CN114384134B - 一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的构建方法及其用途 - Google Patents

一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的构建方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明于传感器构建及食品检测领域，公开了一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的构建方法，并将其用于检测T‑2毒素的用途。本发明以制备的ZnO NRs作为光电活性材料，创建超灵敏的OPECT传感平台。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。ZnO NRs受到光的激发，产生高效的电子转移，T‑2适配体由于具有较大的阻抗，使得其OPECT响应强度降低，加入T‑2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T‑2浓度之间的关系，以达到对牛奶样品中的T‑2含量快速、灵敏、有选择性的检测的目的。

Description

一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的 构建方法及其用途
技术领域
本发明属于传感器构建及食品检测领域，指一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的构建方法及用途。
背景技术
真菌毒素是某些丝状真菌在适宜环境(适宜的温度和湿度)下产生的具有致死性和致病性的二级代谢产物。目前已知的真菌毒素种类达到了300种以上，粮油食品和饲料是真菌毒素主要的污染对象。T–2毒素是单端孢霉A型毒素中最主要、也是毒性最强的一种，可由多种真菌产生，在自然界中广泛存在，是污染农作物和库存谷物的主要毒素。T–2毒素对人和动物的消化系统、神经系统、生殖发育等都存在毒性作用，具有致畸性和致癌性。此外，T–2还会增加食物中毒、大骨病、脱氧核糖核酸损伤的几率并诱导细胞凋亡。尽管在粮食的生长期和贮藏期可以通过控制环境条件来减少污染；食品加工过程中也可以去除一些真菌毒素，但是不能完全排除真菌毒素对健康的影响，所以对于粮食生产和加工过程中真菌毒素含量的监测是十分必要的。目前检测T-2毒素的方法有很多，其中化学分析法以薄层色谱法为典型代表，它是快速分离及定性分析少量物质很重要的实验技术，但由于其灵敏度的限制，随着生产和发展的需求越来越高，逐渐退出了舞台。高效液相色谱、气相色谱法、气质联用和液质联用等方法是最常用的仪器分析方法。该方法具有精准和灵敏等显著优点，在国标检测等领域得到了广泛的应用。但是该方法需要价格高昂的仪器设备，以及训练有素的仪器操作人员，而且前处理复杂和分析时间比较长，并不适合现场实时监控的快速检测。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。
有机电化学晶体管(OECT)属于有机薄膜晶体管的一类，是近年来发展迅速的电化学传感器之一。自Wrighton等制备出第一个OECT以来，其结构简单、工作电压低、环境稳定性好、电流放大能力好、生物相容性好等优点使OECT在生化检测领域具有较大的吸引力。然而，在传统的OECT系统中，需要对栅极施加电压，这可能会影响栅极上的电活性物质。所以，如何避免栅极上电压的使用，也是需要研究的方向之一。
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。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。光电化学传感传感器的灵敏度有限，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。有机光电化学晶体管(OPECT)传感器是一种新型的电化学生物传感器，是有机电化学晶体管(OECT)和光电化学(PEC)传感器的结合体。相对于传统的PEC生物传感器而言，它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。然后通过将目标分析物的浓度变化转换为电源信号(如栅极电流、沟道电流等)的改变，并根据二者的相关性而发展起来的一类新型电化学传感检测器件。
光电活性材料是OPECT传感的核心组成部分之一，对所构建的传感器的灵敏度具有很大影响。氧化锌(ZnO)因其来源广泛，价格低廉且具有优异的光学和电学性能不断受到多个研究领域学者的重视。在室温下，ZnO禁带宽度最大可达到3.37eV，激子束缚能可达到60meV。其中氧化锌纳米棒阵列(ZnO NRs)作为一种一维有序的纳米结构，在光吸收和电子传输方面具有独到的优势，与无序的纳米颗粒材料相比，有序的一维纳米棒阵列既可以增加入射光在吸收层中的折射，起到增强光吸收的效果，还能保证电子的有序传输，即可大大减少电子和空穴的复合几率。
然而，氧化锌作为光电活性材料用于有机光电化学晶体管OPECT传感器中的技术，还未见相关报道。
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T-2毒素的目的。
所采用的方案概括为：
本发明以水热法制备的氧化锌纳米棒阵列(ZnO NRs)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T-2毒素，氧化锌纳米棒受到光的激发，产生高效的电子转移，产生的光电压，使沟道中的PEDOT：PSS受到了离子的掺杂，产生的沟道电流产生了变化，T-2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T-2毒素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T-2毒素浓度之间的关系，以达到对牛奶样品中的T-2毒素含量快速、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：
一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的构建方法，包括如下步骤：
步骤1、氧化锌纳米棒阵列(ZnO NRs)的制备：
首先，将醋酸锌Zn(Ac)2溶解在乙醇中，制备ZnO种子前驱液并将其旋涂于氟掺杂的氧化铟锡(FTO)表面上。将涂有锌种的FTO置于马弗炉中煅烧，随后将其导电面朝下置于含有乌洛托品和硝酸锌的生长溶液中加热，反应结束后洗涤、吹干，得到ZnO NRs/FTO。
步骤2、光电化学有机晶体管OPECT器件沟道的制备：
设计好丝网印刷器件规格，订做丝网印刷碳电极，即在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上均涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)层，并用聚乙烯(PE)薄膜封存。
步骤3、OPECT传感器中栅极的构建：
将步骤1制得ZnO NRs/FTO固定一定的工作面积，在电极表面涂覆壳聚糖(CHI)，并在红外灯下烘干，引入氨基；进一步将戊二醛(GA)修饰到FTO表面并孵育使之与CHI上的氨基结合，后用PBS冲洗；接着，在FTO电极上滴加修饰了氨基的适配体溶液，冰箱冷藏，得到aptamer/ZnO NRs/FTO；然后进一步将牛血清蛋白(BSA)修饰在电极表面并孵育，封闭未结合的醛基，用PBS缓冲溶液冲洗，室温干燥；再修饰一定浓度的T-2毒素并孵育，用PBS冲洗，得到T-2/aptamer/ZnO NRs/FTO。
步骤4、OPECT适配体传感的构建：
将步骤3修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与步骤2制得的OPECT源漏极器件一同浸泡在装有PBS溶液的电解池中，即成功构建了基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器。
步骤1中，Zn(Ac)2和乙醇的用量为0.1098g：100mL，马弗炉煅烧条件为320℃，60min；生长溶液中乌洛托品和硝酸锌的浓度都为40mM，溶剂热反应条件为95℃，5h。
步骤2中，设计的丝网印刷器件的规格，器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2-0.3mm；聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)半导体层的涂覆厚度为40-120μm。
步骤3中，ZnO NRs/FTO电极的固定面积为0.5cm2；
涂覆CHI的浓度为0.1％，涂覆的量为10-20μL；
GA的浓度为2.5％，用量为10-20μL，室内放置30min；
电极上滴加的适配体溶液浓度为3μM，滴加的量为10-20μL，然后4℃冰箱存放12h；
BSA的浓度为3％，滴加的量为10-20μL；
T-2毒素的浓度为10pg·L-1～10mg·L-1，孵育条件为37℃孵育45-60min；
修饰氨基的适配体序列为：5'-NH2-GTAT ATCA AGCA TCGC GTGT TTAC ACAT GCGAGAGG TGAA-3'。
将本发明构建的基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器用于检测T-2毒素的用途。具体步骤包括：
将一系列已知浓度的T-2毒素修饰好的电极作为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；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，收集OPECT信号，根据不同浓度的T-2毒素与对应的OPECT信号强度关系建立标准曲线；参数设置如下：源、漏极电压为-0.2V，栅极电压为0V。
然后，将待测浓度的T-2毒素修饰好的电极作为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；同样的方法收集OPECT信号，带入标准曲线中，得出待测浓度。
本发明的有益效果为：
本发明制备氧化锌纳米棒阵列(ZnO NRs)作为光活性栅极材料，成功建立OPECT传感平台，建立了一种牛奶样品中的T-2毒素的OPECT检测方法，其特色和优点表述如下：
(1)本发明制备氧化锌纳米棒阵列作为光活性栅极材料来构建OPECT传感器，ZnO纳米棒阵列作为一种一维有序的纳米结构，在光吸收和电子传输方面具有独到的优势，与无序的纳米颗粒材料相比，有序的一维纳米棒阵列既可以增加入射光在吸收层中的折射，起到增强光吸收的效果，还能保证电子的有序传输，即可大大减少电子和空穴的复合几率。
(2)本发明凭借氧化锌纳米棒阵列优异的光电性能，特异性的适配体(aptamer)以及放大信号的PEDOT:PSS沟道，构建了T-2毒素适配体OPECT传感器。该传感器表现出更宽的线性范围(100pg·L-1～1mg·L-1)和更低的检出限(28.8pg·L–1)。
(3)此外，构建的OPECT适配体传感器用以检测牛奶样品中的T-2毒素，获得了令人满意的结果。这项工作不仅展示了具有优异光电特性的氧化锌纳米棒阵列在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T-2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ZnO NRs不同尺寸下的扫描电镜表征图：俯视图(A)和截面图(B)；
图2(A)为ZnO NRs的X射线衍射图：a-FTO和b-ZnO；图2(B)紫外光谱图；
图3为ZnO NRs(a)与普通ZnO颗粒(b)的OPECT信号对比图；
图4为OPECT(a)与PEC(b)信号对比图；
图5为传感器构建示意图(A)以及对应的OPECT信号(B)：a-ZnO NRs/FTO、b-aptamer/ZnO NRs/FTO和c-T-2/aptamer/ZnO NRs/FTO；
图6为所构建的PEC适配体传感器检测不同浓度T-2的光电流响应图(A)和相应的T-2的检测线性标准曲线(B)，所构建的OPECT适配体传感器检测不同浓度T-2的OPECT沟道电流响应图(C)和相应的T-2的检测线性标准曲线(D)
图7为不同厚度的沟道材料信号对比图：a-100μm和b-50μm。
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)ZnO NRs/FTO的制备
首先，将FTO清洗干净，分别用甲苯、丙酮、乙醇、去离子水超声15min，然后用氮气吹干。将0.1098g Zn(Ac)2溶解在100mL乙醇中，制备ZnO种子前驱液并将其旋涂于清洗干净的FTO表面上。将涂有锌种的FTO置于马弗炉中，320℃下煅烧60min，随后将其导电面朝下置于含有40mM乌洛托品和40mM硝酸锌的生长溶液中，95℃加热5h，反应结束后洗涤、吹干，得到ZnO NRs/FTO。
图1为ZnO NRs的表面电镜图，所制备的ZnO NRs具有六边形顶端并呈现直径为100-200nm的有序柱状结构。此外，ZnO NRs以垂直方向生长在基底表面并具有极高的覆盖密度。
如图2，材料的X射线衍射图(A)中，除来自基底FTO的衍射峰外(曲线a)，曲线b在34.4°、36.3°、47.5°、62.9°和72.6°处出现了新的衍射峰，分别对应六方型ZnO的(002)、(101)、(102)、(103)和(004)晶面(JCPDS No.74-0534)。图2(B)显示了ZnO材料的紫外-可见吸收光谱，曲线表明ZnO NRs的吸收边缘约为400nm，禁带宽度大约为3.14eV。均证明了ZnONRs的成功合成。
并且如图3所示，合成的ZnO NRs(a)对于购买的普通ZnO颗粒(b)，光电信号增大很多。
(2)OPECT器件沟道的制备
先设计好丝网印刷器件的规格，器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2mm，在网上订做丝网印刷碳电极，即在PET基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)半导体层，厚度为50μm。最后用聚乙烯塑料薄膜封存。
如图4所示，a-OPECT，b-PEC，OPECT的信号值相对PEC有很大的提高。
(3)用于检测T-2光电化学有机晶体管(OPECT)传感器的构建
传感器构建如图5中A所示：将合好的ZnO NRs/FTO切成30个0.5cm×2.0cm大小的电极，固定面积为0.5cm2。电极表面用移液枪涂覆10μL带有氨基的CHI(0.1％)，并红外灯下烘干，引入氨基；进一步将20μL带有两个醛基的GA(2.5％)修饰到FTO表面与CHI交联，室内放置30min，后用0.1mol·L-1的PBS(pH＝7.4)溶液冲洗；接着，在FTO电极上滴加20μL修饰了氨基的适配体溶液(3μM)，4℃冰箱存放12h，使之与GA上的另一个醛基结合；然后将20μLBSA(3％)修饰在电极表面并室内放置30min，封闭GA上未结合的醛基，后用PBS溶液冲洗，室温干燥。将这30个电极分成十一组修饰十一个不同浓度空白、10pg·L-1、100pg·L-1、1ng·L-1、10ng·L-1、100ng·L-1、1μg·L-1、10μg·L-1、100μg·L-1、1mg·L-1、10mg·L-1的T-2毒素，并做好标记，然后放水浴恒温振荡器37℃下孵育45min，后用PBS冲洗。
如图5中B所示，a-ZnO NRs/FTO，b-aptamer/ZnO NRs/FTO，c-T-2/aptamer/ZnONRs/FTO，随着适配体和检测物的添加，OPECT的信号在降低。
(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，收集OPECT信号，根据不同浓度的T-2毒素与对应的OPECT信号强度关系建立标准曲线。。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，构建的PEC适配体传感器检测不同浓度T-2的光电流响应图(A)和OPECT沟道电流响应图(C)。由图可知，随着T-2毒素浓度的增加，PEC信号和OPECT信号都在下降。图(B)为PEC检测时建立的T-2毒素标准曲线，相关系数为0.991，线性范围为1ng·L–1～1mg·L–1，检出限为0.34ng·L–1。图(D)为OPECT检测时建立的T-2毒素标准曲线，相关系数为0.992，线性范围为100pg·L–1～1mg·L–1，检出限为28.8pg·L–1。以上可知对于T-2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以及更低的检出限。
实施例2：
步骤(1)同实施例1的步骤(1)。
(2)OPECT器件沟道的制备
先设计好丝网印刷器件的规格，器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2mm，在网上订做丝网印刷碳电极，即在PET基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)半导体层，厚度为100μm。最后用聚乙烯塑料薄膜封存。
步骤(3)、(4)同实施例1的步骤(3)、(4)。
实施例3：
步骤(1)同实施例1的步骤(1)。
(2)OPECT器件沟道的制备
先设计好丝网印刷器件的规格，器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2mm，订做丝网印刷碳电极，即在PET基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)半导体层，厚度为200μm。最后用聚乙烯塑料薄膜封存。
如图7所示，半导体层厚度a-100μm，b-50μm，当PEDOT:PSS成膜厚度较薄(50μm)时，电极初始电流较小；增大半导体层的厚度，OPECT光电流响应得到提升；但是当半导体厚度达到200μm时，调控源、漏电流能力差，光电流响应很不稳定，无法在图7中显示，所以选择100μm的半导体厚度最为合适。
步骤(3)、(4)同实施例1的步骤(3)、(4)。

Claims (6)

1.一种基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、氧化锌纳米棒阵列ZnO NRs的制备：
首先，将醋酸锌Zn(Ac)2溶解在乙醇中，制备ZnO种子前驱液并将其旋涂于氟掺杂的氧化铟锡FTO表面上，将涂有锌种的FTO置于马弗炉中煅烧，随后将其导电面朝下置于含有乌洛托品和硝酸锌的生长溶液中加热，反应结束后洗涤、吹干，得到ZnO NRs/FTO；
其中，Zn(Ac)2和乙醇的用量为0.1098g：100mL，马弗炉煅烧条件为320℃，60min；生长溶液中乌洛托品和硝酸锌的浓度都为40mM，溶剂热反应条件为95℃，5h；
步骤2、光电化学有机晶体管OPECT器件沟道的制备：
设计好丝网印刷器件规格，器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2-0.3mm，订做丝网印刷碳电极，即在聚对苯二甲酸乙二醇酯PET基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上均涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS层，并用聚乙烯PE薄膜封存；
步骤3、OPECT传感器中栅极的构建：
将步骤1制得ZnO NRs/FTO固定一定的工作面积，在电极表面涂覆壳聚糖CHI，并在红外灯下烘干，引入氨基；进一步将戊二醛GA修饰到FTO表面并孵育使之与CHI上的氨基结合，后用PBS冲洗；接着，在FTO电极上滴加带氨基的适配体溶液，冰箱冷藏，得到aptamer/ZnONRs/FTO；然后进一步将牛血清蛋白BSA修饰在电极表面并孵育，封闭未结合的醛基，用PBS缓冲溶液冲洗，室温干燥；再修饰一定浓度的T-2毒素并孵育，用PBS冲洗，得到T-2/aptamer/ZnO NRs/FTO；
步骤4、OPECT适配体传感的构建：
将步骤3修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与步骤2制得的OPECT源漏极器件一同浸泡在装有PBS溶液的电解池中，即成功构建了基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器。
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤2中，聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS半导体层的涂覆厚度为40-120μm。
3.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤3中，ZnO NRs/FTO电极的固定面积为0.5cm2；涂覆CHI的浓度为0.1％，涂覆的量为10-20μL；GA的浓度为2.5％，用量为10-20μL，室内放置30min；
电极上滴加的适配体溶液浓度为3μM，滴加的量为10-20μL，然后4℃冰箱存放12h；
BSA的浓度为3％，滴加的量为10-20μL；
T-2毒素的浓度为10pg·L-1～10mg·L-1，孵育条件为37℃孵育45-60min。
4.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤3中，修饰氨基的适配体序列为：5'-NH2-GTAT ATCA AGCA TCGC GTGT TTAC ACAT GCGA GAGG TGAA-3'。
5.将权利要求1～4任一项所述构建方法制得的基于氧化锌纳米棒阵列的有机光电化学晶体管传感器用于检测T-2毒素的用途。
6.如权利要求5所述的用途，其特征在于，具体步骤包括：
将一系列已知浓度的T-2毒素修饰好的电极作为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；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，收集OPECT信号，根据不同浓度的T-2毒素与对应的OPECT信号强度关系建立标准曲线；
然后，将待测浓度的T-2毒素修饰好的电极作为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；同样的方法收集OPECT信号，带入标准曲线中，得出待测浓度。
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