,一边搅拌后一边降至室温。最后,将合成的AuNPs放在4℃冰箱中保存。
2、圆盘状Cu7S4NCs的合成
首先,将硬质酸铜(3mmol,1.891g)和N,N-二丁基硫脲(6mmol,1.130g)和油胺(10ml)放置在25ml三颈烧瓶中。然后N2气氛下加热至80℃反应1h,将得到反应物加入200mL乙醇/氯仿(1:1)混合溶液,离心得到粗Cu7S4,用超纯水和乙醇三次洗涤。最后,将制备的Cu7S4纳米晶体在70℃下干燥。
3、Cu/Mn-AzoPPOP多孔偶氮有机聚合物的合成
将MnTPP(NH2)4(0.45mmol,328.41mg)、CuTPP(NO2)4(0.225mmol,192.9mg)、DMF(29mL)和KOH(4.5mmol,252.5mg)溶解于50mL三颈烧瓶中。将混合物在氮气下鼓泡30分钟,以除去溶剂中的溶解氧。然后,充分搅拌,在150℃N2气氛下反应24h。待冷却至室温后,加入大量超纯水,继续搅拌1h。随后,分离得到黑色沉淀物,并且将其浸泡在DMF中24h。然后用DMF、THF、丙酮、超纯水依次洗涤,干燥。电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)分析表明,铜、锰含量分别为3.70%和3.53%。
4、AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的合成
Cu/Mn-AzoPPOP、Cu7S4和AuNPs能够结合在一起,是因为Cu/Mn-AzoPPOP具有较大的表面积,并通过Cu/Mn-AzoPPOP残留的NH2和Cu7S4的S原子与AuNPs相互作用形成Au-S键或Au-N键,因此,Cu7S4(50毫克)和Cu/Mn-AzoPPOP(50毫克)分散在AuNPs的柠檬酸溶液(10毫升,pH=4)中搅拌9h。最后,得到的AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP离心,洗涤,干燥。
5、AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2的构造
使用前,先将HP1(1μM,200μL)、适配体(2μM,100μL)和HP2(2μM,200μL)分别在95℃下变性5min,然后缓慢冷却至室温,以便形成发夹结构。
为了制备AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2,在冷却的HP2溶液中加入TCEP(50mM,0.4μL)反应1h,断开S-S键。然后,将上述溶液加入AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP溶液(1.2mgmL-1,1mL)中,室温孵育12h。为了阻断非特异性结合,再加入2-巯基乙醇MCH(1mM,200μL)孵育1h。最后,通过离心分离得到的AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2分散于200μLTri-HCl(1M,4μL)中。
6、电化学生物传感器的构造
使用前先用1.0、0.3、0.05μm的Al2O3抛光粉将玻碳电极打磨5min,然后用超纯水、乙醇、超纯水依次超声洗涤。最后,用N2吹干GCE。将玻碳电极置于HAuCl4溶液(wt.1.0%,10mL)中,以-0.2V电沉积30s得到Au修饰电极表面(Au-GCE)。
将HP1溶液(1μM,10μL)滴在Au-GCE,4℃孵育16h,洗涤后,用MCH(1mM,20μL)封端1h,洗涤。
在构建生物传感器前,将不同浓度的目标MUC1(100μL)与适配体(2μM,100μL)混合形成总体积为200μL的MUC1-适配体结合复合物。然后将MUC1-适配体(100μL)与AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2(100μL)等量混合,将混合溶液(10μL)滴入HP1/Au-GCE上,室温孵育2h,最后用超纯水冲洗干净。
7、电化学检测
首先采用计时安培分析法(CA)检测制备的生物传感器,在pH=4.5,01M的PBS中,在-0.4V等电位下进行扫描,当背景信号稳定的情况下,加入H2O2(5M,10μL)。溶液混合均匀后,记录响应电流的变化。然后,测量0.3V的DPV电流响应,在含H2O2(5mM)的PBS(pH=4.5,10mL)中扫描-0.2V至0.6V。
二、性能验证
1、Cu/Mn-AzoPPOP的结构特征
如图3、Cu/Mn-AzoPPOP的合成示意图所示,通过碱性条件下MnTPP(NH2)4和CuTPP(NO2)4金属卟啉耦合反应,制备了具有偶氮骨架的Cu/Mn-AzoPPOP。FT-IR证实了Cu/Mn-AzoPPOP的形成。如图4A所示,CuTPP(NO2)4(曲线a)中的-NO2和MnTPP(NH2)4(曲线b)中的-NH2特征峰分别出现在1343、1526、1603和3320cm-1处。当分子聚合后,这些特征峰强度明显减小(曲线c),说明卟啉的末端氨基和硝基参加了反应。与此同时,可以观察到卟啉的-N=N-(1388cm-1),N-Metal(1001cm-1)的吸收峰,这明显证实了偶氮连接卟啉基聚合物的成功制备。与可逆反应或不稳定反应构建的聚合物不同,偶氮连接聚合物是稳定的,不溶于酸性和碱性溶剂。TGA测试表明,Cu/Mn-AzoPPOP在470℃没有明显的质量损失。SEM和TEM图像(图5B)显示,Cu/Mn-AzoPPOP是多孔网络结构。通过氮吸附-解吸等温线对其多孔网络结构和孔隙率进行了评估。从图4C中可以看出,Cu/Mn-AzoPPOP与type-ΙΙ氮气脱附曲线一致。从氮气吸附数据可知,材料的Cu/Mn-AzoPPOP的BET和Langmuir表面积分别为125m2 g-1和238m2 g-1。从其合成来看,高密度的催化活性位点(卟啉单元)被整合到Cu/Mn-AzoPPOP的骨架中。这种多孔骨架不仅使材料本身可以作为催化剂暴露出更多的活性位点,而且为底物扩散提供了丰富的空间,构建了高活性的电子催化界面,装载了更多的Cu7S4纳米粒子。此外,与卟啉单体相比,Cu/Mn-AzoPPOP的吸收峰表现出极大的加宽和红移,如图4D所示。这是由于Cu/Mn-AzoPPOP中π离域延展造成的,表明Cu/Mn-AzoPPOP也具有优良的电导率。
2、Cu7S4 NCs和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的结构特征
图5A、B为单分散盘状Cu7S4 NCs和AuNPs的TEM图像。Cu7S4纳米晶的尺寸约为30nm,厚度约为4nm。从X射线衍射(XRD)得出,Cu7S4的衍射峰为31.2,46.8和48.9°与(1821)(0160)和(886)晶面一致(JCPDS no.23-0958)。从图5C,D中可以看出,AuNPs的大小约为18nm。当Cu7S4 NCs,AuNPs和Cu/Mn-AzoPPOP混合在一起,AuNPs和Cu7S4NCs通过Au-S和Au-NH负载在Cu/Mn-AzoPPOP的表面。AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的形貌与Cu/Mn-AzoPPOP相似。如预期的那样,AuNPs和Cu7S4 NCs均匀分布在Cu/Mn-AzoPPOP表面。从图5E中,也可以证实了这一点,即S、Cu、Mn和Au原子均呈均匀分布。从PXRD(图5F)可以看出,Cu/Mn-AzoPPOP负载后,Cu7S4纳米晶的晶体性质仍然基本保持不变。
3、AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP类过氧化物酶活性
通过H2O2和底物(3,3',5,5'-四甲基联苯胺TMB),研究了Cu7S4 NCs、Cu/Mn-AzoPPOP、Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的类过氧化物酶活性。从图6A可以看出,每一种材料都能催化TMB氧化生成蓝色产物(oxTMB),这表明它们都具有类似过氧化物酶的催化性能。相比于Cu7S4NCs+TMB+H2O2和Cu/Mn-AzoPPOP+TMB+H2O2,Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP+TMB+H2O2体系由于Cu/Mn-AzoPPOP与Cu7S4的协同催化作用,吸收强度显著增强。对于AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP,AuNPs的引入进一步提高了材料的导电性,Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP+TMB+H2O2体系表现出最高的催化活性,吸收强度最大。
4、AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP对H2O2的电催化活性
首先,采用差分脉冲伏安法(DPV)研究了Cu7S4、Cu/Mn-AzoPPOP、Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的电化学性能。由于Cu2+/Cu+偶联的可逆还原和氧化,Cu7S4 NCs/GCE、Cu/Mn-AzoPPOP/GCE和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP分别在0.1M pH4.5PBS中观察到典型的DPV信号。正如图1所示,由于Cu2+/Cu+偶联的可逆还原和氧化,Cu7S4NCs/GCE、Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP/GCE和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP/GCE分别在0.1M pH=4.5的PBS中可以观察到典型的DPV信号。从图6B可以看出,AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP/GCE的DPV信号强度显著增加(约138%)。这一结果表明H2O2的引入放大了Cu7S4的DPV信号,这主要是因为Cu/Mn-AzoPPOP和Cu7S4对H2O2的协同电催化作用以及AuNPs高的导电性放大了电流响应。用计时安培分析法(CA)进一步考察了AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP对H2O2的电催化活性。从图6C可知,AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP电流变化最大,与酶学实验一致,再次表明AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP可以协同增强H2O2的电催化活性。
5、表征生物传感器的逐步组装过程
为了获得MUC1的超灵敏生物传感器,对其pH、HP1和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的浓度以及孵育时间进行了优化。体系的pH不仅会影响适配体与电极表面修饰材料之间的亲和力,还会影响生物分子的活性。因此,首先对实验体系的pH值进行优化。如图7A所示,当pH从3.5-4.5升高时,DPV和CA电流信号均增大,当pH进一步升高时,DPV和CA电流信号反而下降。因此,MUC1的电化学检测的最佳pH=4.5。电极表面组装的捕获探针(HP1)和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP是提高生物传感器电化学性能的关键。然后对HP1和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的浓度进行优化。HP1和AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP的最佳浓度分别为1μM和1.2mg/mL。从图7D可以看出随着培养时间的增加,DPV和CA信号的变化也是先增加然后略微下降。因此,选择120min孵育时间最为合适。
6、MUC1电化学检测
从图8A、C可知,在最优的实验条件下,通过改变MUC1浓度观察DPV和CA的信号变化。从图7B,D可知,随着MUC1浓度的增加,DPV和CA信号增加。在MUC1浓度范围(1fg/mL~10pg/mL)内,DPV和CA对MUC1的响应呈良好的线性关系,且对应的线性方程分别为:ΔI(μA)=6.12+28.10lg c(fg/mL,R2=0.9952),ΔI(μA)=0.14+1.19lg c(fg/mL,R2=0.9972);相应的检出限(s/n=3)分别为0.72fg/mL和0.82fg/mL。将所设计的生物传感器与以往检测MUC1的生物传感器的分析性能进行比较(表1),包括灵敏度、线性范围、LOD。可以看出,本实施例提出的策略具有较宽的检测范围和较低的LOD,这归功于Cu/Mn-AzoPPOP和Cu7S4对H2O2的协同催化作用、CHA的循环放大和Au纳米粒子的优良导电性。
表1与其他MUC1检测传感器的比较
7、生物传感器的特异性、重现性和稳定性
为了评价该生物传感器的特异性,本实施例选择了三种干扰物质(PNK、CEA和AFP)。PNK、CEA、AFP、MUC1及混合物浓度为10fg/mL。在相同条件下孵育后,检测其电化学响应。如图9A,B所示,由于适配体与靶标的特异性识别,使得MUC1的CA和DPV信号明显高于PNK等干扰物质,这表明该生物传感器具有较高的特异性。然后,对该生物传感器的重现性进行了研究。如表S3所示,两种方法的RSD均小于6%,表明该生物传感器具有良好的重现性。此外,还对传感器的稳定性进行了评估。在4℃放置后,每5天测量一次,具体结果如图10所示,与初始响应相比,DPV和CA信号略有下降,证明所获得的生物传感器具有良好的长期稳定性。
8、人血清MUC1检测
为了评估生物传感器在实际应用中的可行性,本实施例通过标准添加法在模拟的真实样品中测量MUC1-10,100and 1000fg/mL,DPV和CA的结果见表2。DPV和CA的回收率分别为97.6%~103.4%和98.8%~103.8%。其相对标准偏差(RSD)均低于6.5%,表明其在MUC1的临床检测中具有巨大潜力。
表2用该生物传感器检测模拟真实血清样本中的MUC1
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
SEQUENCE LISTING
<110> 山东大学
<120> 一种硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物及双信号电化学生物传感器
<130> 2010
<160> 3
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 43
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 1
tcagctggat accctggcca cacgagtatc cagctgacct tgc 43
<210> 2
<211> 42
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 2
tcagctggat actcgtgtgg ccagggtatc ccacgagtat cc 42
<210> 3
<211> 50
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 3
tcgtgtggcc agggtatcca gctgagcagt tgatcctttg gataccctgg 50
Claims (10)
1.一种硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述卟啉基多孔有机聚合物表面负载硫化铜及其他无机功能纳米材料。
2.如权利要求1所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述卟啉基多孔有机聚合物为具有偶氮骨架的卟啉基多孔有机聚合物;
或,所述卟啉基多孔有机聚合物配位金属选自铜、锰或其组合;
进一步的,所述卟啉基多孔有机聚合物为一种铜、锰配位的多孔偶氮有机聚合物,其中铜、锰含量分别为3.0~4.0%和3.~4.0%;
更进一步的,本发明还提供所述Cu/Mn-AzoPPOP的制备方法,具体步骤如下:将MnTPP(NH2)4、CuTPP(NO2)4溶于碱性DMF中,在没有氧气的条件下加热进行制备。
3.如权利要求1所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述硫化铜为纳米级硫化铜;
优选的,为硫化铜纳米晶体;
进一步的,所述硫化铜纳米晶体为圆盘状,具体制备方法如下:将硬质酸铜、N,N-二丁基硫脲和油胺混合,在没有氧气的条件下加热进行制备。
4.如权利要求1所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述无机功能纳米材料选自金纳米材料、银纳米材料、碳纳米材料或石墨纳米材料;
优选的,所述纳米材料包括纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米管或纳米花;
进一步的,所述无机功能纳米材料为金纳米颗粒,所述金纳米粒颗粒制备方法如下:将柠檬酸三钠溶液加入沸腾的HAuCl4溶液中,待反应溶液变成酒红色停止,得到一种AuNPs的溶液。
5.如权利要求2-4任一项所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物,其特征在于,所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物具体为所述Cu/Mn-AzoPPOP表面负载Cu7S4和AuNPs,将Cu7S4及Cu/Mn-AzoPPOP加入所述AuNPs的柠檬酸溶液中搅拌一段时间进行制备;
优选的,搅拌时间为8~10h;
优选的,所述Cu7S4、Cu/Mn-AzoPPOP及AuNPs的柠檬酸溶液的加入比例为4~6mg:4~6mg:0.8~1.2mL。
6.权利要求1-5任一项所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物作为电化学检测探针的应用。
7.一种双信号电化学生物传感器,其特征在于,所述生物传感器包括权利要求1-5任一项所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物及催化发夹组件;
所述催化发夹组件包括适配体、捕获探针HP1及捕获探针HP2,所述适配体用于特异性结合检测目标,所述捕获探针HP1附着于电极表面,捕获探针HP2修饰所述Cu7S4锚定的卟啉基多孔有机聚合物。
8.如权利要求7所述双信号电化学生物传感器,其特征在于,双信号电化学生物传感器为检测MUC1的电化学生物传感器,所述电化学生物传感器中催化发夹组件的具体序列如下:
HP1:
TCAGCTGGATACCCTGGCCACACGAGTATCCAGCTGACCTTGC-NH2;
HP2:
TCAGCTGGATACTCGTGTGGCCAGGGTATCCCACGAGTATCC-SH;
aptamer:
TCGTGTGGCCAGGGTATCCAGCTGAGCAGTTGATCCTTTGGATACCCTGG。
所述电化学生物传感器检测MUC1的方法:将适配体与含有MUC1的检测目标混合待其形成MUC1-适配体结合复合物,将结合复合物与AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2等量混合后,将混合溶液加在捕获探针HP1附着的电极上,室温孵育1~3h;将上述电极置于PBS溶液中,加入H2O2溶液后记录响应电流的变化情况;进一步的,所述AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP-HP2的制备方法如下:向发夹结构的HP2溶液中加入TCEP反应0.5~1.5h后将其加入AuNPs@Cu7S4@Cu/Mn-AzoPPOP溶液中室温孵育10~14h,再加入2-巯基乙醇MCH继续孵育0.5~1.5h,离心获得固体部分并将其分散于Tris缓冲液中;
优选的,所述电化学生物传感器中,还包括构成所述电化学传感器的基本构件,具体的,包括电极;进一步的,所述电极具体为纳米金/玻碳电极,所述捕获探针HP1附着在纳米金/玻碳电极上,具体制备方法如下:将玻碳电极打磨清洗后置于HAuCl4溶液中通过电沉积方式得到Au修饰的电极表面,将HP1溶液滴在Au-GCE孵育14~18h后,用MCH封端得到一种捕获探针HP1附着的纳米金/玻碳电极。
9.一种MUC1的检测试剂盒,其特征在于,所述检测试剂盒中包括权利要求1-5任一项所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物或权利要求7或8所述双信号电化学生物传感器。
10.一种肿瘤诊断试剂盒,其特征在于,所述肿瘤诊断试剂盒中包括权利要求1-5任一项所述硫化铜锚定的卟啉基多孔有机聚合物或权利要求7或8所述双信号电化学生物传感器。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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