CN113376235A - 一种四环素光电化学适配体传感器的制备方法及其检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物传感检测技术领域，涉及一种四环素光电化学适配体传感器的制备方法及检测装置。具体为利用Bi2S3/g‑C3N4光敏材料的优异光电性能构建光电化学适配体传感器用于四环素的特异性检测。本发明中，利用Bi2S3光敏材料可见光吸收范围宽、带隙窄的优势，采用g‑C3N4掺杂形成Bi2S3/g‑C3N4异质结，通过抑制电子空穴重组，改善材料的光电化学性能，进而提高传感器的灵敏度。构筑的光电化学适配体传感器用于四环素检测的线性范围为0.01‑10nM，检测限为0.003nM。本发明构建的光电化学传感器灵敏度和选择性高、稳定性好，为实际样品中四环素的检测提供了良好的传感平台。进一步基于此传感平台，设计了一种便携式的光电化学检测装置，其操作简单、易于携带，拓宽了传感器的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于四环素检测领域，涉及一种便携式四环素光电化学适配体传感器的制备方法及其检测装置和检测方法。
背景技术
四环素，是一类含有骈四苯结构的广谱抗菌药物，其作为饲料添加剂被广泛的应用于养殖业、畜禽业、水生生物等领域。四环素的不规范使用会导致其在肉类产品中残留，并通过食物链在人体内蓄积从而影响人体骨骼牙齿生长，造成人体肝脏损伤。因此很有必要发展一种简单、快速、精确的四环素检测方法。
目前，常见的四环素检测的方法有色谱法(主要包括高效液相色谱串联紫外法，高效液相色谱串联质谱法等)和免疫分析法(主要包括酶联免疫分析法、胶体金免疫层析法)。色谱法是用于定性/定量检测四环素的最传统和最标准的方法，然而，昂贵的仪器和复杂的操作步骤限制了其在现场检测中的使用；免疫分析法，虽具有简单灵敏、特异性高等优点，但试剂盒一般重现性差、寿命短。因此，发展简便的分析方法用于四环素的精准检测很有必要。
光电化学适配体传感器是指在光照射下，利用电极界面的光敏材料为信号转换器，通过引入特异性元件适配体，产生受目标物影响的电信号。它具有其他方法无法比拟的优势，如：操作简单、背景信号小、特异性强、仪器易于便携化。由于光电化学适配体传感器的优良性能，其在食品、环境、医疗领域的痕量分析中具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明旨在利用Bi2S3光敏材料可见光吸收宽、带隙窄的优势，通过g-C3N4掺杂改善其光电化学性能，从而提高光电化学适配体传感器的检测性能，最终实现对四环素的高稳定性、高选择性及高灵敏度检测。针对目前实验室用电化学工作站和光源体积较大等不足，本发明提出了一种便携式的四环素光电化学检测装置。
一种检测四环素的光电化学适配体传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)g-C3N4纳米片的制备：
将10g的尿素加入方舟中，置于真空管式炉中反应，真空管式炉以5℃/min速率加热到550℃，并在550℃恒温4h，得到g-C3N4纳米片。
(2)Bi2S3/g-C3N4复合材料的制备：
将五水硝酸铋溶于乙二醇溶液中，磁力搅拌，使其完全溶解，得到溶液A,
将九水硫化钠溶于去离子水中，得到溶液B，
将尿素溶于去离子水中，得尿素溶液；
在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，得到黑色悬浮液，同时加入尿素溶液和步骤(1)制备的g-C3N4,搅拌，随后，将搅拌好的溶液，放入高压反应釜中，水热反应后，得到Bi2S3/g-C3N4复合材料；
进一步地，步骤(2)中，Bi2S3/g-C3N4复合材料的制备步骤具体为：将0.36g的五水硝酸铋溶于5mL的乙二醇溶液中，磁力搅拌30min，使其完全溶解，得到溶液A，将0.27g的九水硫化钠溶于6mL去离子水中，得到溶液B。将0.27g的尿素溶于4mL 去离子水中，在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，得到黑色悬浮液，同时加入尿素溶液和5mg g-C3N4,搅拌30min，随后，将搅拌好的溶液，放入高压反应釜中， 160℃水热反应12h，得到Bi2S3/g-C3N4复合材料。
(3)氧化铟锡(ITO)玻璃的预处理：将ITO玻璃(直径为6mm)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，在空气中干燥备用。
(4)将20μL 5mg/mL的Bi2S3/g-C3N4复合材料修饰到步骤(3)预处理的ITO玻璃电极表面，并在室温下干燥，此时，产品标记为Bi2S3/g-C3N4/ITO。
(5)将20μL 0.05％的壳聚糖修饰到步骤(4)所制备的电极表面，并在室温下自然晾干，此时，产品标记为CHIT/Bi2S3/g-C3N4/ITO。
(6)将20μL 2μM的四环素适配体修饰到步骤(5)所制备的电极表面，在4℃下孵育12h，此时，产品标记为APT/CHIT/Bi2S3/g-C3N4/ITO。
一种四环素光电化学检测装置，包括电源模块、光源模块、传感器模块、恒电位模块、数据输出模块,所述电源模块为整个装置供电，所述光源模块包括LED白光及其控制电路，所述传感器模块包括工作电极四环素光电化学适配体传感器,参比电极Ag/AgCl 电极用于检测实测电流信号，对电极为铂丝电极，所述恒电位模块包括微控制器、数据激励信号单元(DAC)、I/V放大电路、滤波电路、数据信号采集单元(ADC)、恒电位电路，所述数据输出模块用于信号数据输出显示。
在上述所制得的适配体传感器表面修饰不同浓度的四环素，室温下绑定时间为60-90min，四环素浓度依次为0.01、0.03、0.1、0.3、1、3和10nM，之后用PBS溶液对电极进行淋洗。本发明制得的传感器APT/CHIT/Bi2S3/g-C3N4/ITO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0.1V。根据四环素浓度的对数值(logCTC)与传感器光电化学信号的关系绘制工作曲线，从而实现四环素的检测。
一种便携式的四环素光电化学检测装置，其工作流程如下：
将传感器模块的工作电极置于0.1M PBS(pH＝7.4)缓冲溶液中进行测试，开启电源，由微控制器控制LED的亮灭，由微控制器施加0.1V偏置电压，恒电位电路保持工作电极和参比电极的电势差恒定，并同时对工作电极的电流进行电流-电压转换、信号放大、滤波和数据采集，并通过PC进行数据的处理与存储，输出四环素浓度信息。
本发明的有益效果：
1、Bi2S3作为性能优异的光敏材料，其与g-C3N4复合可提高材料的光电化学信号，进而提高光电化学适配体传感器的检测灵敏度。
2、本发明构建的光电化学适配体传感器，引入四环素特异性适配体，提高了传感器的选择性。
3、本发明构建的光电化学适配体传感器用于四环素的检测，具有灵敏度高、选择性好、稳定性好、线性范围宽(0.01-10nM)等优点；
4、本发明检测装置操作方法简单、易于携带，可以用于四环素的现场检测。
附图说明
图1为光电化学适配体传感器构建过程示意图。
图2为检测装置结构示意图。
图3(A)g-C3N4和(B)Bi2S3/g-C3N4的TEM图。
图4(A)适配体的浓度优化；(B)四环素的孵育时间优化。
图5(A)不同浓度四环素存在下传感器的光电化学信号：浓度依次为0.01,0.03,0.1, 0.3,1,3和10nM；(B)四环素浓度的对数与传感器光电化学信号之间的线性关系；图5(C)光电化学传感器的选择性，干扰物分别为磺胺二甲嘧啶、土霉素、氧氟沙星、金霉素、罗红霉素；(D)光电化学传感器连续扫描8圈的信号稳定性。
具体实施
下面结合具体实施例和说明书附图，进一步阐明本发明。
实施例一
(1)g-C3N4纳米片的制备：
将10g的尿素加入方舟中，置于真空管式炉中反应，真空管式炉以5℃/min速率加热到550℃，并在550℃恒温4h，得到g-C3N4纳米片。
(2)Bi2S3/g-C3N4复合材料的制备：
将0.36g的五水硝酸铋溶于5mL的乙二醇溶液中，磁力搅拌30min，使其完全溶解，得到溶液A，将0.27g的九水硫化钠溶于6mL去离子水中，得到溶液B。将0.27g 的尿素溶于4mL去离子水中，在磁力搅拌下，将溶液B缓慢加入溶液A中，得到黑色悬浮液，同时加入尿素溶液和5mg g-C3N4,搅拌30min，随后，将搅拌好的溶液，放入高压反应釜中，160℃水热反应12h，得到Bi2S3/g-C3N4复合材料。
(3)氧化铟锡(ITO)玻璃的预处理：将ITO玻璃(直径为6mm)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，在空气中干燥备用。
(4)将20μL 5mg/mL的Bi2S3/g-C3N4复合材料修饰到步骤(3)预处理的ITO玻璃电极表面，并在室温下干燥，此时，产品标记为Bi2S3/g-C3N4/ITO。
(5)将20μL 0.05％的壳聚糖修饰到步骤(4)所制备的电极表面，并在室温下自然晾干，此时，产品标记为CHIT/Bi2S3/g-C3N4/ITO。
(6)将20μL 2μM的四环素适配体修饰到步骤(5)所制备的电极表面，在4℃下孵育12h，此时，产品标记为APT/CHIT/Bi2S3/g-C3N4/ITO。
一种四环素光电化学检测装置，包括电源模块、光源模块、传感器模块、恒电位模块、数据输出模块,所述电源模块为整个装置供电，所述光源模块包括LED白光及其控制电路，所述传感器模块包括工作电极四环素光电化学适配体传感器,参比电极Ag/AgCl 电极用于检测实测电流信号，对电极为铂丝电极，所述恒电位模块包括微控制器、数据激励信号单元(DAC)、I/V放大电路、滤波电路、数据信号采集单元(ADC)、恒电位电路，所述数据输出模块用于信号数据输出显示。
在上述所制得的适配体传感器表面修饰不同浓度的四环素，室温下绑定时间为60-90min，四环素浓度依次为0.01、0.03、0.1、0.3、1、3和10nM，之后用PBS溶液对电极进行淋洗。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0.1V。根据四环素浓度的对数值(logCTC)与传感器光电化学信号的关系绘制工作曲线，从而实现四环素的检测。
一种便携式的四环素光电化学检测装置，其工作流程如下：
将传感器模块的工作电极置于0.1M PBS(pH＝7.4)缓冲溶液中进行测试，开启电源，由微控制器控制LED的亮灭，由微控制器施加0.1V偏置电压，恒电位电路保持工作电极和参比电极的电势差恒定，并同时对工作电极的电流进行电流-电压转换、信号放大、滤波和数据采集，并通过PC进行数据的处理与存储，输出四环素浓度信息。
从图3(A)TEM图中可以看出g-C3N4为较薄的片状结构，图3(B)TEM中可以看出Bi2S3为棒状结构分布在g-C3N4纳米片上。
从图4(A)可以看出随着适配体浓度的增加，光电流信号逐渐减少，这是适配体与电极表面的光敏材料结合量增加，由于适配体的固定产生空间位阻效应，导致光电流逐渐降低；2μM后，适配体在电极表面达到饱和状态，使得光电流基本保持稳定。
从图4(B)可以看出随着四环素孵育时间的增加，光电流信号逐渐增加，这是四环素与电极表面的四环素结合量增加，改变了适配体在电极表面的构型，导致光电流逐渐升高；90min后，四环素与适配体结合量达到饱和，导致光电流基本保持稳定。
从图5(A)可以看出，随着四环素浓度的增加，光电化学信号逐渐升高，这归因于四环素与其适配体在电极表面的特异性结合。
从图5(B)可以看出，光电化学信号与TC浓度的对数值(logCTC)绘制的标准曲线为I＝0.26logCTC+1.3(R2＝0.971)，线性范围为0.01-10nM，检测限为0.003nM。
从图5(C)中可以看出，其他抗生素(磺胺二甲嘧啶、土霉素、氧氟沙星、金霉素、罗红霉素)和四环素的混合物与单纯的四环素相比引起的光电化学信号变化可忽略不计，证明该光电化学适配体传感器具有良好的选择性。
从图5(D)中可以看出，通过考察电极的连续扫描8圈稳定性，光电流无明显变化，证明该光电化学适配体传感器具有良好的稳定性。
Claims (9)
1.一种四环素光电化学适配体传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)制备g-C3N4纳米片，备用；
(2)制备Bi2S3/g-C3N4复合材料，备用；
将五水硝酸铋溶于乙二醇溶液中，磁力搅拌，使其完全溶解，得到溶液A,
将九水硫化钠溶于去离子水中，得到溶液B，
将尿素溶于去离子水中，得尿素溶液；
在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，得到黑色悬浮液，同时加入尿素溶液和步骤(1)制备的g-C3N4,搅拌，随后，将搅拌好的溶液，放入高压反应釜中，水热反应后，得到Bi2S3/g-C3N4复合材料；
(3)氧化铟锡玻璃(ITO)电极经预处理后，备用；
(4)将制备的Bi2S3/g-C3N4复合材料修饰到步骤(3)预处理的氧化铟锡玻璃电极表面，并在室温下干燥，此时，产品标记为Bi2S3/g-C3N4/ITO；
(5)将制备的壳聚糖溶液修饰到步骤(4)所制得的传感器表面，用于防止传感器表面材料脱落并在室温下干燥，此时，产品标记为CHIT/Bi2S3/g-C3N4/ITO；
(6)将四环素适配体修饰到步骤(5)制得的传感器表面，通过与壳聚糖的静电吸附作用固定在电极表面，得到四环素光电化学适配体传感器，用于特异性识别四环素。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，首先将10g的尿素加入方舟中，置于真空管式炉中反应，真空管式炉以5℃/min速率加热到550℃，并在550℃恒温4h，得到g-C3N4纳米片。
3.根据权利要求一所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，
溶液A中，五水硝酸铋的浓度为0.072g/mL；
溶液B中，九水硫化钠的浓度为0.045g/mL；
尿素溶液的浓度为0.0675g/mL；
溶液A、溶液B、尿素溶液和g-C3N4的用量比例为5mL：6mL：4mL：5mg；
水热反应的温度为160℃，时间为12h。
4.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将直径为6mm的氧化铟锡玻璃电极在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。
5.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，Bi2S3/g-C3N4复合材料的浓度为5mg/mL，用量为20μL。
6.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，壳聚糖溶液浓度为0.05％,用量为20μL。
7.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，步骤(6)中适配体浓度为2μM；反应时间为12h，反应温度为4℃。
8.一种四环素光电化学检测装置，是利用权利要求1～8任一项所述制备方法制得的四环素光电化学适配体传感器制得的，其特征在于，所述检测装置包括电源模块、光源模块、传感器模块、恒电位模块、数据输出模块,所述电源模块为整个装置供电，所述光源模块包括LED白光及其控制电路，所述传感器模块包括工作电极四环素光电化学适配体传感器,参比电极Ag/AgCl电极用于检测实测电流信号，对电极为铂丝电极，所述恒电位模块包括微控制器、数据激励信号单元DAC、I/V放大电路、滤波电路、数据信号采集单元ADC、恒电位电路，所述数据输出模块用于信号数据输出显示。
9.如权利要求8所述的四环素光电化学检测装置，其特征在于，LED辐射在ITO电极表面的时间由微控制器控制；根据采集到的光电流信号输出四环素浓度。
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