CN114113271A - 一种检测农药马拉硫磷的光电化学有机晶体管传感器的制备方法 - Google Patents
一种检测农药马拉硫磷的光电化学有机晶体管传感器的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种检测农药马拉硫磷的光电化学有机晶体管传感器的制备方法。本发明以含p‑n异质结的PEDOT/FEMOF作为光电活性材料，利用沟道电流对栅极电流放大的性质，大大提高了检测的灵敏度。PEDOT/FEMOF纳米复合物受到光的激发，产生高效的电子转移，MAL适配体具有较大的阻抗，使得其OPECT响应强度降低，加入MAL与适配体结合之后引起阻抗的进一步增加，使OPECT响应强度进一步降低。建立OPECT响应值与MAL浓度之间的关系，以达到对大豆和菠菜样品中的MAL含量快速、灵敏、有选择性的检测的目的。
Description
技术领域
本发明属于电化学检测领域，指一种用于农产品中马拉硫磷检测的光电化学有机晶体管传感器的构建方法及用途。
背景技术
农药作为现代农业生产活动中重要的生产物质，能够高效、快速、经济地防治农作物的病虫害，在农业生产生活中扮演着非常重要的角色。农药的广泛使用虽然可以预防、控制或消灭病虫害，但是在经过一定的时间后，农药会逐渐分解，转化成其衍生物或降解物残留在生物、环境和食品中。不合理的使用农药，使得农药残留问题也异常的突出。无论是我们平时生活环境中的土壤、水、大气还是食用的谷物、蔬菜、水果、牛奶，己被检测出来农药残留，甚至在制成工业品的化妆品中也能检测出残留的农药。如果食用的食物含有剧毒或高毒的农药残留，会导致人体的急性中毒；而长期食用农药残留超标的食品，毒素会在人体内富集，导致慢性中毒，从而引起各种生理病变。马拉硫磷(malathion，MAL)是有机磷农药的一种，可抑制乙酰胆碱酯酶活性，导致引起人体内胆碱堆积，破坏神经系统功能，导致神经功能紊乱、精神错乱、语言失常。长期接触到MAL污染会造成神经衰弱症候群，也可能会引起支气管哮喘、接触性皮炎等疾病。目前检测MAL的方法包括光谱法、色谱法、免疫分析法等。光谱法是根据农药含的官能团或降解产物与某些特殊显色剂发生化学反应，产生特定波长的反应，对农药的残留进行定性或定量的检测。然而其灵敏度较低、检出限在微克级别，实验干扰因素较多，容易出现假阴性结果。色谱法具有较高的选择性和较好的分离效果，但是其实验设备昂贵、样品前处理复杂，且需要专业人员操作等缺点。免疫分析法具有灵敏度高、成本低、快速、便捷等优点，但是其特异性有待改善。因此，发展一种快速、灵敏的具有现场监测功能的有机磷农药检测方法具有重要意义。
光电化学(Photoelectrochemical,PEC)传感器是利用光照条件下，修饰在电极上的光活性材料与目标检测物之间发生的电荷转移作用而构建的一种分析装置。其基本原理是在光电化学过程实现的基础上，利用目标检测物与修饰在电极上的光电活性材料之间发生的物理或化学作用，从而引起光电化学信号(光电流或光电压)的响应变化。为了满足日益增长的高级生物分析的需求，提高光电化学传感器的灵敏度、稳定性、便携性是分析领域发展的热点。例如，所采用的独特的材料修饰和信号放大策略。这些主要是利用光活性材料的改性大大克服了主要的限制，包括可见光吸收差、纳米结构的严重聚集、电荷空穴易复合和低导电性等缺陷。此外，一些信号增强技术也被证明有效地提高了PEC生物传感器的检测性能，包括一系列材料改性技术，例如量子点改性、金属/非金属离子掺杂、异质结的形成和Z-scheme复合材料等，用于构建PEC生物传感器。此外，还有各种信号放大策略，包括量子点敏化、电子给体的应用、能量转移效应、生物分子的空间位阻以及生物分子从传感表面脱落等。然而，目前从方法学上提高传感器灵敏度的研究还较少，结合有机电化学晶体管的信号放大作用是提高光电化学传感器灵敏度的一种可行手段。
发明内容
本发明旨在提供一种高灵敏度、高选择性、宽测量范围等优点为一体的OPECT传感器。该传感器制备工艺简单，成本低，实现了快速定量检测MAL的目的。
所采用的方案概括为：
以制备的含p-n异质结的PEDOT/FEMOF作为光电活性材料，创建超灵敏的OPECT传感器制备方法。利用沟道电流对栅极电流放大的性质，对检测系统起到一个信号放大的作用，大大提高了PEC检测的灵敏度。当溶液中加入目标物MAL，PEDOT/FEMOF纳米复合物受到光的激发，产生高效的电子转移,产生的光电压，使沟道中的PEDOT受到了离子的掺杂，产生的沟道电流产生了变化，MAL适配体由于具有较大的阻抗，从而使得其OPECT响应强度降低，加入MAL与适配体结合之后引起阻抗的进一步增加，使OPECT响应强度进一步降低。建立OPECT响应值与MAL浓度之间的关系，以达到对小青菜样品中的MAL含量快速、灵敏、有选择性的检测的目的。
本发明是通过如下具体技术方案实现的：
一种检测农药马拉硫磷的光电化学有机晶体管传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、聚3，4乙烯二氧噻吩掺杂铁基有机金属框架PEDOT/FEMOF复合材料的制备：
首先，将2-氨基对苯二甲酸和醋酸溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，再向烧杯中加入3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)，混匀后加入氯化铁，搅拌均匀后溶剂热反应，所得物质用DMF，去离子水和乙醇洗涤，固体放入真空干燥箱后，得到PEDOT/FeMOF复合材料。
步骤2、光电化学有机晶体管OPECT器件沟道的制备：
在FTO导电玻璃上激光刻蚀出合适的电极图案，清洗FTO并烘干，在台式匀胶机上旋涂聚3，4乙烯二氧噻吩PEDOT：聚苯乙烯磺酸盐PSS层，涂膜后的器件在纯氮环境中油浴加热。
步骤3、OPECT传感器中栅极的构建：
将步骤1制得的PEDOT/FeMOF分散在去离子水中，准备ITO电极，移取PEDOT/FeMOF的分散液修饰到固定面积的ITO表面，并在红外灯下烘干。进一步修饰1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基硫代琥珀酰亚胺(NHS)修饰到ITO表面并孵育用于活化羧基，后用PBS冲洗。接着，在ITO电极上滴带氨基的适配体溶液，室内放置，得到aptamer/PEDOT/FeMOF。然后进一步将乙醇胺(MEA)修饰在电极表面并孵育，封闭未结合的羧基，用PBS缓冲溶液淋洗，室温干燥；再修饰一定浓度的MAL孵育，用PBS冲洗，得到MAL/aptamer/PEDOT/FeMOF。
步骤4、OPECT适配体传感的构建：
将步骤3中修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与步骤2中制得的OPECT器件一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站。
电化学实验在型号为CHI1010C的工作站上实施，光源为氙灯平行光源系统仪器。
使用I-t Curve进行实时监测。当I-t曲线的基线平稳后，使光照射电极，观察源、漏极电流变化情况并保存。
步骤1中，2-氨基对苯二甲酸、醋酸、EDOT和氯化铁的用量比例为1-2mmol：1-2mmol：1-2mmol：2-4mmol；溶剂热反应的条件为120-160℃，12h。
步骤2中，旋涂前，将PEDOT和PSS溶解在DMSO中，置于10℃水浴中，搅拌4h；PEDOT：PSS和DMSO的用量比例为950μL：50μL；油浴加热的条件为：升温至130℃保持20min；然后升温至150℃加热1h。
步骤3中，PEDOT/FeMOF分散液的浓度为2-5mg/mL，修饰量为10-20μL；
EDC的浓度为10mg/mL，用量为10-20μL，NHS的浓度为10mg/mL，用量为10-20μL，修饰后EDC和NHS后，孵育条件为26℃下孵育0.5h；
带氨基的适配体溶液的浓度为2μM，滴加量为10-20μL；
乙醇胺(MEA)的浓度为1mol/L，修饰量为10-20μL，修饰MEA后，孵育条件为25℃下孵育0.5h；
MAL的浓度为0.1ng L-1～10μg L-1，修饰量为10-20μL，孵育条件为37℃孵育40min；
带氨基的适配体序列为：5'-NH2-ATC CGT CAC ACC TGC TCT TAT ACA CAA TTGTTT TTC TCT TAA CTT CTT GAC TGC TGG TGT TGG CTC CCG TAT-3'；
步骤4中，电化学实验在型号为CHI1010C的工作站上实施，光源为氙灯平行光源系统仪器。将修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与OPECT器件的源、漏极一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站，使用I-t Curve进行实时监测。当I-t曲线的基线平稳后，使光照射电极，观察源、漏极电流变化情况。参数设置如下：源漏极电压为-0.2V，栅极电压为0V。
本发明的有益效果为：
本发明制备PEDOT/FeMOF纳米复合物作为光活性栅极材料，成功建立OPECT传感平台，建立了一种小青菜样品中的MAL的OPECT检测方法，其特色和优点表述如下：
(1)本发明制备PEDOT/FeMOF纳米复合物作为光活性栅极材料来构建OPECT传感器，纳米复合物的光电流信号相对于单体大大增强。这可能是因为，PEDOT的掺杂使FeMOF的导电性大大提高，并且与其形成了p-n异质结，提高了光生电子和空穴的分离效率。
(2)本发明凭借PEDOT/FeMOF纳米复合物优异的光电性能，特异性的适配体(aptamer)以及放大信号的PEDOT:PSS沟道，构建了MAL适配体OPECT传感器。该传感器表现出更宽的线性范围(0.1ng L-1-10μg L-1)和更低的检测限(0.03ng L-1)。
(3)此外，构建的OPECT适配体传感器用以检测小青菜样品中的MAL，获得了令人满意的结果。这项工作不仅展示了具有p-n结的PEDOT/FeMOF纳米复合物在PEC相关应用中的潜在吸引力，而且还为食品检测、生物医学和环境监测等领域构建了一种新颖OPECT传感平台。
(4)相对于传统的PEC生物传感器而言，本发明中所提出的MAL的OPECT检测方法最大的特点是结合了OECT的内在的信号放大功能，能大大提高传感器的灵敏度；相对于传统的OECT而言，它最大的特点是结合了PEC中激发源与信号检测系统的分离的优势，降低了背景信号，并且无需外加栅极电压。具有操作更简便灵活，仪器设备更简单，检测成本低廉，灵敏度高等特点。
附图说明
图1为FeMOF(A)和1/3(B)，2/3(C)，4/3(D)摩尔比的PEDOT/FEMOF的扫描电镜表征图；
图2为PEDOT/FEMOF复合材料的X射线衍射图(A)，红外光谱图(B)，光电子能谱图(C)；光电子能谱价带图(D)；
图3为PEDOT(a)、FeMOF(b)和PEDOT/FEMOF(c)修饰电极的光电信号图(A)和阻抗图(B)；
图4为OPECT(b)与PEC(a)电流信号对比图；
图5为传感器构建示意图(A)以及对应的PEDOT/FEMOF(a)、aptamer/PEDOT/FeMOF(b)和MAL/aptamer/PEDOT/FeMOF(c)OPECT信号(B)以及阻抗图(C)；
图6(A)所构建的PEC适配体传感器检测不同浓度MAL的光电流响应图，(B)相应的MAL的检测线性曲线，(C)所构建的PEC适配体传感器检测不同浓度MAL的OPECT沟道电流响应图(D)相应的MAL的检测线性曲线。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1：
(1)PEDOT/FEMOF复合材料的制备
首先，称取0.27g(1.5mM)2-氨基对苯二甲酸和87μL的醋酸于50ml的烧杯中，向烧杯中加入20mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，再向烧杯中加入109uL的EDOT，混匀后加入0.486g(1.5mM)氯化铁，搅拌均匀后溶剂热150℃12h。所得物质用DMF洗涤两次，去离子水洗涤两次，再用乙醇洗涤一次，固体放入真空干燥箱后得到PEDOT/FeMOF。
图1为PEDOT掺杂FEMOF的表面电镜图，(A)FEMOF单体，(B)PEDOT掺杂FEMOF摩尔比1:3，(C)PEDOT掺杂FEMOF摩尔比2:3，(D)PEDOT掺杂FEMOF摩尔比4:3的PEDOT掺杂比例依次增加，导致FEMOF的形貌不断增大。
通过图2，PEDOT/FEMOF的X射线衍射图(A)，红外光谱图(B)，光电子能谱图(C)；光电子能谱价带图(D)证明了PEDOT/FeMOF的成功合成。
并且如图3所示，a-PEDOT，b-FEMOF，c-PEDOT/FEMOF复合材料，复合材料对于单独的FEMOF具有光电信号提升，阻抗也大大降低。
(2)OPECT器件沟道的制备
先将FTO切割成15mm×15mm大小，再用激光打标机打出电极图案，将FTO电极用甲苯、丙酮、无水乙醇、去离子水超声15min至洗涤干净，红外灯下烘干。在避光PC管中加入950μL PEDOT：PSS和50μL DMSO，封口，置于10℃水浴中，搅拌4h。在型号为KW-4A的台式匀胶机上旋涂PEDOT：PSS层，转速为6s，1000rpm；40s，3000rpm。涂膜后的器件在纯氮环境中油浴加热，升温至130℃保持20min；然后升温至150℃加热1h。
如图4所示，a-PEC，b-OPECT，OPECT的信号值对于PEC有很大的提高。
(3)用于检测检测MAL光电化学有机晶体管(OPECT)传感器的构建
传感器构建如图5的A所示：将6mg PEDOT-FeMOF溶解在3mL的去离子水中，配置成2mg/mL的分散液。先对氧化铟锡(ITO)导电玻璃进行以下预处理，将ITO电极先置于0.1M氢氧化钠中煮沸30min，再分别用甲苯、丙酮、无水乙醇、去离子水超声15min至洗涤干净，红外灯下烘干。准备21个ITO玻璃电极，控制适当的相同大小的修饰面积，用移液枪移取20μLPEDOT-FeMOF的分散液修饰到ITO表面，并在红外灯下烘干。进一步将10μL EDC(10mg/mL)和10μL NHS(10mg/mL)修饰到ITO表面，26℃下孵育0.5h,后用PBS(pH＝7.4,0.1M,下同)冲洗。接着，在ITO电极上滴20μL的带氨基的适配体溶液(2μM)，室内放置2h。进一步将10μL1mol/L乙醇胺(MEA)修饰在电极表面，待其在25℃下孵育0.5h，封闭未结合的羧基，用PBS缓冲溶液淋洗，室温干燥。将这21个电极分成七组依次修饰七个不同浓度空白、0.1ng L-1,1ngL-1,10ng L-1,100ng L-1,1μg L-1，10μg L-1的农药MAL，并做好标记，37℃孵育40min，用PBS冲洗。
图5中，a-PEDOT/FEMOF、b-aptamer/PEDOT/FeMOF和c-MAL/aptamer/PEDOT/FeMOF，B图中显示，随着适配体和检测物的添加MAL/aptamer/PEDOT/FeMOF的OPECT信号在降低；C图中显示，随着适配体和检测物的添加MAL/aptamer/PEDOT/FeMOF的阻抗在增加；
(4)OPECT信号检测
电化学实验在型号为CHI1010C的工作站上实施，光源为氙灯平行光源系统仪器。将修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与OPECT器件的源、漏极一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站，使用I-t曲线进行实时监测。当I-t曲线的基线平稳后，使光照射电极，观察源、漏极电流变化情况。参数设置如下：源漏极电压为-0.2V，栅极电压为0V。如图6所示，由图6所构建的PEC适配体传感器检测不同浓度MAL的光电流响应图(A)和OPECT沟道电流响应图(C)可知，对于MAL的检测，OPECT的灵敏度相对于PEC大大提高，具有更宽的线性范围。
实施例2：
(1)PEDOT/FEMOF复合材料的制备
首先，称取0.27g(1.5mM)2-氨基对苯二甲酸和87μL的醋酸于50ml的烧杯中，向烧杯中加入20mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，再向烧杯中加入218uL的EDOT，混匀后加入0.486g(1.5mM)氯化铁，搅拌均匀后溶剂热150℃12h。所得物质用DMF洗涤两次，去离子水洗涤两次，再用乙醇洗涤一次，固体放入真空干燥箱后得到PEDOT/FeMOF。
步骤(2)、(3)、(4)同实施例1的步骤(2)、(3)、(4)。
实施例3：
(1)PEDOT/FEMOF复合材料的制备
首先，称取0.27g(1.5mM)2-氨基对苯二甲酸和87μL的醋酸于50ml的烧杯中，向烧杯中加入20mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，再向烧杯中加入436uL的EDOT，混匀后加入0.486g(1.5mM)氯化铁，搅拌均匀后溶剂热150℃12h。所得物质用DMF洗涤两次，去离子水洗涤两次，再用乙醇洗涤一次，固体放入真空干燥箱后得到PEDOT/FeMOF。
步骤(2)、(3)、(4)同实施例1的步骤(2)、(3)、(4)。
序列表
<120> 一种检测农药马拉硫磷的光电化学有机晶体管传感器的制备方法
<140> 2021112191743
<141> 2021-10-20
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 2
<211> 72
<212> DNA
<213> 2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum
<400> 2
atccgtcaca cctgctctta tacacaattg tttttctctt aacttcttga ctgctggtgt 60
tggctcccgt at 72
Claims (8)
1.一种检测农药马拉硫磷的光电化学有机晶体管传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、聚3，4乙烯二氧噻吩掺杂铁基有机金属框架PEDOT/FEMOF复合材料的制备：
首先，将2-氨基对苯二甲酸和醋酸溶于N，N-二甲基甲酰胺DMF，再向烧杯中加入3，4-乙烯二氧噻吩EDOT，混匀后加入氯化铁，搅拌均匀后溶剂热反应，所得物质用DMF，去离子水和乙醇洗涤，固体放入真空干燥箱后，得到PEDOT/FeMOF复合材料；
步骤2、光电化学有机晶体管OPECT器件沟道的制备：
在FTO导电玻璃上激光刻蚀出合适的电极图案，清洗FTO并烘干，在台式匀胶机上旋涂PEDOT：PSS层，涂膜后的器件在纯氮环境中油浴加热；
步骤3、OPECT传感器中栅极的构建：
将步骤1制得的PEDOT/FeMOF分散在去离子水中，准备ITO电极，移取PEDOT/FeMOF的分散液修饰到固定面积的ITO表面，并在红外灯下烘干；进一步修饰1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐EDC和N-羟基硫代琥珀酰亚胺NHS修饰到ITO表面并孵育用于活化羧基，后用PBS冲洗；接着，在ITO电极上滴带氨基的适配体溶液，室内放置，得到aptamer/PEDOT/FeMOF；然后进一步将乙醇胺MEA修饰在电极表面并孵育，封闭未结合的羧基，用PBS缓冲溶液淋洗，室温干燥；再修饰一定浓度的MAL孵育，用PBS冲洗，得到MAL/aptamer/PEDOT/FeMOF；
步骤4、OPECT适配体传感的构建：
将步骤3中修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与步骤2中制得的OPECT器件一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，2-氨基对苯二甲酸、醋酸、EDOT和氯化铁的用量比例为1-2mmol：1-2mmol：1-2mmol：2-4mmol。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，溶剂热反应的条件为120-160℃，12h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，旋涂前，将PEDOT和PSS溶解在DMSO中，置于10℃水浴中，搅拌4h；PEDOT：PSS和DMSO的用量比例为950μL：50μL。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，油浴加热的条件为：升温至130℃保持20min；然后升温至150℃加热1h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，
PEDOT/FeMOF分散液的浓度为2-5mg/mL，修饰量为10-20μL；
EDC的浓度为10mg/mL，用量为10-20μL，NHS的浓度为10mg/mL，用量为10-20μL，修饰后EDC和NHS后，孵育条件为26℃下孵育0.5h；
带氨基的适配体溶液的浓度为2μM，滴加量为10-20μL；
乙醇胺MEA的浓度为1mol/L，修饰量为10-20μL，修饰MEA后，孵育条件为25℃下孵育0.5h；
MAL的浓度为0.1ng L-1～10μg L-1，修饰量为10-20μL，孵育条件为37℃孵育40min。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，带氨基的适配体序列为：5'-NH2-ATC CGT CAC ACC TGC TCT TAT ACA CAA TTG TTT TTC TCT TAA CTT CTT GAC TGCTGG TGT TGG CTC CCG TAT-3'。
8.将权利要求1～7任一项所述制备方法制得的光电化学有机晶体管传感器用于检测农药马拉硫磷的用途。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20231025 Address after: 1003, Building A, Zhiyun Industrial Park, No. 13 Huaxing Road, Henglang Community, Dalang Street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province, 518000 Applicant after: Shenzhen Wanzhida Technology Transfer Center Co.,Ltd. Address before: Zhenjiang City, Jiangsu Province, 212013 Jingkou District Road No. 301 Applicant before: JIANGSU University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20231122 Address after: 310000 to the south of Haitang Road in Xinjie Street, Xiaoshan District, Hangzhou City, Zhejiang Province, and to the west of Provincial Road 03 East Double Line Applicant after: Hangzhou Fuding Testing Co.,Ltd. Address before: 1003, Building A, Zhiyun Industrial Park, No. 13 Huaxing Road, Henglang Community, Dalang Street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province, 518000 Applicant before: Shenzhen Wanzhida Technology Transfer Center Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |