一种检测钾离子的光电化学适配体传感器及其制备方法

1.本发明涉及一种检测k
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的光电化学适配体传感器及其制备方法，更具体地说是涉及一种基于bi2s3和ceo2逐级修饰电极的光电化学适配体传感器。


背景技术：

2.富含鸟嘌呤的dna序列可以作为适配体，其包含两个或多个g束和环区，有形成富g四联体的潜力，这些结构由hoogsteenh键和中心阳离子来进行稳定。利用selex(配体指数富集系统进化)方法在体外筛选一些被命名为适配体的富含鸟嘌呤的dna序列对多种靶标具有特异性和高结合亲和力，包括金属阳离子、有机小分子和蛋白质。近来，基于富g适配体的光电化学生物传感器被广泛开发，其中hum、pw17、agro100、t30695、ps2等功能性富g适配体运用的较为广泛。
3.光电化学(pec)分析作为一种新兴的检测技术，得到了快速发展。在pec检测过程中，采用光作为激励信号，电作为响应信号。光和电这两种不同物质的结合，使pec技术同时具有电化学和光学方法的优点，包括响应快、操作简单、仪器所需成本低和检测灵敏度高等。因此，pec技术广泛应用于生物分析。然而传统的光电化学材料光能利用率低、生物相容性差等问题限制了其在生命分析化学中的应用，因此，寻找新型高效、价廉、生物相容性好的光电化学电极材料仍是构建光电化学免疫传感器的重要研究目标。
4.bi2s3作为一种金属硫化物，因其可见光响应范围宽、制备简单、生物相容性高、毒性低等优点而受到广泛关注。其可以吸收全可见光谱的光，占太阳光谱的45％左右。此外，bi2s3在可见光波长范围内具有104～105cm-1
的吸收系数和约5％的光电转换效率。更重要的是，bi2s3的带隙相对较窄，在1.3～1.7ev之间变化，且形态可调。然而，窄带隙使得bi2s3的电子空穴快速重组，降低了pec响应，导致检测灵敏度较低。为了克服这一挑战，人们采用了不同的方法，如元素掺杂、导电材料改性、构造异质结。ceo2作为典型的金属氧化物，是一种常见的n型半导体。由于其良好的生物相容性、稳定性、强的光收集能力和独特的电子结构，在生物医学、光催化和光电池等领域得到了广泛的应用。此外，因其有着较宽的带隙(2.5ev)，所以将ceo2与bi2s3复合后，有效改善了电子空穴的重组，从而达到提高pec响应效果。
5.钾是人体必需的元素之一，对维持细胞外渗透性、调节生物体内其他离子浓度有着重要影响。特别是其作为血液电解质，对心血管系统有直接影响。血液中细胞外钾水平的变化可能导致高钾血症或低钾血症，导致心律紊乱，最终对心脏功能以及血压调节产生威胁。因此，有必要开发一种可靠检测该离子的检测系统。迄今为止，已有大量关于k
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测定的研究报道，但光电化学生物传感系统仅限于少数例子。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种基于bi2s3和ceo2逐级修饰的检测k
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的光电化学适配体传感器及其制备方法，以高光电流响应、高稳定性的光电
化学生物传感器实现对k
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的快速、灵敏检测。
7.本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
8.本发明首先公开了一种检测k
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的光电化学适配体传感器，其特点在于：所述光电化学适配体传感器是在ito玻璃电极的表面逐级滴加bi2s3材料和ceo2材料的分散液，然后滴加壳聚糖溶液，最后再通过静电吸附将富g适配体孵育到电极上，所述富g适配体可与目标物k
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发生特异性识别反应。本发明所制备的光电化学适配体传感器以bi2s3和ceo2为光电活性材料，其分别是典型的金属硫化物和金属氧化物，将二者结合形成复合材料之后，由于材料之间带隙匹配，可见光吸收增强、电荷传输速率加快，光电化学响应显著提高。选定的富g适配体链(名称：hum；碱基排列顺序：5
’‑
gggttagggttagggttaggg-3’)对k
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有特异性识别，在k
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存在时富g适配体链与k
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形成四联体构象，在电极上形成弱导电层。位阻效应和弱导电层这种界面性质对电子转移有着显著影响，从而导致光电流响应的下降。
9.进一步地，所述bi2s3材料的制备方法为：将0.08mmol的bi(no)3·
5h2o和0.14mmol的na2s
·
9h2o分别用20ml乙醇溶解；然后将溶解后的bi(no)3溶液倒入na2s溶液中，混合溶液持续搅拌2h，产物用去离子水和乙醇依次洗涤后，放入60℃烘箱干燥，获得bi2s3材料。
10.进一步地，所述ceo2材料的制备方法为：称取1mmol的ce(no)3·
6h2o和1mmol的1,2,4,5-苯四羧酸于20ml的乙醇中，搅拌至溶解，然后放入反应釜中80℃反应1h；待反应结束后，用去离子水和乙醇将产物交替离心洗涤3次，最后在60℃下干燥；干燥后的产物充分研磨后，600℃煅烧120min，获得ceo2材料。
11.本发明所述的检测k
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的光电化学适配体传感器的制备方法，是按如下步骤进行：
12.步骤1、将ito玻璃电极依次用水和乙醇超声清洗，然后在60℃条件下干燥，备用；
13.步骤2、将3mgbi2s3加入到3ml去离子水中，超声分散1.5h，得到bi2s3分散液；在5mgceo2中加入5ml去离子水，超声分散1h，得到ceo2分散液；
14.步骤3、在步骤1清洗干燥后的ito玻璃电极表面均匀滴加25μl～30μlbi2s3分散液，室温干燥；然后再滴加30μl～35μlceo2分散液，得到bi2s3/ceo2逐级修饰电极；
15.步骤4、将壳聚糖溶解在冰醋酸中，获得质量浓度为0.2％的壳聚糖溶液；将富g适配体用te缓冲液稀释至1μm～1.2μm，获得富g适配体溶液；
16.在步骤3所制备的bi2s3/ceo2逐级修饰电极表面滴加8μl壳聚糖溶液，壳聚糖用于固定适配体。之后在表面滴加30μl富g适配体溶液，4℃下孵育12h；孵育结束后，取出并用ph为7.2～7.4的te缓冲液冲洗，即得到检测k
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的光电化学适配体传感器。
17.利用上述的适配体传感器检测k
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的方法为：
18.步骤a、向所述光电化学适配体传感器表面滴加30μl的待测k
+
溶液，在37℃孵育40～50min；用te缓冲液缓慢冲洗后，即得到待测电极，静置备用，；
19.步骤b、将步骤1所得待测电极在含有0.1mol/laa的0.1mol/l、ph为7.4的pbs缓冲溶液中进行光电化学测试，获得待测k
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溶液的光电流响应值，利用光电流响应值与k
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浓度的标准关系曲线，判断待测k
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溶液中k
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的浓度。
20.进一步地，所述标准关系曲线是通过将浓度在10fg/ml～10ng/ml之间的一系列标准k
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溶液(分别为0fg/ml、100fg/ml、1pg/ml、10pg/ml、100pg/ml、1ng/ml和10ng/ml)按步骤a制备成待测电极后，再按照步骤b进行光电化学测试，获得各浓度k
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样品所对应的光电流响应值，然后以k
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样品的浓度的对数值为横坐标、以光电流响应值为纵坐标进行拟合获得。
如图1所示，标准关系曲线为i(μa)＝-5.56lgc+57.87。检测表明当k
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样品浓度在10fg/ml到10ng/ml范围内，光电流响应值随着k
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样品浓度的增大而降低，与浓度成线性关系，检测限达到0.4pg/ml。
21.所述光电化学测试是以所述光电化学适配体传感器为工作电极、以pt电极为对电极、以饱和氯化银电极为参比电极的三电极体系，以250w氙灯为光源，波长范围为280-1000nm，外加电压为0v，用chi660d型电化学工作站记录电流变化。
22.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
23.1、本发明通过光电化学适配体传感器实现了对k
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的检测，方法简单、检测范围广、灵敏度高、易于操作；
24.2、本发明对k
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的检测方法所需样品量少，检测成本低；
25.3、本发明通过bi2s3和ceo2逐级修饰制备光电化学适配体传感器，光电流响应值高、生物相容性好，且具有极好的稳定性。
26.4、本发明将bi2s3和ceo2结合起来，制备bi2s3和ceo2逐级修饰电极，扩大光谱吸收范围，提高光电转换效率，是制备光电化学生物传感器的新型策略。另采用富g四联体与k
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的特异性结合，提高了灵敏度和特异性，为临床诊断等领域提供了一种新思路。
附图说明
27.图1为本发明对浓度分别为10fg/ml、100fg/ml、1pg/ml、10pg/ml、100pg/ml、1ng/ml和10ng/ml的k
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标准样进行光电化学测试所获得的标准关系曲线。
28.图2为本发明中bi2s3的透射电子显微镜(tem)表征结果。
29.图3为本发明中ceo2的扫描电子显微镜(sem)表征结果。
30.图4为本发明中bi2s3和ceo2的x射线衍射(xrd)表征结果。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
32.下述实施例所用bi2s3材料的制备方法为：将0.08mmol的bi(no)3·
5h2o和0.14mmol的na2s
·
9h2o分别用20ml乙醇溶解。然后将溶解后的bi(no)3溶液倒入na2s溶液中，混合溶液持续搅拌2h。产物用去离子水和乙醇依次洗涤三次后，放入60℃烘箱干燥，获得bi2s3材料备用。
33.下述实施例所用ceo2材料的制备方法为：称取1mmol的ce(no)3·
6h2o和1mmol的1,2,4,5-苯四羧酸于20ml的乙醇中，搅拌10分钟使原料溶解。将搅拌后的溶液放入反应釜中，80℃反应1h。待反应结束后，用去离子水和乙醇将产物交替离心洗涤3次，最后在60℃下干燥。干燥后的产物充分研磨后，600℃煅烧120min。煅烧结束后，所得产物即为本实验所需的ceo2材料。
34.下述实施例所用ph为7.2～7.4的te缓冲液及所用富g适配体均购买于上海生工生
物工程技术服务有限公司；下述实施例测试所用含0.1mol/laa(抗坏血酸)的0.1mol/l、ph为7.4的pbs缓冲溶液按如下方法配制：称取1.1496gna2hpo4、0.2964gnah2po4·
2h2o、0.8gnacl、1.7613gaa，配制成100ml水溶液。
35.实施例1
36.本实施例首先按照如下步骤制备检测k
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的光电化学适配体传感器：
37.步骤1、将ito玻璃电极依次用水和乙醇超声清洗4次，然后在60℃条件下干燥，备用；
38.步骤2、将3mgbi2s3加入到3ml去离子水中，超声分散1.5h，得到bi2s3分散液；在5mgceo2中加入5ml去离子水，超声分散1h，得到ceo2分散液。
39.步骤3、在步骤1清洗干燥后的的ito玻璃电极表面均匀滴加30μlbi2s3分散液，室温干燥。然后，在上述电极表面接着滴加30μlceo2分散液，得到bi2s3/ceo2逐级修饰电极。
40.步骤4、将壳聚糖溶解在冰醋酸中，获得质量浓度为0.2％的壳聚糖溶液；将富g适配体用ph为7.2～7.4的te缓冲液稀释至1.2μm，获得富g适配体溶液。
41.在步骤3所制备的修饰电极表面滴加8μl壳聚糖溶液。之后在表面滴加30μl1.2μm的富g适配体溶液，4℃下孵育12h。孵育结束后，取出并用ph为7.2～7.4的te缓冲溶液冲洗，即得到检测k
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的光电化学适配体传感器，静置备用。
42.利用上述的适配体传感器检测k
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的方法为：
43.步骤a、向光电化学适配体传感器表面滴加30μl的待测k
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溶液，在37℃孵育40min；用te缓冲溶液缓慢冲洗后，即得到待测电极，静置备用。
44.步骤b、将步骤1所得待测电极在含有0.1mol/laa的0.1mol/l、ph为7.4的pbs缓冲溶液中进行光电化学测试，获得待测k
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溶液的光电流响应值，利用光电流响应值与k
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浓度的标准关系曲线，判断待测k
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溶液中k
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的浓度。
45.为验证本实施例方法的可行性，取已知浓度分别为1ng/ml、10ng/ml和100ng/ml的待测k
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溶液，利用本实施例的适配体传感器按上述方法分别检测、计算各样品的浓度，依次为1.18ng/ml、11.09ng/ml和99.59ng/ml，可以看出所制备适配体传感器对目标物k
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有快速、灵敏、准确及高效的检测。
46.实施例2
47.本实施例将实施例1光电化学适配体传感器制备方法步骤3中的“滴加30μlbi2s3分散液”和“滴加30μlceo2分散液”改为“滴加25μlbi2s3分散液”和“滴加35μlceo2分散液”，其余条件步骤与实施例1相同，所得适配体传感器与实施例1所得适配体传感器的形貌与性质类似，通过对相同k
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样品的检测，得到相近的检测结果。
48.实施例3
49.本实施例将实施例1光电化学适配体传感器制备方法步骤4中的“1.2μm的富g适配体”改为“1μm的富g适配体”，其余条件步骤与实施例1相同，所得适配体传感器与实施例1所得适配体传感器的形貌与性质类似，通过对相同k
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样品的检测，得到相近的检测结果。
50.实施例4
51.本实施例将实施例1适配体传感器检测k
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的方法步骤a中的“孵育40min”改为“孵育50min”，其余条件步骤与实施例1相同，所得适配体传感器与实施例1所得适配体传感器的形貌与性质类似，通过对相同k
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样品的检测，得到相近的检测结果。
52.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种检测钾离子的光电化学适配体传感器，其特征在于：所述光电化学适配体传感器是在ito玻璃电极的表面逐级滴加bi2s3材料和ceo2材料的分散液，然后滴加壳聚糖溶液，最后再通过静电吸附将富g适配体孵育到电极上，所述富g适配体可与目标物k
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发生特异性识别反应。2.根据权利要求1所述的光电化学适配体传感器，其特征在于：所述bi2s3材料的制备方法为：将0.08mmol的bi(no)3·
5h2o和0.14mmol的na2s
·
9h2o分别用20ml乙醇溶解；然后将溶解后的bi(no)3溶液倒入na2s溶液中，混合溶液持续搅拌2h，产物用去离子水和乙醇依次洗涤后，放入60℃烘箱干燥，获得bi2s3材料。3.根据权利要求1所述的光电化学适配体传感器，其特征在于：所述ceo2材料的制备方法为：称取1mmol的ce(no)3·
6h2o和1mmol的1,2,4,5-苯四羧酸于20ml的乙醇中，搅拌至溶解，然后放入反应釜中80℃反应1h；待反应结束后，用去离子水和乙醇将产物交替离心洗涤3次，最后在60℃下干燥；干燥后的产物充分研磨后，600℃煅烧120min，获得ceo2材料。4.一种权利要求1～3中任意一项所述光电化学适配体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将ito玻璃电极依次用水和乙醇超声清洗，然后在60℃条件下干燥，备用；步骤2、将3mgbi2s3加入到3ml去离子水中，超声分散1.5h，得到bi2s3分散液；在5mgceo2中加入5ml去离子水，超声分散1h，得到ceo2分散液；步骤3、在步骤1清洗干燥后的ito玻璃电极表面均匀滴加25μl～30μlbi2s3分散液，室温干燥；然后再滴加30μl～35μlceo2分散液，得到bi2s3/ceo2逐级修饰电极；步骤4、将壳聚糖溶解在冰醋酸中，获得质量浓度为0.2％的壳聚糖溶液；将富g适配体用te缓冲液稀释至1μm～1.2μm，获得富g适配体溶液；在步骤3所制备的bi2s3/ceo2逐级修饰电极表面滴加8μl壳聚糖溶液，；之后在表面滴加30μl富g适配体溶液，4℃下孵育12h；孵育结束后，取出并用ph为7.2～7.4的te缓冲液冲洗，即得到检测k
+
的光电化学适配体传感器。5.一种利用权利要求1～3中任意一项所述光电化学适配体传感器检测k
+
的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a、向所述光电化学适配体传感器表面滴加30μl的待测k
+
溶液，在37℃孵育40～50min；用te缓冲液缓慢冲洗后，即得到待测电极，静置备用；步骤b、将步骤1所得待测电极在含有0.1mol/laa的0.1mol/l、ph为7.4的pbs缓冲溶液中进行光电化学测试，获得待测k
+
溶液的光电流响应值，利用光电流响应值与k
+
浓度的标准关系曲线，判断待测k
+
溶液中k
+
的浓度。6.根据权利要求5所述的检测k
+
的方法，其特征在于：所述标准关系曲线是通过将浓度在10fg/ml～10ng/ml之间的一系列标准k
+
溶液按步骤a制备成待测电极后，再按照步骤b进行光电化学测试，获得各浓度k
+
样品所对应的光电流响应值，然后以k
+
样品的浓度的对数值为横坐标、以光电流响应值为纵坐标进行拟合获得。

技术总结
本发明公开了一种检测钾离子的光电化学适配体传感器及其制备方法，该传感器建立在Bi2S3和CeO2基础上，将二者结合形成复合材料之后，由于材料之间带隙匹配，可见光吸收增强、电荷传输速率加快，光电化学响应显著提高；选定的富G适配体链对K


技术研发人员：王露莹 毛昌杰 柳星培 陈京帅 金葆康
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/14