CN115108587A - 二硫化钼掺杂的二维碳氮化合物基质及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种化合物，由二硫化钼和二维碳氮化合物C3N4组成，所述的MoS2和C3N4的质量比为1:10~20。本发明还提供了上述的一种化合物的制备方法，包括通过水热法制备MoS2；通过水热法制备C3N4；然后通过热聚合方法将MoS2掺杂在C3N4中合成MoS2@C3N4异质结复合基质，杂化的质量比为MoS2/C3N4=1:10~20。本发明还提供了上述的化合物在制备检测前列腺癌血尿样本代谢物的产品中的用途。本发明能够解决传统基质检测小分子代谢物时，存在检测灵敏度低、基质结晶不均匀、难以实现复杂生物样本代谢物检测的技术问题，具有很好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明生物工程领域，涉及一种掺杂的二维基质，具体来说是MoS2掺杂的C3N4基质及其制备方法和应用。
背景技术
代谢物(生命活动代谢所涉及的物质)可以是疾病表型的良好指示，并且可以用作代谢疾病生物标记。因此，代谢物的定量和分析可以在很多疾病的研究和早期诊断或检测中起到重要的作用。当前，生化分析和基于气相/液相色谱-质谱联用技术是代谢物检测的主要手段，但是该方法需要对样品进行除盐、除蛋白、衍生化、浓缩等复杂操作，且容易受背景信号的干扰，灵敏度和特异性低。因此此种代谢物检测方式难以实现对代谢物样本低成本、高通量检测，在临床上得到广泛应用受到了限制。
基于基质辅助激光解吸电离离子源(Matrix-Assisted Laser DesorptionIonization)和飞行时间质量分析器(TOF)的质谱设备，能够在临床上对来源于人体的血清、尿液等样本中的代谢小分子进行定性定量精准检测，样本不需要复杂的预处理，同时可以实现高通量代谢物质的高效检测。但使用传统基质如α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA)进行小分子代谢物检测时，存在检测灵敏度低、基质结晶不均匀和检测效率不佳等技术问题。
因此，研发出一种灵敏度高、能够实现复杂生物样本代谢物检测且适用于生化小分子飞行时间质谱系统的基质对解决上述问题十分重要。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了MoS2掺杂的C3N4基质及其制备方法和应用，所述的这种MoS2掺杂的C3N4基质及其制备方法和应用要解决现有技术中对小分子代谢物的检测，存在检测灵敏度低、基质结晶不均匀和检测效率不佳的技术问题。
本发明提供了一种化合物，由MoS2和二维碳氮化合物C3N4组成，所述的MoS2和二维碳氮化合物C3N4的质量比为1:10～20。
本发明还提供上述化合物的制备方法，包括如下步骤：
1)通过水热法制备MoS2；
2)通过水热法制备二维碳氮化合物C3N4；
3)将MoS2掺杂在二维碳氮化合物C3N4中，杂化的质量比为MoS2/C3N4＝1:10～20，然后通过热聚合方法合成异质结复合基质，热聚合的温度140～160℃，热聚合4-5h，得到MoS2@C3N4异质结复合基质。
进一步的，所述的C3N4的制备方法包括如下步骤：
a)按照质量比称取三聚氰胺和双氰胺，所述的三聚氰胺和双氰胺的质量比为(4.0-6.0)：(3.2-3.5)；
b)将马弗炉温度设置为550-650℃，常温压力保持4.0-5.0小时；
c)将三聚氰胺和双氰胺加入氧化铝坩埚，然后放入马弗炉中，随后在500-530℃下进一步脱氨处理3-4h，反应后将氧化铝坩埚冷却至室温；
d)将得到的黄色产物经过去离子水洗涤、干燥后获得二维碳氮化合物C3N4备用。进一步的，所述的MoS2的制备方法包括如下步骤：
a)按照物料比称取四硫代钼酸、甲醇、肼，所述的四硫代钼酸、甲醇、肼的物料比为0.25-0.30mmol：50-70mL：2.5-3.5mL；
b)将四硫代钼酸铵加入到甲醇中，然后将混合物超声3.0-4.0小时，以获得清澈的溶液；
c)将溶液倒入一个容器中，磁搅拌下，滴加肼到所述的容器中，然后将反应混合物在油浴中加热到80-90℃，在回流下不断搅拌12-13小时，自然冷却后，在9000-12000rpm下离心即可收集到黑棕色沉淀，然后用去离子水和乙醇分别洗涤沉淀至少2-3次；
d)将制备好的沉淀物被放置在一个瓷船中，并保存在一个石英管中，石英管放置在管状炉内，然后用氮气吹扫管40-45分钟，以5.0℃/min的温度将沉淀加热到900-1000℃。
e)1-3小时后，熔炉自然冷却到室温，收集得到的黑棕色二硫化粉末。
本发明还提供了上述的化合物在制备检测前列腺癌血尿样本代谢物的产品中的用途。
本发明还提供了上述的化合物在标准小分子物质检测中的应用，包括以下步骤：
a)配制标准小分子溶液，所述的小分子为甲硫氨酸，精氨酸或者肌酸酐；
b)MALDI靶板依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗10-30min；
c)将配制好的标准小分子溶液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔内，待其干燥后，将权利要求1所述的化合物在水中超声分散10-15分钟，获得均相溶液，随后将均相溶液均匀覆盖在MALDI靶板的待检标准小分子溶液上；待其干燥后，并分析代谢指纹图谱的峰型。
进一步的，所述的甲硫氨酸，精氨酸和肌酸酐标准小分子溶液浓度为1.0-3.0mg/ml，权利要求1所述的化合物的浓度为2.5-3.5mg/ml。
本发明还提供了上述的化合物在血清代谢物质检测中的应用，包括以下步骤：
a)将待检血清稀释10倍后，并将稀释样本8000-12000g/min超高速离心30-40min后，得到检测液；
b)依次使用HPLC级纯度的无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI MTP 384靶板15-20min；
c)将所述检测液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔的内圈，待其干燥后，将权利要求1所述的化合物均匀覆盖在MALDI靶板上；待其干燥后，使用质谱仪检测，并分析所得质谱指纹图像。
本发明还提供了上述的化合物在尿液代谢物质检测中的应用，包括以下步骤：
a)依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板30-45min；
b)将待检尿液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔的内圈，待其干燥后，将在去离子水中超声分散后的权利要求1所述的化合物均匀覆盖在MALDI靶板的待检尿液上；
c)等待充分的干燥后，使用飞行时间质谱仪检测，并分析所得质谱代谢指纹图像。
本发明包括制备高度分散的MoS2颗粒和具备二维结构的C3N4材料，随后将不同比例的MoS2和C3N4进行掺杂用于前列腺癌血尿样本的代谢指纹测试。该材料能够解决传统基质检测小分子代谢物时，存在检测灵敏度低、基质结晶不均匀、难以实现复杂生物样本代谢物检测的技术问题。提供了一种具有灵敏度高、能够实现复杂生物样本代谢物检测且适用于生化小分子飞行时间质谱系统的MoS2掺杂的C3N4基质，用于前列腺癌血尿样本的代谢指纹检测。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1)本发明提供的掺杂二维基质的制备方法，通过MoS2掺杂的C3N4而实现，该基质材料的优势在于制备简单，操作简便；
2)本发明提供的MoS2掺杂的C3N4基质能够改善传统基质检测小分子代谢物检测效果不高以及基质结晶不均匀的难点；
3)本发明提供的MoS2掺杂的C3N4基质能够广泛应用于标准小分子物质、血清代谢物质以及尿液代谢物质检测之中，并且检测过程中无需经过复杂的预处理过程，即可实现小分子物质及血尿代谢物的高效检测。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的MoS2掺杂的C3N4基质的对其形貌的扫描电子显微镜表征图，图1a为MoS2@C3N4异质结基质SEM图，图1b为该基质的局部放大图；
图2为本发明实施例所提供的MoS2掺杂的C3N4基质对于标准品亮氨酸、色氨酸和苯丙氨酸的检测指纹图，其中，a为肌酸酐标准品，b为精氨酸标准品、c为甲硫氨酸标准品；
图3为本发明实施例所提供的MoS2掺杂的C3N4基质检测前列腺癌血液样本的代谢谱图；
图4为本发明实施例所提供的MoS2掺杂的C3N4基质检测前列腺癌尿液样本的代谢图谱。
图5为本发明实施案例所提供的CHCA检测临床样本(尿液样本)的代谢图谱，存在干扰较大的背景信号。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的MoS2掺杂的C3N4基质的制备方法及其应用，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
本实施例提供了一种MoS2掺杂C3N4基质的制备方法，具体为：
1)二维碳氮化合物C3N4的制备
a)C3N4是对4.0-6.0克三聚氰胺和3.2-3.5g双氰胺进行热处理所得，具体方法如下；
b)马弗炉温度设置为550-650℃，常温压力保持4.0-5.0小时；
c)将三聚氰胺和双氰胺加入到氧化铝坩埚中，然后放入马弗炉，随后在500-530℃下进一步脱氨处理3h，反应后将氧化铝坩埚冷却至室温；
d)所述合成的黄色产物依次经过3次去离子水洗涤、干燥处理后，被收集起来作进一步使用。
2)MoS2的制备与掺杂
a)采用水热法制备了MoS2纳米球。在典型的合成中，0.25-0.30mmol四硫代钼酸铵加入到含有50-70mL甲醇的100mL烧杯中。然后将混合物超声3.0-4.0小时，以获得清澈的溶液。
b)将溶液倒入250-360毫升的烧瓶中。磁搅拌下，滴加2.5-3.5mL的肼(分析纯)到烧瓶中。然后，将反应混合物在油浴中加热到80-90℃，在回流下不断搅拌12-13小时。经自然冷却后，在9000-12000rpm下离心即可收集到黑棕色沉淀。然后，用去离子水和乙醇分别洗涤沉淀2-3次。
c)制备好的沉淀物被放置在一个瓷船中，并保存在一个石英管中，石英管放置在管状炉内。为了去除氧，用氮气吹扫管40-45分钟，然后以5.0℃/min的温度将沉淀加热到900-1000℃。
d)两小时后，熔炉自然冷却到室温，收集得到的黑棕色MoS2颗粒，用于后续实验。
e)将MoS2掺杂C3N4，掺杂比例为MoS2/C3N4＝1:10～20，通过热聚合方法合成异质结结构，参数设置为160℃下热聚合4-5h。用于获得最终的MoS2掺杂的C3N4基质。
如图1所示，图1为本发明实施例所提供的MoS2掺杂的C3N4基质的对其形貌的扫描电子显微镜表征图。图1a为MoS2@C3N4异质结基质SEM图，图1b为该基质的局部放大图，图1a显示MoS2@C3N4异质结基质的整体轮廓，图1b展示MoS2@C3N4异质结基质的细节信息。因此，我们通过扫描电子显微镜对MoS2@C3N4异质结基质的轮廓与细节进行了有效验证。
实施例2
本实施例展示了MoS2掺杂的C3N4基质在标准小分子物质检测中的应用，具体为：
1.仪器与试剂准备：飞行时间质谱仪，Nd：YAD类激光器，波长为337nm，检测模式为正离子模式，并采用Diagno MS-TXT软件观察、校准并分析数据，其中信噪比大于30的质谱信号的选取为分析峰值；
2.参照实施例1提供的方法制备MoS2掺杂的C3N4基质，并分别配制肌酸酐，精氨酸和甲硫氨酸，其中肌酸酐，精氨酸和甲硫氨酸等标准小分子溶液浓度为1.0-3.0mg/ml，所述MoS2掺杂的C3N4基质溶液的浓度为2.5-3.5mg/ml(掺杂比例为MoS2/C3N4＝1:10)。
3.依次使用无水乙醇、去离子水对MALDI靶板进行超声清洗，其中清洗的时间为10-30min；
4.将配制好的标准小分子溶液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔内，待其干燥后，将优化的MoS2掺杂的维C3N4基质(掺杂比例为1:10)在水中超声分散10-15分钟获得均相溶液。随后将MoS2掺杂的C3N4基质均匀覆盖在MALDI靶板的待检标准小分子溶液上；待其干燥后，使用飞行时间质谱仪检测，并分析所得代谢指纹图谱。
5.试验结果分析：三种标准小分子溶液的质谱图如图2所示，其中，图2a、2b、2c分别是肌酸酐，精氨酸和甲硫氨酸的代谢指纹图谱图，由图可知，三种代谢小分子在MoS2掺杂的C3N4基质的辅助下，其代谢分子的Na+峰和K+峰在谱图中显著呈现(信噪比＞30)，有效地验证了基质对于检测标准品分子的特异性。
实施例3
本实施例提供了MoS2掺杂的C3N4基质对血清的代谢指纹图谱检测，具体为：
1.仪仪器与试剂准备：飞行时间质谱仪，Nd：YAD类激光器，波长为337nm，检测模式为正离子模式，并采用Diagno MS-TXT软件观察、校准并分析数据，其中信噪比大于30的质谱信号的选取为分析峰值；
2.参照实施例1提供的方法制备MoS2掺杂的C3N4基质，并分别配制肌酸酐，精氨酸和甲硫氨酸，其中肌酸酐，精氨酸和甲硫氨酸等标准小分子溶液浓度为1.0-3.0mg/ml，所述MoS2掺杂的C3N4基质溶液的浓度为2.5-3.5mg/ml(掺杂比例为MoS2/C3N4＝1:10)。
3.依次使用无水乙醇、去离子水对MALDI靶板进行超声清洗，其中清洗的时间为10-30min；
4.将待检尿液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔内，待其干燥后，将在去离子水中超声分散后的MoS2掺杂的C3N4基质溶液均匀覆盖在MALDI靶板的待检尿液上；
5.待其干燥后，进行代谢指纹图谱检测。
6.试验结果分析：待检血清的质谱图如图3所示，血清临床样本的谱图结果(m/z在100-420区间)显示信噪比＞30的m/z峰值数目大于50个，且峰值大于2000，说明该基质材料在临床血液样本代谢标志物检测方面的可行性。
实施例4
本实施例展示了MoS2掺杂的C3N4基质对尿液样本的代谢指纹图谱检测，具体为：
1.仪器与试剂准备：飞行时间质谱仪，Nd：YAD类激光器，波长为337nm，检测模式为正离子模式，并采用Diagno MS-TXT软件观察、校准并分析数据，其中信噪比大于30的质谱信号的选取为分析峰值；
2.所选用的基质是MoS2掺杂的C3N4基质；
3.依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板30-45min；
4.将待检尿液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔内，待其干燥后，将在去离子水中超声分散后的MoS2掺杂的C3N4基质溶液均匀覆盖在MALDI靶板的待检尿液上；
5.待其干燥后，进行代谢指纹图谱检测。
6.试验结果分析：待检尿液的质谱图如图4所示，尿液床样本的谱图结果(mz在100-420区间)显示信噪比＞30的m/z峰值数目大于66个，且峰值大于2000，说明该基质材料在尿液样本的代谢物检测方面有可行性。
实施例5
本实施例展示了传统有机基质基质对尿液样本的代谢指纹图谱检测，具体为：
1.仪器与试剂准备：飞行时间质谱仪，Nd：YAD类激光器，波长为337nm，检测模式为正离子模式，并采用Diagno MS-TXT软件观察、校准并分析数据，其中信噪比大于30的质谱信号的选取为分析峰值；
2.所选用的基质是CHCA有机基质；
3.依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板30-45min；
4.将待检尿液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔内，待其干燥后，将在去离子水中超声分散后的CHCA基质溶液均匀覆盖在MALDI靶板的待检尿液上；
5.待其干燥后，进行代谢指纹图谱检测。
试验结果分析：待检尿液的质谱图如图5所示，尿液床样本的基质背景信号干扰较为严重。
由上述实施例及检测结果可知，利用本发明提供的方法制备得到的MoS2掺杂的C3N4基质能够广泛应用于小分子物质及血清、尿液代谢物质检测方面，能够从改善传统基质检测检测效率低，基质结晶不均匀、难以实现复杂生物样本代谢物检测的技术难题。
Claims (9)
1.一种化合物，其特征在于：由MoS2和二维碳氮化合物C3N4组成，所述的MoS2和C3N4的质量比为1:10～20。
2.权利要求1所述的一种化合物的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)通过水热法制备MoS2；
2)通过水热法制备二维碳氮化合物C3N4；
3)将MoS2掺杂在C3N4中，杂化的质量比为MoS2/C3N4＝1:10～20，然后通过热聚合方法合成异质结复合基质，热聚合的温度140～160℃，热聚合4-5h，得到MoS2@C3N4异质结复合基质。
3.根据权利要求2所述的化合物的制备方法，其特征在于：二维碳氮化合物C3N4的制备方法包括如下步骤：
a)按照质量比称取三聚氰胺和双氰胺，所述的三聚氰胺和双氰胺的质量比为(4.0-6.0)：(3.2-3.5)；
b)将马弗炉温度设置为550-650℃，常温压力保持4.0-5.0小时；
c)将三聚氰胺和双氰胺加入氧化铝坩埚，然后放入马弗炉中，随后在500-530℃下进一步脱氨处理3-4h，反应后将氧化铝坩埚冷却至室温；
d)将得到的黄色产物经过去离子水洗涤、干燥后得到二维碳氮化合物C3N4备用。
4.根据权利要求2所述的化合物的制备方法，其特征在于：MoS2的制备方法包括如下步骤：
a)按照物料比称取四硫代钼酸、甲醇、肼，所述的四硫代钼酸、甲醇、肼的物料比为0.25-0.30mmol：50-70mL：2.5-3.5mL；
b)将四硫代钼酸铵加入到甲醇中，然后将混合物超声3.0-4.0小时，以获得清澈的溶液；
c)将溶液倒入一个容器中，磁搅拌下，滴加肼到所述的容器中，然后将反应混合物在油浴中加热到80-90℃，在回流下不断搅拌12-13小时，自然冷却后，在9000-12000rpm下离心即可收集到黑棕色沉淀，然后用去离子水和乙醇分别洗涤沉淀至少2-3次；
d)将制备好的沉淀物被放置在一个瓷船中，并保存在一个石英管中，石英管放置在管状炉内，然后用氮气吹扫管40-45分钟，以5.0℃/min的温度将沉淀加热到900-1000℃。
e)1-3小时后，熔炉自然冷却到室温，收集得到的黑棕色二硫化粉末。
5.权利要求1所述的化合物在制备检测前列腺癌血尿样本代谢物的产品中的用途。
6.权利要求1所述的化合物在标准小分子物质检测中的应用，其特征在于包括以下步骤：
a)配制标准小分子溶液，所述的小分子为甲硫氨酸，精氨酸或者肌酸酐；
b)MALDI靶板依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗10-30min；
c)将配制好的标准小分子溶液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔内，待其干燥后，将权利要求1所述的化合物在水中超声分散10-15分钟，获得均相溶液，随后将均相溶液均匀覆盖在MALDI靶板的待检标准小分子溶液上；待其干燥后，并分析代谢指纹图谱的峰型。
7.根据权利要求6所述的所述的化合物在标准小分子物质检测中的应用，其特征在于，所述的甲硫氨酸，精氨酸和肌酸酐标准小分子溶液浓度为1.0-3.0mg/ml，权利要求1所述的化合物的浓度为2.5-3.5mg/ml。
8.权利要求1所述的化合物在血清代谢物质检测中的应用，其特征在于包括以下步骤：
a)将待检血清稀释10倍后，并将稀释样本8000-12000g/min超高速离心30-40min后，得到检测液；
b)依次使用HPLC级纯度的无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI MTP 384靶板15-20min；
c)将所述检测液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔的内圈，待其干燥后，将权利要求1所述的化合物均匀覆盖在MALDI靶板上；待其干燥后，使用质谱仪检测，并分析所得质谱指纹图像。
9.权利要求1所述的化合物在尿液代谢物质检测中的应用，其特征在于包括以下步骤：
a)依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板30-45min；
b)将待检尿液均匀铺平于清洗后的MALDI靶板点样孔的内圈，待其干燥后，将在去离子水中超声分散后的权利要求1所述的化合物均匀覆盖在MALDI靶板的待检尿液上；
c)等待充分的干燥后，使用飞行时间质谱仪检测，并分析所得质谱代谢指纹图像。
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