CN113984684A - 一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用 Download PDF

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刘一镳
何广莉
徐庆
李米芳
张灵艳
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry

Abstract

本发明提供了一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用，构建了一种基于氧化锌‑聚多巴胺‑金纳米复合材料的超灵敏光电免疫传感器，用于阿尔茨海默症标志物的定量检测。聚多巴胺薄膜既可作为电荷分离的敏化剂，提高光电转换效率，还可用于原位沉积Au的还原剂，也可用于抗体的结合，提高抗体的载体量。将Au纳米颗粒负载到聚多巴胺薄膜表面，进一步提高了其电荷转移效率和可见光下的光电化学活性。因此，氧化锌‑聚多巴胺‑金纳米复合材料在该光电极上显著增强了光电流。在优化的条件下，所述光电免疫传感器在1pg/mL～100ng/mL范围内呈良好的线性关系，检测下限为0.26pg/mL。此外，该光电免疫免疫传感器还具有良好的选择性、稳定性和重现性。

Description

一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方 法与应用
技术领域
本发明涉及生物化学传感领域，尤其涉及一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用。
背景技术
阿尔茨海默症(AD)是一种不可逆的神经退行性疾病，主要发病于老年人中。根据已有报道，脑内淀粉样多肽沉积形成的淀粉样斑块是AD的主要病理特征。而脑内淀粉样斑块的主要成分为β-淀粉样蛋白(Aβ)，因此，Aβ被认为是AD早期诊断的重要生物标志物。正电子发射断层扫描、磁共振成像和分析脑脊液中Aβ水平是临床诊断AD的常规手段。然而，由于技术、成本和侵入性等原因，这些检测方法难以在公众中普及。因此，开发低成本、非侵入性的检测方法来准确地定量Aβ以用于AD的早期诊断是很有必要的。
目前，检测血液中AD生物标志物的方法很多，包括酶联免疫吸附试验(ELISA)、电化学检测、荧光生物传感器、表面增强拉曼光谱(SERS)和光电化学(PEC)免疫传感器等。其中，PEC生物传感器具有无标记、高信噪比、响应速度快、易于小型化等优点，是生物定量研究中一种新颖而有潜力的分析技术。
在PEC生物传感器的构建中，光电活性材料对获得优异的分析性能起着关键作用。各种半导体材料被用来构建PEC传感的光电极，其中氧化锌(ZnO)因其资源丰富、成本低、稳定性高等优点，成为应用最广泛的半导体光活性材料之一。然而，ZnO本身存在太阳光利用率低、电子空穴分离效率低等固有缺陷，不能满足PEC传感器灵敏检测的要求。
由于表面等离子体共振(SPR)效应，结合Au、Ag、Cu和Al等等离子体金属能够提高ZnO体系的光吸收范围和电荷分离效率。近年来，由于Au的局域表面等离子体共振(LSPR)效应和化学稳定性，WO3/Au、TiO2/Au和ZnO/Au等负载型Au材料已被用作PEC传感器的光活性材料。基于金纳米颗粒(Au NPs)的LSPR特性，金属-半导体界面对可见光的吸收增强、也能实现光生载流子的有效分离，所以可以产生显著的光电流输出信号。
实现金纳米颗粒在半导体表面附着的典型方法有光沉积法、化学气相沉积法、电化学沉积法和化学还原法。然而，这些沉积过程需要额外的能量、设备或还原剂来获得Au纳米颗粒，成本高昂，而且对环境有一定的污染。此外，对于PEC探测器而言，生物分子在光电极光活性材料上的高效固定也是获得优异分析性能的关键因素。对于ZnO/Au底物，抗体的固定化主要是通过Au-NH2键，但由于Au含量较低，固定化抗体的数量受到限制。
因此，现有技术还存在不足，因而设计一种高效的光电免疫传感器电极结构，使其能够同时促进抗体的固定化效率、Au的沉积和光电活性，是非常必要的。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用，旨在通过构建基于氧化锌-聚多巴胺-金纳米复合材料的超灵敏电极结构，提供一种高效的光电免疫传感器，使其能够同时促进抗体的固定化效率、Au的沉积和光电活性。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，包括步骤：
提供基底；
在所述基底上生长氧化锌纳米棒阵列，制备得到氧化锌纳米电极；
在所述氧化锌纳米电极上涂覆聚多巴胺，制备得到氧化锌-聚多巴胺纳米电极；
采用原位生长法在所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极上修饰金纳米颗粒，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极；
将检测阿尔茨海默症标志物的抗体偶联在所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，制备得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，在所述基底上生长氧化锌纳米棒阵列，制备得到氧化锌纳米电极包括步骤：
将所述基底浸泡在新鲜制备的5mM KMnO4溶液中，室温下浸泡30min；
彻底冲洗后，将所述基底放入含有0.1M Zn(NO3)2、氢氧化铵和乙二胺的前驱液中，在75℃水浴条件下反应3h；
反应完成后，将得到的氧化锌纳米电极用水漂洗，并在温和的氮气气流下干燥后备用。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，在所述氧化锌纳米电极上涂覆聚多巴胺，制备得到氧化锌-聚多巴胺纳米电极包括步骤：
将所述氧化锌纳米电极浸泡在含有聚多巴胺的10mM Tris-HCl溶液中，室温放置4h，然后用去离子水漂洗，将得到的氧化锌-聚多巴胺纳米电极储存在4℃以下备用。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，采用原位生长法在所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极上修饰金纳米颗粒，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极包括步骤：
将所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极浸泡在HAuCl4水溶液中孵育60min，孵育完成后用去离子水漂洗，将得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极储存在4℃备用。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，所述将检测阿尔茨海默症标志物的抗体偶联在所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，制备得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器包括步骤：
将检测阿尔茨海默症标志物的抗体滴加于所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极表面，室温孵育；
对孵育完毕后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行冲洗，除去物理吸附的多余抗体；
将冲洗之后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极置于封闭液中，封闭非特异性结合位点；
对封闭之后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行二次冲洗；
将检测阿尔茨海默症标志物的抗体对应的抗原蛋白滴在经过二次冲洗的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，室温孵育，实现抗体与抗原蛋白的免疫反应；
将经过免疫反应的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行三次冲洗，彻底洗涤后，即得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，所述检测阿尔茨海默症标志物的抗体包括Aβ抗体。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极之后，还包括步骤：对制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光电化学检测。
所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其中，所述对制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光电化学检测具体包括：
以制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极为工作电极，铂片为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，进行后续检测；
采用500W氙灯作为照射源，功率密度为100mW/cm2，对所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光强度测量；
在含有1mM抗坏血酸的PBS电解质中，以50mV/s的扫描速率，在-0.05～0.3V的电压范围内记录所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极的线性扫描伏安曲线；
在0.1Hz～100kHz频率范围内，幅度为5mV的开路电位下对所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行电化学阻抗谱检测；
在0.05V的外加电压下，每10s通断一次，采集所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极的光电流响应曲线。
第二方面，本发明还提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器，其中，所述光电免疫传感器如上任一所述制备方法制备而成。
第三方面，本发明还提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的应用，其中，将如上所述光电免疫传感器应用于阿尔茨海默症标志物的检测。
有益效果：本发明提供了一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用，构建了一种基于氧化锌-聚多巴胺-金纳米复合材料的超灵敏光电化学传感器，用于Aβ的定量检测。在该传感器系统中，PDA薄膜可以有效地吸收可见光，并作为光敏剂改善电荷分离，增强传感器的光捕获能力，而且还能够促进抗体在免疫传感器上的结合，提高固定化效率。此外，由于Au纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，通过原位沉积将Au纳米颗粒负载到PDA薄膜表面，将PDA核壳异质结构与Au纳米粒子的LSPR效应以及良好的导电性相结合，可以产生和分离出更多的光电载流子，有利于提高光吸收和光载流子产生能力，促进电荷转移过程，进一步提高了PDA薄膜的电荷转移效率和可见光下的光电化学活性。因此，ZnO@PDA/Au纳米复合材料在该光电极上显著增强了光电流，这得益于PDA和Au纳米粒子的协同作用，拓宽了光吸收范围，提高了光生电子·空穴对的分离效率。在优化的条件下，光电免疫免疫传感器在1pg/mL～100ng/mL范围内呈良好的线性关系，检测下限为0.26pg/mL。此外，该光电免疫免疫传感器还具有良好的选择性、稳定性和重现性。本发明提供的光电免疫传感器，不仅能快速、高效的检测阿尔茨海默症标志物，用于AD的早期诊断，而且也为其他生物标志物的光电化学免疫检测提供了一种检测思路。
附图说明
图1为本发明实施例中一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中电极的表征图。
图3为本发明实施例中电极的光电化学性能图。
图4为本发明实施例中光电免疫传感器的原理图。
图5为本发明实施例中光电免疫传感器的分析性能图。
具体实施方式
本发明提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，如图1所示，包括步骤：
S100、提供基底；
S200、在所述基底上生长氧化锌纳米棒阵列，制备得到氧化锌纳米电极；
S300、在所述氧化锌纳米电极上涂覆聚多巴胺，制备得到氧化锌-聚多巴胺纳米电极；
S400、采用原位生长法在所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极上修饰金纳米颗粒，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极；
S500、将检测阿尔茨海默症标志物的抗体偶联在所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，制备得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器。
在一些实施方式中，所述基底可选自ITO基底、FTO基底、金、银、铜等导电金属基底。
在一些具体的实施方式中，所述ITO基底的大小为2.5cm×1cm。
在一些实施方式中，在所述基底上生长氧化锌纳米棒阵列，制备得到氧化锌纳米电极包括具体步骤：
S201、将所述基底浸泡在新鲜制备的5mM KMnO4溶液中，室温下浸泡30min；
S202、彻底冲洗后，将所述基底放入含有0.1M Zn(NO3)2、氢氧化铵和乙二胺的前驱液中，在75℃水浴条件下反应3h；
S203、反应完成后，将得到的氧化锌纳米电极用水漂洗，并在温和的氮气气流下干燥后备用。
在PEC生物传感器的构建中，光电活性材料对获得优异的分析性能起着关键作用。本发明实施例采用氧化锌(ZnO)作为半导体光活性材料，ZnO纳米棒的一维结构以及较大的间隙可以提供较高的比表面积，有利于光的捕获和进一步的生物材料组装，而且还具有资源丰富、成本低、稳定性高等优点。
在一些具体的实施方式中，氢氧化铵溶液的体积比为1％-10％v/v，乙二胺溶液的体积比为0.3％-8％v/v。
优选的，氢氧化铵溶液的体积比为3％v/v，乙二胺溶液的体积比为1％v/v。
在一些实施方式中，在所述氧化锌纳米电极上涂覆聚多巴胺，制备得到氧化锌-聚多巴胺纳米电极包括步骤：
将所述氧化锌纳米电极浸泡在含有聚多巴胺的10mM Tris-HCl溶液中，室温放置4h，然后用去离子水漂洗，将得到的氧化锌-聚多巴胺纳米电极储存在4℃以下备用。
聚多巴胺(PDA)是一种具有独特性能的多功能生物相容性材料，在室温下，通过多巴胺在碱性水溶液中的自聚反应，PDA可以包覆在各种底物表面，具有很强的亲和力。经PDA包覆改性后的ZnO纳米棒表面比未修饰的ZnO纳米棒表面更加粗糙，形成了核/壳结构，而ZnO纳米棒的原始结构仍然保持不变。形成的粘附型PDA薄膜具有丰富的活性官能团(如邻苯二酚、胺、吲哚和醌等)，可作为生物分子固定化的交联剂和原位金属沉积的还原剂，能够很好的促进抗体在免疫传感器上的结合，提高固定化效率。此外，PDA还具有宽频带的光吸收特性，可以作为电子供体。因此，利用PDA构建PEC免疫传感器具有制备简单、成本低、无害化等优点。
在一些具体的实施方式中，Tris-HCl溶液的pH为8.5。
在一些实施方式中，采用原位生长法在所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极上修饰金纳米颗粒，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极包括步骤：
将所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极浸泡在HAuCl4水溶液中孵育60min，孵育完成后用去离子水漂洗，将得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极储存在4℃备用。
由于表面等离子体共振(SPR)效应，结合Au、Ag、Cu和Al等等离子体金属能够提高ZnO体系的光吸收范围和电荷分离效率。而基于金纳米颗粒(Au NPs)的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，金属-半导体界面对可见光的吸收增强，也能实现光生载流子的有效分离，可以产生显著的光电流输出信号。将Au纳米颗粒负载到PDA薄膜表面，可进一步提高PDA薄膜的电荷转移效率和可见光下的光电化学活性。
另外，本发明实施例通过原位沉积实现金纳米颗粒在半导体表面的附着，基于PDA涂层的还原作用，进一步利用氧化锌-聚多巴胺的原位沉积，可以将各种Au纳米颗粒均匀地附着在氧化锌-聚多巴胺电极的表面，极大的促进了Au的沉积。而且，该方法不需要额外的能量、设备或还原剂，成本低，且绿色环保。
在一些具体的实施方式中，先将0.2mL体积比为1％v/v的HAuCl4水溶液加入到10mL H2O溶剂中稀释，得到均一的HAuCl4水溶液，再浸泡电极。
在一些实施方式中，所述将检测阿尔茨海默症标志物的抗体偶联在所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，制备得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器包括步骤：
S501、将检测阿尔茨海默症标志物的抗体滴加于所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极表面，室温孵育；
S502、对孵育完毕后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行冲洗，除去物理吸附的多余抗体；
S503、将冲洗之后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极置于封闭液中，封闭非特异性结合位点；
S504、对封闭之后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行二次冲洗；
S505、将检测阿尔茨海默症标志物的抗体对应的抗原蛋白滴在经过二次冲洗的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，室温孵育，实现抗体与抗原蛋白的免疫反应；
S506、将经过免疫反应的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行三次冲洗，彻底洗涤后，即得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器。
在一些实施方式中，所述检测阿尔茨海默症标志物的抗体包括Aβ抗体。
在一些具体的实施方式中，所述检测阿尔茨海默症标志物的抗体包括Aβ40抗体或Aβ42抗体。
脑内淀粉样多肽沉积形成的淀粉样斑块是AD的主要病理特征，而淀粉样斑块中含量最丰富的是Aβ42蛋白和Aβ40蛋白。据相关报道，Aβ42在AD患者降低，而Aβ40呈上升的趋势。因此，Aβ40与Aβ42被认为是诊断阿尔茨海默症的有用生物标志物。
在一些实施方式中，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极之后，还包括步骤：对制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光电化学检测。
所有的PEC测试都是在CHI 760E电化学工作站上进行，采用标准的三电极系统，以所制备的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极为工作电极，铂(Pt)片为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极。
在一些具体的实施方式中，所述对制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光电化学检测具体包括：
采用装有AM 1.5G滤光片的500W氙灯作为照射源，功率密度为100mW/cm2，对所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光强度测量。
在含有1mM抗坏血酸(AA)的PBS(0.1M，pH＝7.4)电解质中，以50mV/s的扫描速率，在-0.05～0.3V的电压范围内记录所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极的线性扫描伏安曲线；
在0.1Hz～100kHz频率范围内，幅度为5mV的开路电位下对所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行电化学阻抗谱检测；
在0.05V的外加电压下，每10s通断一次，采集所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极的光电流响应曲线。
第二方面，本发明还提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器，其中，所述光电免疫传感器如上任一所述制备方法制备而成。
本发明构建的基于氧化锌-聚多巴胺-金纳米复合材料的超灵敏光电化学传感器，采用聚多巴胺(PDA)和金(Au)纳米颗粒对氧化锌(ZnO)纳米棒进行修饰。其中，PDA不仅可用于提高光电转换效率的增敏剂，还可用于原位沉积Au的还原剂；而且，PDA和Au纳米颗粒结合能提高抗体的载体量；Au纳米颗粒的局域表面等离子体效应和良好的导电性也有利于提高光吸收和光载流子产生能力。裸ZnO纳米棒在可见光区域的光吸收很弱，而PDA可以有效地吸收可见光，并作为光敏剂改善电荷分离，因而经过PDA外壳的均匀涂覆之后，氧化锌-聚多巴胺纳米电极的吸收范围扩展到了可见光区域，吸收强度增加。而将PDA核壳异质结构与Au纳米粒子的LSPR效应相结合，可以产生和分离出更多的光电载流子，促进电荷转移过程，提高光电免疫传感器对太阳光的利用率，从而改善PEC的活性。
不仅如此，用PDA和Au纳米颗粒修饰ZnO纳米棒可以提高其电化学性能。在光照条件下，利用PDA作为光敏剂，增强了传感器的光捕获能力；而修饰Au纳米颗粒后，因为Au的局域表面等离子体效应和良好的导电性有利于提高光吸收和光载流子产生能力，在相同电位下电极的光电流进一步增大。PDA和Au纳米粒子在ZnO表面的联合修饰带来的优异PEC性能，得益于PDA和Au纳米粒子的协同作用，拓宽了光吸收范围，提高了光生电子·空穴对的分离效率。
第三方面，本发明还提供一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的应用，其中，将如上所述光电免疫传感器应用于阿尔茨海默症标志物的检测。
在一些实施方式中，将所述光电免疫传感器应用于阿尔茨海默症标志物的检测下限为0.26pg/mL。
下面通过具体实施例对本发明一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用做进一步的解释说明：
实施例1
ZnO@PDA/Au电极的制备
1、在ITO基底上生长ZnO纳米棒阵列
首先将一块干净的大小为2.5cm×1cm的ITO浸泡在新鲜制备的5mM KMnO4溶液中，室温下浸泡30min。用去离子水彻底冲洗后，将ITO导电面朝下放入含有Zn(NO3)2(0.1M)、氢氧化铵(3％v/v)和乙二胺(1％v/v)的10mL前驱液中，在75℃水浴条件下反应3h。反应完成后，将所得的ZnO电极用水漂洗，之后在温和的氮气气流下干燥后备用。
2、在ZnO电极上涂覆PDA
将合成的ZnO电极浸泡在含有40mg聚多巴胺的20mL Tris-HCl溶液(10mM，pH＝8.5)中，室温放置4h，然后用去离子水轻轻漂洗几次。将得到的ZnO@PDA电极储存在4℃以下备用。
3、采用原位生长方法制备出修饰ZnO@PDA电极的Au纳米颗粒
将0.2mL的HAuCl4水溶液(1％v/v)加入到10mL的H2O溶剂中，得到均一的溶液；然后将制备的ZnO@PDA电极浸泡在溶液中孵育60min；孵育完成后，用去离子水轻轻漂洗，并将得到的ZnO@PDA/Au电极储存在4℃以下备用。
实施例2
ZnO@PDA/Au电极的表征
对实施例1制备的ZnO@PDA/Au电极进行形貌、结构和组成的表征测试
1、SEM检测电极的形貌特征
图2A为ZnO电极的SEM图像，由图可知在ITO玻璃上生长了大量的ZnO纳米棒，其长度约为1.2nm，直径小于200nm。ZnO纳米棒的一维结构以及较大的间隙可以提供较高的比表面积，有利于光的捕获和进一步的生物材料组装。
图2B为ZnO@PDA电极的SEM图像，经PDA包覆后，改性后的纳米棒表面比未修饰的ZnO纳米棒表面更加粗糙，说明PDA成功包裹了ZnO纳米棒，形成了核/壳结构，而ZnO纳米棒的原始结构仍然保持不变。
图2C为ZnO@PDA/Au电极的SEM图像，基于PDA涂层的还原作用，进一步利用ZnO@PDA原位沉积，可以观察到各种Au纳米颗粒均匀地附着在ZnO@PDA电极的表面。
2、EDS谱分析不同改性步骤后电极的元素组成
图2D为ZnO电极、ZnO@PDA电极和ZnO@PDA/Au电极的EDS谱，其结果表明，ZnO纳米棒主要含有Zn和O元素。PDA包覆后C元素含量增加，说明PDA已经成功包覆于ZnO纳米棒上。ZnO@PDA/Au电极独特的Au信号进一步证实了Au已成功沉积于涂层基底。
3、不同改性步骤后电极的结构分析的XRD图谱
图2E为ZnO电极、ZnO@PDA电极和ZnO@PDA/Au电极的XRD图谱，可以看到ZnO纳米棒在31.7°、34.5°、36.3°、47.6°和62.9°处有明显的衍射峰。而且，与原来的ZnO纳米棒相比，PDA包覆的ZnO纳米棒没有出现峰位变化和额外的峰，说明包裹PDA对其晶相没有影响。
4、紫外-可见漫反射光谱(DRS)测定电极的光学性质
图2F为ZnO电极、ZnO@PDA电极和ZnO@PDA/Au电极的UV-Vis吸收光谱。如图所示，裸ZnO在可见光区域的光吸收很弱。然而，由于PDA外壳的均匀涂层，ZnO@PDA的吸收范围扩展到可见光区域，吸收强度增加，表明PDA可以有效地吸收可见光，并作为光敏剂改善电荷分离。ZnO@PDA/Au在约560nm处有一个明显的吸收峰，属于Au纳米颗粒的SPR峰，说明将PDA核壳异质结构与Au纳米粒子的LSPR效应相结合，可以产生和分离出更多的光电载流子，这对提高PEC对太阳光的利用率起着至关重要的作用。
上述的测试结果，证实了ZnO@PDA/Au电极的成功合成。
实施例3
ZnO@PDA/Au电极的光电化学和电化学性能
采用线性扫描伏安法(LSV)、瞬态光电流法和电化学阻抗法(EIS)对实施例2制备的ZnO@PDA/Au电极进行电化学行为和光电流响应的测试。
1、外加电压在-0.05V到0.3V之间，记录了ZnO、ZnO@PDA和ZnO@PDA/Au电极在黑暗和光照下的LSV曲线。图3A所示为ZnO电极(a，d)、ZnO@PDA电极(b，e)和ZnO@PDA/Au电极(c，f)在模拟太阳光照射下的LSV曲线。由图可知，所有制备的光电极在黑暗条件下都显示出可以忽略的电流。ZnO@PDA/Au电极的电流密度略高于其他两种电极，说明用PDA和Au修饰ZnO可以提高其电化学性能。在光照条件下，利用PDA作为光敏剂，增强了传感器的光捕获能力；在ZnO@PDA上修饰Au纳米颗粒后，因为Au的局域表面等离子体效应和良好的导电性有利于提高光吸收和光载流子产生能力，在相同电位下电极的光电流进一步增大。以上结果表明，PDA和Au纳米粒子在ZnO表面的联合修饰可以带来优异的PEC性能。
2、在0.05V电压条件下测量了所制备电极的瞬态光电流响应。图3B所示为ZnO电极、ZnO@PDA电极和ZnO@PDA/Au电极对0.1V模拟太阳光开/关周期内的光电流响应。由图可知，ZnO@PDA具有较好的光电流响应强度，可以有效地实现PDA的光敏化。ZnO@PDA/Au电极具有最大的光电流，约为原始ZnO的5倍。ZnO@PDA/Au优异的光电化学性能得益于PDA和Au纳米粒子的协同作用，拓宽了光吸收范围，提高了光生电子·空穴对的分离效率。
3、利用电化学阻抗谱(EIS)研究了不同改性过程中电子转移电阻的变化。图3C所示为ZnO电极、ZnO@PDA电极和ZnO@PDA/Au电极交流阻抗谱。由图可知，与ZnO和ZnO@PDA相比，ZnO@PDA/Au电极的界面电子转移电阻最低。因此，PDA和Au纳米粒子的引入可以提高太阳能的捕光效率，促进电荷转移过程，从而改善PEC的活性。
实施例4
光电免疫传感器的构建
光电免疫传感器的制作步骤如图4所示，具体包括：
1、将0.02mL 10μg/mL的抗Aβ抗体滴加于实施例1制备得到的ZnO@PDA/Au电极上，在电极表面室温孵育1h；
2、用PBS溶液轻轻冲洗电极，除去物理吸附的多余抗体；
3、用PBS溶液配制1mg/mL的牛血清白蛋白(BSA)，将电极置于此BSA溶液中浸泡1h，封闭非特异性结合位点，并用PBS缓冲液彻底清洗；
4、将10μL不同浓度的Aβ蛋白(浓度范围1pg/mL～100ng/mL)滴在电极上，室温孵育1h，实现Aβ抗体与Aβ蛋白的免疫反应，之后用PBS缓冲液彻底洗涤；
5、通过瞬时光电流法采集不同浓度Aβ的光响应强度，最后得出光强度与Aβ浓度的关系，制备Aβ的标准曲线。
结果如图5A所示，从a到g是浓度为0.001～100ng/mL Aβ蛋白的光电流响应变化，随着Aβ浓度的增加，光电流逐渐减小。图5B所示为Aβ标准曲线。在1pg/mL～100ng/mL范围内，光电流强度(ΔI)与浓度(c)的对数呈线性关系。回归方程显示为ΔI＝0.538logc+2.226(R2＝0.992)，检测下限为0.26pg/mL。
实施例5
光电免疫传感器的分析性能
在生物应用中，免疫传感器的稳定性和特异性是成功构建免疫传感器的关键因素。对实施例4所制备的免疫传感器进行稳定性和特异性的测试。
1、传感器的稳定性
将实施例4所制备的免疫传感器与1pg/mL Aβ孵育，通过15个开/关周期的光照测试其光强度变化，以考察其稳定性。图5C为1pg/mL Aβ蛋白孵育的ZnO@PDA/Au电极稳定的光电流响应曲线。观察可知，光电流响应没有明显变化。
此外，将制备的免疫传感器保存在4℃条件下，2周后，光电流密度仍能保持其初始响应的90.1％。
以上结果证明，该传感平台具有优越的检测稳定性和存储稳定性。
2、传感器的特异性
为了评价制备的生物传感器的特异性，选择了Aβ40、人载脂蛋白E4(APOE4)、多巴胺和葡萄糖等几种浓度高达100倍的生物干扰物质进行检测。图5D所示为10ng/mL Aβ42在含有不同干扰物质的人血清中的光电流响应变化，其中包括(a)1000ng/mL Aβ40，(b)1000ng/mL APOE4，(c)1000ng/mL多巴胺，(d)1000ng/mL葡萄糖和(e)10ng/mL Aβ42。由图可知，与特异性靶标Aβ相比，该免疫传感器对干扰物质的光电流响应变化基本可忽略不计，这表明该免疫传感器具有良好的抗干扰能力和特异性。
综上所述，本发明提供了一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器及其制备方法与应用，构建了一种基于氧化锌-聚多巴胺-金纳米复合材料的超灵敏光电化学传感器，用于Aβ的定量检测。在该传感器系统中，PDA薄膜可以有效地吸收可见光，并作为光敏剂改善电荷分离，增强传感器的光捕获能力，而且还能够促进抗体在免疫传感器上的结合，提高固定化效率。此外，由于Au纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，通过原位沉积将Au纳米颗粒负载到PDA薄膜表面，将PDA核壳异质结构与Au纳米粒子的LSPR效应以及良好的导电性相结合，可以产生和分离出更多的光电载流子，有利于提高光吸收和光载流子产生能力，促进电荷转移过程，进一步提高了PDA薄膜的电荷转移效率和可见光下的光电化学活性。因此，ZnO@PDA/Au纳米复合材料在该光电极上显著增强了光电流，这得益于PDA和Au纳米粒子的协同作用，拓宽了光吸收范围，提高了光生电子·空穴对的分离效率。在优化的条件下，光电免疫免疫传感器在1pg/mL～100ng/mL范围内呈良好的线性关系，检测下限为0.26pg/mL。此外，该光电免疫免疫传感器还具有良好的选择性、稳定性和重现性。本发明提供的光电免疫传感器，不仅能快速、高效的检测阿尔茨海默症标志物，用于AD的早期诊断，而且也为其他生物标志物的光电化学免疫检测提供了一种检测思路。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供基底；
在所述基底上生长氧化锌纳米棒阵列，制备得到氧化锌纳米电极；
在所述氧化锌纳米电极上涂覆聚多巴胺，制备得到氧化锌-聚多巴胺纳米电极；
采用原位生长法在所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极上修饰金纳米颗粒，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极；
将检测阿尔茨海默症标志物的抗体偶联在所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，制备得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器。
2.根据权利要求1所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，在所述基底上生长氧化锌纳米棒阵列，制备得到氧化锌纳米电极包括步骤：
将所述基底浸泡在新鲜制备的5mM KMnO4溶液中，室温下浸泡30min；
彻底冲洗后，将所述基底放入含有0.1M Zn(NO3)2、氢氧化铵和乙二胺的前驱液中，在75℃水浴条件下反应3h；
反应完成后，将得到的氧化锌纳米电极用水漂洗，并在温和的氮气气流下干燥后备用。
3.根据权利要求1所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，在所述氧化锌纳米电极上涂覆聚多巴胺，制备得到氧化锌-聚多巴胺纳米电极包括步骤：
将所述氧化锌纳米电极浸泡在含有聚多巴胺的10mM Tris-HCl溶液中，室温放置4h，然后用去离子水漂洗，将得到的氧化锌-聚多巴胺纳米电极储存在4℃以下备用。
4.根据权利要求1所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，采用原位生长法在所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极上修饰金纳米颗粒，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极包括步骤：
将所述氧化锌-聚多巴胺纳米电极浸泡在HAuCl4水溶液中孵育60min，孵育完成后用去离子水漂洗，将得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极储存在4℃备用。
5.根据权利要求1所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，所述将检测阿尔茨海默症标志物的抗体偶联在所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，制备得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器包括步骤：
将检测阿尔茨海默症标志物的抗体滴加于所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极表面，室温孵育；
对孵育完毕后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行冲洗，除去物理吸附的多余抗体；
将冲洗之后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极置于封闭液中，封闭非特异性结合位点；
对封闭之后的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行二次冲洗；
将检测阿尔茨海默症标志物的抗体对应的抗原蛋白滴在经过二次冲洗的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极上，室温孵育，实现抗体与抗原蛋白的免疫反应；
将经过免疫反应的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行三次冲洗，彻底洗涤后，即得到所述检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器。
6.根据权利要求5所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，所述检测阿尔茨海默症标志物的抗体包括Aβ抗体。
7.根据权利要求1所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，制备得到氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极之后，还包括步骤：对制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光电化学检测。
8.根据权利要求7所述的检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的制备方法，其特征在于，所述对制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光电化学检测具体包括：
以制备得到的氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极为工作电极，铂片为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，进行后续检测；
采用500W氙灯作为照射源，功率密度为100mW/cm2，对所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行光强度测量；
在含有1mM抗坏血酸的PBS电解质中，以50mV/s的扫描速率，在-0.05～0.3V的电压范围内记录所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极的线性扫描伏安曲线；
在0.1Hz～100kHz频率范围内，幅度为5mV的开路电位下对所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极进行电化学阻抗谱检测；
在0.05V的外加电压下，每10s通断一次，采集所述氧化锌-聚多巴胺-金纳米电极的光电流响应曲线。
9.一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器，其特征在于，所述光电免疫传感器如权利要求1-8任一所述制备方法制备而成。
10.一种检测阿尔茨海默症标志物的光电免疫传感器的应用，其特征在于，将如权利要求9所述光电免疫传感器应用于阿尔茨海默症标志物的检测。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115318111A (zh) * 2022-08-15 2022-11-11 南京大学 一种同时去除废水中大分子污染物和离子污染物的材料及其制备方法

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