CN113176313B - 一种检测四环素的光电化学生物传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种基于CdTe‑BiOBr的直接Z型异质结光电化学生物传感器的制备方法及其应用。通过水相合成法将具有化学稳定性好、带隙窄等优点的BiOBr与可弥补BiOBr可见光吸收较弱缺陷的CdTe复合构筑新型高性能光敏复合材料‑直接Z型异质结，实现光电信号放大机制；进一步引入四环素适配体，实现四环素与适配体特异性识别，从而实现设计、构建高性能光电化学生物传感器对四环素的特异性检测，该传感器在10～1500pM内具有良好的线性范围，检出限为9.17pM。本发明构建的光电化学生物传感器背景信号低、灵敏度高、选择性好、为检测四环素提供良好的传感平台。

Description

一种检测四环素的光电化学生物传感器的制备方法
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体涉及一种基于直接Z型异质结的光电化学生物传感器的制备方法及其应用，可用于四环素(TC)的灵敏检测。
背景技术
四环素(TC)属于广谱抗菌药物，对革兰氏阳性菌、阴性菌等有很好的抑制作用，其在养殖业中作为饲料添加剂及防治病药物被广泛使用。由于四环素等抗生素的生产和使用日益增多，残留在环境中的抗生素已对生态和人类健康构成威胁。为此，兽药国际协调委员会(VICH)筹划指导委员会提出土壤抗生素生态毒害效应的触发值为100μg/kg。现如今有多种技术手段可对四环素进行检测，例如高效液相色谱串联质谱法、酶联免疫法。高效液相色谱串联质谱法具有准确度高、灵敏度高的优势，但因设备昂贵、耗时长且需要专业人员操作等因素而限制了其广泛使用；酶联免疫分析法操作简单、快速但易产生假阳性。因此，开发一种快速、灵敏、选择性强的光电化学传感平台是很有必要的。
光电化学传感主要采用电极界面上的光敏材料作为信号转换器，光作为激发源，电信号作为读出信号，不仅具有背景信号低的特点，而且兼具电化学操作简单、灵敏度高的优点。将具有化学稳定性好、带隙窄等优点的BiOBr与可弥补BiOBr可见光吸收较弱缺陷的CdTe相复合构筑新型高性能光敏复合材料-直接Z型异质结；进一步，结合四环素适配体-四环素特异性识别机制，设计、构建高性能光电化学生物传感器，提高光电化学传感器检测的灵敏度，实现对四环素的高灵敏、高特异性检测。
发明内容
本发明旨在通过CdTe与BiOBr相结合，实现优缺点互补并构成直接Z型异质结，提高光敏材料的可见光利用率，加快其电子-空穴分离效率，从而提高光电化学生物传感器的检测性能，构建特异性强、灵敏度高的光电化学传感检测平台，实现对四环素的精准检测。
通过如下技术方案实现本发明的目的：
一种检测四环素的光电化学生物传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)首先将Bi(NO3)3·5H2O溶解于乙二醇中，随后分别加入聚乙烯吡咯烷酮和KBr在一定温度下反应一段时间，然后转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中并将其放入干燥箱中在一定温度下反应一段时间，取出高压釜自然冷却至室温，收集BiOBr沉淀，洗涤去除杂质并烘干备用；
(2)NaBH4和碲粉混合于充满N2的超纯水中，继续通N2后在冰箱中反应一段时间得到NaHTe溶液；
(3)分别将步骤(1)制备的BiOBr与CdCl2·2.5H2O溶于超纯水中通氮气第一次搅拌一段时间，然后加入3-巯基丙酸并用氢氧化钠溶液调节pH，快速加入步骤(2)制备的NaHTe溶液继续第二次搅拌一段时间，将该溶液转移到三颈烧瓶中在一定温度回流一段时间得到CdTe-BiOBr异质结，回流在N2条件下进行，用乙醇洗涤后烘干备用；
(4)将氧化铟锡玻璃电极在NaOH溶液中煮沸，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声一段时间，最后在空气中干燥；
(5)将步骤(3)制备的CdTe-BiOBr异质结配制成溶液，修饰到步骤(4)预处理的氧化铟锡玻璃电极表面在孵育箱中干燥，该产品标记为CdTe-BiOBr/ITO；
(6)将壳聚糖修饰在步骤(5)所制得的CdTe-BiOBr/ITO传感器表面，随后将四环素适配体修饰在电极表面，并在一定温度下孵育一段时间，之后用PBS对产品进行清洗，该产品标记为aptamer/CdTe-BiOBr/ITO，为高灵敏检测四环素的光电化学生物传感器。
步骤(1)中，所述Bi(NO3)3·5H2O、聚乙烯吡咯烷酮和KBr的用量比例为1.6247g：0.1362g：0.5756g；该溶液在50℃反应15min后在干燥箱中120℃反应3h，取出沉淀分别用超纯水和乙醇洗涤三次，40℃烘干12h。
步骤(2)中，NaBH4和碲粉的用量比为0.0459g：0.0651g；在4℃冰箱中反应13h，溶液由淡紫色变为深紫色。
步骤(3)中，BiOBr、CdCl2·2.5H2O、3-巯基丙酸和NaHTe溶液的用量比例为0.0905g：0.1143g：75μL：2mL；氢氧化钠溶液调节pH到10-11，氢氧化钠溶液的浓度为1M；第一次搅拌时间为15min，第二次搅拌时间为10min；在100℃回流7h；60℃烘干2h。
步骤(4)中，氧化铟锡玻璃电极直径为6mm；NaOH溶液浓度为1M；煮沸20min，超声15min。
步骤(5)中，CdTe-BiOBr异质结溶液的用量为20μL，浓度为2mg/mL。
步骤(6)中，0.5％壳聚糖用量为10μL；适配体的用量为20μL，适配体的浓度为1-5μM；孵育温度为4℃，孵育时间为12h。
在本发明所制得的生物传感器表面修饰20μL不同浓度的四环素，四环素溶液的浓度为10-1500pM，室温下孵育时间为1-2.5h，其中，四环素浓度依次为10pM，30pM，50pM，100pM，500pM，1000pM，1500pM，之后用PBS对电极进行清洗。
本发明制得的传感器作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，由型号为PLS-SXM 300/300UV氙灯和CHI660E电化学工作站记录与检测光电化学信号。在0.1M PBS(pH＝7.0-7.4)缓冲溶液中进行测试，外加偏置电压为-0.3-0.1V。根据四环素浓度的对数值(logC)与光电化学信号的关系绘制工作曲线，从而实现对四环素的检测。
本发明的有益效果：
(1)CdTe与BiOBr具有合适的价带结构，构成新型直接Z型异质结，提高可见光利用率，加快电子-空穴分离效率，从而提高光电化学生物传感器检测性能。
(2)本发明引入特异性识别元件适配体，提高了光电化学生物传感器的选择性，降低了其它具有类似结构抗生素的干扰，实现对四环素的特异性分析。
(3)本发明构建的光电化学生物传感器用于四环素的检测，灵敏度高、选择性好，线性范围为10-1500pM，检测限为9.17pM。
附图说明
图1光电化学生物传感器构建过程；
图2光电化学生物传感器检测四环素的线性曲线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：实施例在本发明的技术方案为前提下进行，给出了详细实施步骤和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
按照图1所述的制备工艺：
(1)BiOBr纳米材料的制备：
首先将Bi(NO3)3·5H2O(1.6247g)溶解于乙二醇(30mL)中，随后分别加入聚乙烯吡咯烷酮(0.1362g)和KBr(0.5756g)在50℃反应15min并转移到特氟隆内衬的高压反应釜，将其放入干燥箱中于120℃反应3h，最后取出高压釜自然冷却至室温收集BiOBr沉淀，分别用超纯水和乙醇洗涤三次去除杂质，烘干备用。
(2)CdTe-BiOBr异质结的制备
首先将NaBH4(0.0459g)和碲粉(0.0651g)混合于通入15min N2的超纯水中，随后继续通N2 15min后溶液变为淡紫色，将溶液在4℃冰箱中放置13h后得到颜色为深紫色的NaHTe前驱体；将BiOBr(0.0905g)与CdCl2·2.5H2O(0.1143g)溶于超纯水中通氮气搅拌15min。然后加入3-巯基丙酸(75μL)并用氢氧化钠溶液(1M)调结pH10-11，快速加入NaHTe溶液(2mL)继续搅拌10min。最后将该溶液转移到三颈烧瓶中在100℃回流7h，所得CdTe-BiOBr用3-5倍体积的乙醇洗涤三次后烘干备用。
(3)氧化铟锡玻璃(ITO)电极的预处理：将ITO电极在1M NaOH溶液中煮沸20min，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声15min，最后在空气中干燥。
(4)取步骤(2)制备的CdTe-BiOBr异质结(2mg/mL)20μL修饰到步骤(3)预处理的ITO电极表面在孵育箱中干燥，该产品标记为CdTe-BiOBr/ITO。
(5)将10μL 0.5％壳聚糖修饰在步骤(4)所制得的传感器表面，随后将20μL 2μM的四环素适配体修饰在电极表面，并在4℃下孵育12h，之后用PBS对产品进行清洗，获得高灵敏检测四环素的光电化学生物传感器，记为aptamer/CdTe-BiOBr/ITO。
在上述所制得的生物传感器表面修饰20μL不同浓度的四环素，室温下绑定时间为1h，四环素浓度依次为10pM，30pM，50pM，100pM，500pM，1000pM，1500pM，之后用PBS溶液对电极进行清洗。本发明制得的传感器作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，由型号为PLS-SXM 300/300UV氙灯和CHI660E电化学工作站记录与检测光电化学信号。在0.1M PBS(pH＝7.4)缓冲溶液中进行测试，外加偏置电压为-0.2V。根据四环素浓度的对数值(logC)与光电信号的关系绘制工作曲线，从而实现对四环素的灵敏检测。
实施例2
(1)BiOBr纳米材料的制备：
首先将Bi(NO3)3·5H2O(1.6247g)溶解于乙二醇(30mL)中，随后分别加入聚乙烯吡咯烷酮(0.1362g)和KBr(0.5756g)在50℃反应15min并转移到特氟隆内衬的高压反应釜，将其放入干燥箱中于120℃反应3h，最后取出高压釜自然冷却至室温收集BiOBr沉淀，分别用超纯水和乙醇洗涤三次去除杂质，烘干备用。
(2)CdTe-BiOBr异质结的制备
首先将NaBH4(0.0459g)和碲粉(0.0651g)混合于通入15min N2的超纯水中，随后继续通N2 15min后溶液变为淡紫色，将溶液在4℃冰箱中放置13h后得到颜色为深紫色的NaHTe前驱体；将BiOBr(0.0905g)与CdCl2·2.5H2O(0.1143g)溶于超纯水中通氮气搅拌15min。然后加入3-巯基丙酸(75μL)并用氢氧化钠溶液(1M)调结pH10-11，快速加入NaHTe溶液(2mL)继续搅拌10min。最后将该溶液转移到三颈烧瓶中在100℃回流7h，所得CdTe-BiOBr用3-5倍体积的乙醇洗涤三次后烘干备用。
(3)氧化铟锡玻璃(ITO)电极的预处理：将ITO电极在1M NaOH溶液中煮沸20min，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声15min，最后在空气中干燥。
(4)取步骤(2)制备的CdTe-BiOBr异质结(2mg/mL)20μL修饰到步骤(3)预处理的ITO电极表面在孵育箱中干燥，该产品标记为CdTe-BiOBr/ITO。
(5)将10μL 0.5％壳聚糖修饰在步骤(4)所制得的传感器表面，随后将20μL 2μM的四环素适配体修饰在电极表面，并在4℃下孵育12h，之后用PBS对产品进行清洗，获得高灵敏检测四环素的光电化学生物传感器，记为aptamer/CdTe-BiOBr/ITO。
在上述所制得的生物传感器表面修饰20μL不同浓度的四环素，室温下绑定时间为1.5h，四环素浓度依次为10pM，30pM，50pM，100pM，500pM，1000pM，1500pM，之后用PBS溶液对电极进行清洗。本发明制得的传感器作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，由型号为PLS-SXM 300/300UV氙灯和CHI660E电化学工作站记录与检测光电化学信号。在0.1M PBS(pH＝7.4)缓冲溶液中进行测试，外加偏置电压为-0.2V。根据四环素浓度的对数值(logC)与光电信号的关系绘制工作曲线，从而实现对四环素的灵敏检测。
实施例3
(1)BiOBr纳米材料的制备：
首先将Bi(NO3)3·5H2O(1.6247g)溶解于乙二醇(30mL)中，随后分别加入聚乙烯吡咯烷酮(0.1362g)和KBr(0.5756g)在50℃反应15min并转移到特氟隆内衬的高压反应釜，将其放入干燥箱中于120℃反应3h，最后取出高压釜自然冷却至室温收集BiOBr沉淀，分别用超纯水和乙醇洗涤三次去除杂质，烘干备用。
(2)CdTe-BiOBr异质结的制备
首先将NaBH4(0.0459g)和碲粉(0.0651g)混合于通入15min N2的超纯水中，随后继续通N2 15min后溶液变为淡紫色，将溶液在4℃冰箱中放置13h后得到颜色为深紫色的NaHTe前驱体；将BiOBr(0.0905g)与CdCl2·2.5H2O(0.1143g)溶于超纯水中通氮气搅拌15min。然后加入3-巯基丙酸(75μL)并用氢氧化钠溶液(1M)调结pH10-11，快速加入NaHTe溶液(2mL)继续搅拌10min。最后将该溶液转移到三颈烧瓶中在100℃回流7h，所得CdTe-BiOBr用3-5倍体积的乙醇洗涤三次后烘干备用。
(3)氧化铟锡玻璃(ITO)电极的预处理：将ITO电极在1M NaOH溶液中煮沸20min，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声15min，最后在空气中干燥。
(4)取步骤(2)制备的CdTe-BiOBr异质结(2mg/mL)20μL修饰到步骤(3)预处理的ITO电极表面在孵育箱中干燥，该产品标记为CdTe-BiOBr/ITO。
(5)将10μL 0.5％壳聚糖修饰在步骤(4)所制得的传感器表面，随后将20μL 1μM的四环素适配体修饰在电极表面，并在4℃下孵育12h，之后用PBS对产品进行清洗，获得高灵敏检测四环素的光电化学生物传感器，记为aptamer/CdTe-BiOBr/ITO。
在上述所制得的生物传感器表面修饰20μL不同浓度的四环素，室温下绑定时间为2h，四环素浓度依次为10pM，30pM，50pM，100pM，500pM，1000pM，1500pM，之后用PBS溶液对电极进行清洗。本发明制得的传感器作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，由型号为PLS-SXM 300/300UV氙灯和CHI660E电化学工作站记录与检测光电化学信号。在0.1M PBS(pH＝7.4)缓冲溶液中进行测试，外加偏置电压为-0.2V。根据四环素浓度的对数值(logC)与光电信号的关系绘制工作曲线，从而实现对四环素的灵敏检测。
实施例4
(1)BiOBr纳米材料的制备：
首先将Bi(NO3)3·5H2O(1.6247g)溶解于乙二醇(30mL)中，随后分别加入聚乙烯吡咯烷酮(0.1362g)和KBr(0.5756g)在50℃反应15min并转移到特氟隆内衬的高压反应釜，将其放入干燥箱中于120℃反应3h，最后取出高压釜自然冷却至室温收集BiOBr沉淀，分别用超纯水和乙醇洗涤三次去除杂质，烘干备用。
(2)CdTe-BiOBr异质结的制备
首先将NaBH4(0.0459g)和碲粉(0.0651g)混合于通入15min N2的超纯水中，随后继续通N2 15min后溶液变为淡紫色，将溶液在4℃冰箱中放置13h后得到颜色为深紫色的NaHTe前驱体；将BiOBr(0.0905g)与CdCl2·2.5H2O(0.1143g)溶于超纯水中通氮气搅拌15min。然后加入3-巯基丙酸(75μL)并用氢氧化钠溶液(1M)调结pH10-11，快速加入NaHTe溶液(2mL)继续搅拌10min。最后将该溶液转移到三颈烧瓶中在100℃回流7h，所得CdTe-BiOBr用3-5倍体积的乙醇洗涤三次后烘干备用。
(3)氧化铟锡玻璃(ITO)电极的预处理：将ITO电极在1M NaOH溶液中煮沸20min，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声15min，最后在空气中干燥。
(4)取步骤(2)制备的CdTe-BiOBr异质结(2mg/mL)20μL修饰到步骤(3)预处理的ITO电极表面在孵育箱中干燥，该产品标记为CdTe-BiOBr/ITO。
(5)将10μL 0.5％壳聚糖修饰在步骤(4)所制得的传感器表面，随后将20μL 2μM的四环素适配体修饰在电极表面，并在4℃下孵育12h，之后用PBS对产品进行清洗，获得高灵敏检测四环素的光电化学生物传感器，记为aptamer/CdTe-BiOBr/ITO。
在上述所制得的生物传感器表面修饰20μL不同浓度的四环素，室温下绑定时间为2.5h，四环素浓度依次为10pM，30pM，50pM，100pM，500pM，1000pM，1500pM，之后用PBS溶液对电极进行清洗。本发明制得的传感器作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，由型号为PLS-SXM 300/300UV氙灯和CHI660E电化学工作站记录与检测光电化学信号。在0.1M PBS(pH＝7.0)缓冲溶液中进行测试，外加偏置电压为-0.2V。根据四环素浓度的对数值(logC)与光电信号的关系绘制工作曲线，从而实现对四环素的灵敏检测。
计算标准液中四环素浓度C与电流强度I的线性回归方程，方程公式为I＝53.4logC+254.3作为实际检测中的线性方程。通过图2可以看出提出的传感策略，针对四环素检测的线性范围为10pM-1500pM，跨越2个数量级。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种检测四环素的光电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)首先将Bi(NO3)3·5H2O溶解于乙二醇中，随后分别加入聚乙烯吡咯烷酮和KBr在一定温度下反应一段时间，然后转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中并将其放入干燥箱中在一定温度下反应一段时间，取出高压釜自然冷却至室温，收集BiOBr沉淀，洗涤去除杂质并烘干备用；
(2)NaBH4和碲粉混合于充满N2的超纯水中，继续通N2后在冰箱中反应一段时间得到NaHTe溶液；
(3)分别将步骤(1)制备的BiOBr与CdCl2·2.5H2O溶于超纯水中通氮气第一次搅拌一段时间，然后加入3-巯基丙酸并用氢氧化钠溶液调节pH，快速加入步骤(2)制备的NaHTe溶液继续第二次搅拌一段时间，将该溶液转移到三颈烧瓶中在一定温度回流一段时间得到CdTe-BiOBr异质结，回流在N2条件下进行，用乙醇洗涤后烘干备用；
(4)将氧化铟锡玻璃电极在NaOH溶液中煮沸，然后依次在无水乙醇和超纯水中超声一段时间，最后在空气中干燥；
(5)将步骤(3)制备的CdTe-BiOBr异质结配制成溶液，修饰到步骤(4)预处理的氧化铟锡玻璃电极表面在孵育箱中干燥，该产品标记为CdTe-BiOBr/ITO；
(6)将壳聚糖修饰在步骤(5)所制得的CdTe-BiOBr/ITO传感器表面，随后将四环素适配体修饰在电极表面，并在一定温度下孵育一段时间，之后用PBS对产品进行清洗，该产品标记为aptamer/CdTe-BiOBr/ITO，为高灵敏检测四环素的光电化学生物传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Bi(NO3)3·5H2O、聚乙烯吡咯烷酮和KBr的用量比例为1.6247g：0.1362g：0.5756g；该溶液在50℃反应15min后在干燥箱中120℃反应3h，取出沉淀分别用超纯水和乙醇洗涤三次，40℃烘干12h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，NaBH4和碲粉的用量比为0.0459g：0.0651g；在4℃冰箱中反应13h，溶液由淡紫色变为深紫色。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，BiOBr、CdCl2·2.5H2O、3-巯基丙酸和NaHTe溶液的用量比例为0.0905g：0.1143g：75μL：2mL；氢氧化钠溶液调节pH到10-11，氢氧化钠溶液的浓度为1M；第一次搅拌时间为15min，第二次搅拌时间为10min；在100℃回流7h；60℃烘干2h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，氧化铟锡玻璃电极直径为6mm；NaOH溶液浓度为1M；煮沸20min，超声15min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，CdTe-BiOBr异质结溶液的用量为20μL，浓度为2mg/mL。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，0.5％壳聚糖用量为10μL；适配体的用量为20μL，适配体的浓度为1-5μM；孵育温度为4℃，孵育时间为12h。
8.根据权利要求1-7所述制备方法制得的光电化学生物传感器用于检测四环素的用途，其特征在于，步骤如下：
(1)在所述光电化学生物传感器表面分别修饰不同浓度四环素溶液，在一定温度孵育一段时间，得到特异性识别检测的光电化学生物传感器界面；
(2)用三电极体系：氧化铟锡玻璃电极为工作电极，Pt对电极，Ag/AgCl参比电极，在CHI660E电化学工作站上通过时间—电流曲线检测步骤(1)中修饰不同的四环素溶液的光电化学生物传感器的电流强度；根据电流值和四环素浓度的对数关系建立标准曲线；
(3)根据步骤(2)中建立的标准曲线对处理后的土壤样品进行四环素加标检测。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，步骤(1)中，所述四环素溶液的浓度为10-1500pM，修饰的用量为20μL；所述孵育温度为40℃，时间为1-2.5h。
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