基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器及其制备方法

本发明公开了一种基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器及其制备方法，属于光电化学传感。

背景技术：

1、作为全球最主要的死因之一，癌症严重危害着人类的生命健康。发展针对癌症标志物的灵敏检测技术对推进国民体质监测与医疗健康服务，从而提升人民幸福感与满意度至关重要。迄今为止，科研人员已开发出包括荧光分析、电化学与电化学发光传感等多种用于检测癌症标志物的分析技术。然而，这些技术需要昂贵的精密仪器且检测步骤复杂繁琐，使其进一步应用受限。开发低成本、操作简单以及高灵敏度的癌症标志物检测技术因而成为研究热点。

2、近年来，光电化学传感以其信噪比高、检测成本低以及操作简单等优势受到研究人员的广泛关注。在众多光电化学传感策略中，光电信号极性反转传感策略由于具有灵敏度高、抗干扰性强的优势而被认为具有良好的实际应用前景，是目前的研究热点。尽管取得了一定的进展，但传统基于光电信号极性反转传感模式的光电化学传感器大多通过多种复杂光电活性材料之间异质结界面的形成来实现高效信号极性反转，使得这类传感器制备工艺复杂、制备成本增加、可靠性降低，极大限制其大规模商业化生产以及在实际检测中的应用。

技术实现思路

1、为解决目前存在的技术问题，本发明提供一种基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、技术方案之一：

4、一种基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器，以bi2o3纳米片阵列为光电极材料，以碱性磷酸酶为生物催化元件，当电极与含有癌症标志物甲胎蛋白的检测液孵化后，数量与甲胎蛋白浓度呈正相关的碱性磷酸酶催化硫代磷酸钠的水解反应从而产生硫化氢气体，该气体与光电极材料接触后发生掺杂反应，改变光电极电子结构，使传感器光电信号的极性在无需引入多种复杂光电活性材料的情况下即可发生反转，实现对癌症标志物甲胎蛋白的高灵敏检测，因此可有效降低传统信号极性反转光电化学传感器的制备成本，简化制备工艺，同时提升其可靠性，具有十分广阔的应用前景；

5、技术方案之二：

6、一种基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

7、（1）利用溶剂热技术在fto基底上制备bi2o3纳米片，得到bi2o3纳米片阵列光电极；

8、（2）将步骤（1）所得bi2o3纳米片阵列光电极浸入含有（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，孵化后用去离子水清洗3次，得到氨基功能化的bi2o3纳米片阵列光电极；

9、（3）将步骤（2）所得氨基功能化的bi2o3纳米片阵列光电极浸入戊二醛溶液中，孵化后用去离子水清洗3次，随后向其表面滴加40 µl甲胎蛋白一抗溶液，孵育后用pbs缓冲液（1m，ph = 7.4）冲洗3次，得到甲胎蛋白一抗修饰的bi2o3纳米片阵列光电极；

10、（4）向步骤（3）所得甲胎蛋白一抗修饰的bi2o3纳米片阵列光电极表面滴加40 µl牛血清白蛋白溶液，孵化后用pbs缓冲液（1 m，ph = 7.4）冲洗3次，得到可特异性识别甲胎蛋白的bi2o3纳米片阵列光电极；

11、（5）基于戊二醛标记法制备碱性磷酸酶标记的甲胎蛋白二抗，得到可检测甲胎蛋白的光电化学传感器；

12、进一步地，步骤（1）包含以下步骤：利用旋涂法将含有bi(no3)3·5h2o的种子液涂覆至fto基底的导电面一侧，350 ℃下煅烧1 h，随后，将所得fto基底导电面向上置于反应釜中并加入含有bi(no3)3·5h2o的生长液，随后进行溶剂热反应以在fto基底上生长bi2o3纳米片阵列。样品取出后，用去离子水冲洗三次并置于60 ℃干燥箱中烘干一夜；

13、更进一步地，所述含有bi(no3)3·5h2o的种子液配置方法如下：称取50-300 mg bi(no3)3·5h2o加入20-50 ml有机溶剂中，超声处理1-2 h得到种子液，所述有机溶剂选自乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺中的一种；

14、更进一步地，所述含有bi(no3)3·5h2o的生长液由bi(no3)3·5h2o、n,n-二甲基甲酰胺和乙醇组成，三者的料液比为（0.5-2）g∶(15-25) ml∶(25-30) ml；所述反应釜具有teflon内衬，溶剂热反应条件为在150-190 ℃下反应6-10 h；

15、进一步地，步骤（2）中所述含有（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷的乙醇溶液浓度为1-3%，孵化条件为在室温下反应1.5-2.5 h；

16、进一步地，步骤（3）中所述戊二醛溶液浓度为2-10%，戊二醛孵化条件为在室温下反应1.5-2.5 h；甲胎蛋白一抗溶液浓度为1-5 mg/ml，孵育条件为在4 ℃下反应5-10 h；

17、进一步地，步骤（4）中所述牛血清白蛋白溶液浓度为1-5%，孵化条件为在4 ℃下反应2-5 h；

18、进一步地，步骤（5）包含以下步骤：将2-10 mg碱性磷酸酶加入5 ml甲胎蛋白二抗溶液（1-5 mg/ml）中溶解，装入透析袋，在4 ℃下用pbs缓冲液（10 mm ph=7.2）透析18 h，期间换液三次，随后加入浓度为2-10%的戊二醛溶液20-100 µl，室温反应2 h后在4 ℃下用pbs缓冲液（10 mm ph = 7.2）透析过夜，其间换液三次，之后换用tris-hcl缓冲液（50 mmph=8.0）缓冲液在4 ℃下透析过夜，得到碱性磷酸酶标记的甲胎蛋白二抗，用含牛血清白蛋白溶液（1-5%）的tris-hcl缓冲液（50 mm ph = 8.0）释至20 ml，2-8 ℃保存备用。

19、本发明进一步保护一种将上述基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器用于检测癌症标志物甲胎蛋白的方法，包括以下步骤：

20、将40 µl含有甲胎蛋白的待测溶液滴加在所制备的基于单光敏材料的极性反转光电化学传感器上，室温下孵育1 h，随后用pbs缓冲液（1 m，ph = 7.4）冲洗3次；将40 µl步骤（5）所得碱性磷酸酶标记的甲胎蛋白二抗溶液滴加至传感器表面，室温孵育1 h后，将传感器浸入含有2 mm硫代磷酸钠的pbs缓冲液（1 m，ph = 7.4）中反应20 min；随后，将所得传感器置于含50 mm抗坏血酸的25 ml pbs缓冲液（1 m，ph = 7.4）中，通过电化学工作站记录其在氙灯照射下的光电流信号。

21、本发明的有益效果：

22、（1）通过目标物引发的生物催化反应改变光电极材料电子结构，使传感器光电信号的极性在无需引入多种复杂光电活性材料的情况下即可发生反转，可有效降低传统信号极性反转光电化学传感器的制备成本，简化制备工艺，同时提升其可靠性；

23、（2）以光电活性良好、比表面积巨大的bi2o3纳米片为光电极材料，制备的传感器因而具有优异的光电信号响应，有利于提高传感器的灵敏度；

24、（3）目标物使传感器光电信号极性反转，可大幅提升传感器检测复杂实际样品时的抗干扰能力，同时降低检测限。