CN113484389A - 一种黑磷量子点的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑磷量子点的制备方法及其应用。首先在N‑甲基吡咯烷酮溶液中研磨，然后在一定的温度下加热反应，最后通过两次离心分离得到黑磷量子点。所述黑磷量子点具有较强的光电信号，以其作为光电活性物质，利用血红素辅助增强阴极光电流，构建一种检测β‑淀粉样蛋白的光致电化学生物传感器。实现了对β‑淀粉样蛋白快速灵敏检测。
Description
技术领域
本发明属于零维纳米材料的制备与应用领域，具体涉及一种零维黑磷量子点的制备及其在阴极光致电化学生物传感器中的应用。
背景技术
黑磷量子点作为一种零维p型半导体材料，由于拥有独特的光/电性能而被广泛应用于光电子器件、药物输送、癌症治疗和生物分析等领域。作为一种直接带隙的半导体，黑磷量子点的能带在一定范围内可以调节。在紫外-可见光区黑磷量子点呈现强吸收性能，可以作为光催化剂使用。为了拓宽黑磷量子点的应用前景，本申请构建了一种检测β-淀粉样蛋白光致电化学传感器。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明采用溶剂热反应法制备了黑磷量子点，以其作为光电活性物质，利用血红素辅助增强阴极光电流，构建一种检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器。
术语“ITO”是指：氧化铟锡。术语“PLL”是指：聚赖氨酸。术语“Aβ40”是指：β-淀粉样蛋白(1-40)。术语“hemin”是指：氯化血红素。术语“heme”是指：氯化血红素溶于NaOH溶液中配制的溶液。术语“BP QDs”是指：黑磷量子点。术语“bulk BP QDs”是指：裸BP。术语“BPsheets”是指：BP纳米片。术语“large BP QDs”是指：大粒径BP QDs(12nm)。术语“small BPQDs”是指：小粒径BP QDs(5nm)。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种黑磷量子点的制备方法，具体包括以下步骤：
(101)取适量块状黑磷晶体，加入少量N-甲基吡咯烷酮溶液，研磨，将所得混合液转移至三口烧瓶，加入适量N-甲基吡咯烷酮，NaOH,氮气氛围保护下150℃搅拌加热；
(102)将步骤(101)得到的悬浮液在7000rpm/min的转速离心；
(103)收集步骤(102)得到的上清液，在10000rpm/min的转速下离心，沉淀分散在N-甲基吡咯烷酮溶液中，得到BP QDs分散液。
通过调整实验条件，步骤(103)中制备的BP QDs粒径范围为5-12nm，更优选地，所述BP QDs粒径为8nm。
本发明制备的黑磷量子点应用于光催化、电催化、电致化学发光等领域。
具体地，所述黑磷量子点用于构建检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器。
所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器的构建方法，具体包括以下步骤：
(1)将ITO电极分别在乙醇、水、乙醇中超声清洗，烘干后用封口膜固定工作电极面积；
(2)取适量黑磷量子点分散液滴在步骤(1)预处理后的电极上，真空过夜干燥，重复至少两次，增加黑磷量子点的负载；
(3)将适量聚赖氨酸溶液滴加在步骤(2)处理后的电极上，4℃孵育，使聚赖氨酸包覆黑磷量子点；
(4)用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺溶液在室温下偶联活化步骤(3)处理的电极；
(5)将适量末端带有氨基的DNA固定链溶液滴加在步骤(4)处理的电极上，37℃环境下孵育，使DNA固定链上的氨基与聚赖氨酸上的羧基结合；
(6)将适量Aβ40缓冲液和heme溶液混合，滴加在步骤(5)处理的电极，孵育一定时间；
所述DNA固定链序列为5ˊ–NH2–GCC TGT GGT GTT GGG GCG GGT GCG-3ˊ。
优选地，所述步骤(5)中末端带有氨基的DNA固定链与聚赖氨酸的反应时间为2-24小时；最优选地，反应时间为12小时。
优选地，所述步骤(6)中，heme的浓度范围为0.001mM-100mM，可以选择0.001mM、0.01mM、0.1mM、1mM、10mM、20mM、30mM、40mM、50mM、60mM、70mM、80mM、90mM、100mM，最优选为1mM。
优选地，步骤(5)中末端带有氨基的DNA固定链溶液的浓度为：1nM-0.1mM，可以选择10-9M、10-8M、10-7M、10-6M、10-5M、10-4M、10-3M；最优选为1μM。
优选地，所述步骤(6)中Aβ40和heme混合液与末端带有氨基的DNA固定链的反应时间为2-36小时；最优选地，反应时间为12小时。
优选地，所述生物传感器的PEC检测的偏置电压：-0.5V、-0.4V、-0.3V、-0.2V、-0.1V、0V；最优选地，所述偏置电压为-0.2V。
本发明的有益效果：
(1)所制备的黑磷量子点具有较强的光电信号，是一种较好的光电活性物质。
(2)本发明制备的生物传感器可以用于淀粉样蛋白的检测，在1.0fmol·L-1～100nmol·L-1范围内具有良好线性。
(3)Aβ40和heme结合作用，实现了对淀粉样蛋白检测中的光电信号放大功能，可以快速灵敏的实现对淀粉样蛋白的早期检测。
(4)本发明制备的生物传感器具有构建方法简单、成本低、生物相容性好等优点，拓展了对淀粉样蛋白检测的新方法。
附图说明
图1为实施例1制备的BP QDs分散在N-甲基吡咯烷酮中的紫外吸收光谱图；
图2为实施例1制备的BP QDs分散在N-甲基吡咯烷酮中的荧光发射光谱图；
图3为实施例1制备的BP QDs的透射电镜图；
图4为实施例1制备的BP QDs的XPS光谱图，包括全谱图(A)及P 2p谱图(B)；
图5为不同形貌的黑磷和不同粒径的黑磷量子点的光电流响应图；
图6为实施例2构建的PEC生物传感器对不同浓度的β-淀粉样蛋白的定量分析图(A)及相应的标准曲线(B)图。
图7为实施例2(with heme)和实施例3(without heme)构建的PEC生物传感器的光电流强度对比图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是公知的，但是本发明仍然在此作尽可能的详细描述。
除非特别指明，以下实施例中所用的β-淀粉样蛋白购自上海生工生物股份有限公司。β-淀粉样蛋白序列为：DAEFR HDSGY EVHHQ KLVFF AEDVG SNKGA ILGLM VGGVV。
除非特别指明，以下实施例中所用的水溶液的溶剂均为二次去离子水。
除非特别指明，以下实施例中所用的试剂均为分析纯试剂。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
试剂：
氢氧化钠、氯化血红素(hemin)和N-甲基吡咯烷酮均购自阿拉丁试剂有限公司。
黑磷(BP，99.998％)购自南京先锋纳米有限公司。
聚赖氨酸(PLL)购自Sigma试剂有限公司。
仪器：
激光粒度分析仪，购自英国马尔文仪器有限公司，型号Zetasizer Nano-ZS90。
荧光分光光度计，购自日本日立公司，型号F-2700。
X光电子能谱仪，购自美国赛默飞世尔科技，型号Thermo ESCALAB 250Xi。
电化学工作站，购自上海辰华仪器有限公司，型号CHI832B。
实施例1
本实施例涉及的BP QDs分散液的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取17.8mg黑磷颗粒，加入10mL N-甲基吡咯烷酮溶液，研磨20min。
(2)将步骤(1)得到的混合液转移至三口烧瓶中，加入190mL N-甲基吡咯烷酮，200mg NaOH,氮气氛围保护下150℃搅拌加热6h，得到深棕色溶液。
(3)将步骤(2)得到的溶液以7000rpm/min的速度离心30min，收集上清液继续以10000rpm/min的速度离心15min，沉淀分散在N-甲基吡咯烷酮溶液中，得到BP QDs分散液。
对制备的BP QDs进行了结构与光谱性能表征。图1显示了BP QDs在N-甲基吡咯烷酮溶液中的光学吸收光谱具有较宽的吸收峰；图2为BP QDs在N-甲基吡咯烷酮溶液中的荧光发射谱图，其最大发射峰位于550nm处；图3为BP QDs的透射电镜图，BP QDs的大小约为8nm；对制备的BP QDs的进行XPS分析，如图4所示，可以发现P元素的存在，这表明成功制备了BP QDs；如图5所示，裸BP、BP纳米片、大粒径BP QDs(12nm)和小粒径BP QDs(5nm)的光电信号很微弱，粒径为8nm的BP QDs显示出较高的光电流信号。
实施例2
Aβ的光致电化学检测：
(1)将ITO玻璃切割成0.5×4cm的电极，分别在乙醇、水、乙醇中超声清洗15min，放置37℃烘箱中烘干后用封口膜固定0.5×0.5cm的工作电极面积。
(2)移取实施例1制备的20μL BP QDs分散液滴在ITO电极上，真空过夜干燥，重复两次，即得BP/ITO电极。
(3)移取20μL，2mg/mL的PLL溶液滴加在BP/ITO电极上，4℃孵育12h，然后使用PBS缓冲液冲洗未结合的PLL，得到PLL/BP/ITO电极。
(4)用0.1M 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和0.025M N-羟基琥珀酰亚胺溶液在室温下活化PLL/BP/ITO电极1h，然后使用PBS缓冲液冲洗电极。
(5)移取20μL，1μM的末端带有氨基的DNA固定链滴加在PLL/BP/ITO电极上，37℃环境下孵育过夜，随后使用PBS缓冲液冲洗未结合的DNA，得到DNA/PLL/BP/ITO电极。
(6)取20μL，1％的牛血清白蛋白溶液滴加在DNA/PLL/BP/ITO电极上室温孵育1h，使用PBS缓冲液冲洗电极，得到BSA/DNA/PLL/BP/ITO电极。
(7)移取10μL不同浓度的Aβ40缓冲液与10μL，1mM heme溶液混合，滴加在BSA/DNA/PLL/BP/ITO电极上，37℃环境下孵育过夜，使用PBS缓冲液冲洗未结合的Aβ40和heme，得到PEC传感器。
图6为本实施例构建的PEC生物传感器对不同浓度的β-淀粉样蛋白的定量分析(A)及相应的标准曲线(B)，表明本发明制备的生物传感器可以用于淀粉样蛋白的灵敏检测。
实施例3
本实施例除步骤(7)其他均与实施例2相同。
(7)移取10μL不同浓度的Aβ40缓冲液，滴加在BSA/DNA/PLL/BP/ITO电极上，37℃环境下孵育过夜，使用PBS缓冲液冲洗未结合的Aβ40，得到PEC传感器。
对实施例2制备的含heme和实施例3制备的不含heme的PEC传感器做对比(图7)发现：BSA/DNA/PLL/BP修饰的电极呈现较小的光电流强度(-4.6nA)，然而，Aβ-heme/BSA/DNA/PLL/BP修饰的电极获得了更强的光电流强度(-33.6nA)。这说明引入Aβ-heme复合物后，血红素[Fe(III)]捕获了BP QDs光电阴极产生的光生电子被还原为血红素[Fe(II)]以增强光电流强度。同时也说明heme与β-淀粉样蛋白有很强的相互作用。
Claims (10)
1.一种黑磷量子点的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(101)取适量块状黑磷晶体，加入少量N-甲基吡咯烷酮溶液，研磨，将所得混合液转移至三口烧瓶，加入适量N-甲基吡咯烷酮，NaOH,氮气氛围保护下150℃搅拌加热；
(102)将步骤(101)得到的悬浮液在7000rpm/min的转速离心；
(103)收集步骤(102)得到的上清液，在10000rpm/min的转速下离心，沉淀分散在N-甲基吡咯烷酮溶液中，得到BP QDs分散液。
2.根据权利要求1所述的黑磷量子点的制备方法，其特征在于，所述BP QDs粒径为8nm。
3.权利要求1或2所述制备方法制备的黑磷量子点用于构建检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器。
4.一种权利要求3所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，构建方法具体包括以下步骤：
(1)将ITO电极分别在乙醇、水、乙醇中超声清洗，烘干后用封口膜固定工作电极面积；
(2)取适量黑磷量子点分散液滴在步骤(1)预处理后的电极上，真空过夜干燥，重复至少两次，增加黑磷量子点的负载；
(3)将适量聚赖氨酸溶液滴加在步骤(2)处理后的电极上，4℃孵育，使聚赖氨酸包覆黑磷量子点；
(4)用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺溶液在室温下偶联活化步骤(3)处理的电极；
(5)将适量末端带有氨基的DNA固定链溶液滴加在步骤(4)处理的电极上，37℃环境下孵育，使DNA固定链上的氨基与聚赖氨酸上的羧基结合；
(6)将适量Aβ40缓冲液和heme溶液混合，滴加在步骤(5)处理的电极，孵育一定时间；
所述DNA固定链序列为5ˊ–NH2–GCC TGT GGT GTT GGG GCG GGT GCG-3ˊ。
5.根据权利要求4所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，所述步骤(5)中末端带有氨基的DNA固定链与聚赖氨酸的反应时间为2-24小时。
6.根据权利要求4所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，所述步骤(5)中末端带有氨基的DNA固定链与聚赖氨酸的反应时间为12小时。
7.根据权利要求4所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，所述步骤(6)中，heme的浓度范围为0.001mM-100mM。
8.根据权利要求4所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，所述步骤(6)中，heme的浓度为1mM。
9.根据权利要求4所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，优选地，步骤(5)中末端带有氨基的DNA固定链溶液的浓度为：1nM-0.1mM；最优选为1μM。
10.根据权利要求4所述检测β-淀粉样蛋白材料的光致电化学生物传感器，其特征在于，所述步骤(6)中Aβ40和heme混合液与末端带有氨基的DNA固定链的反应时间为2-36小时；最优选地，反应时间为12小时。
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