CN104089999A - 基于碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电化学传感器技术领域，具体为基于太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器及其制备方法。制备方法包括：在水热体系下，导电玻璃基底上生长二氧化钛纳米线阵列；通过微波法一步原位获得硅烷功能化的氮掺杂的碳点(N-CDots)；然后将经过浓硫酸处理的二氧化钛纳米线，放于N-CDot的乙醇溶液中，加入浓氨水，静置反应，定义为N-CDot-TiO₂。N-CDot-TiO₂比纯TiO₂光电流提高了接近2倍，制备的光电流开和关的传感器，可以用于实时原位动态检测心肌细胞的H₂S明星分子的含量大小。本发明设计巧妙，原材料来源广泛，制备方法简单、环保、价格低廉，响应快速、宽线性范围、高选择性，有利于推广应用。

Description

基于碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电化学传感器技术领域，具体涉及一种太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列应用于心肌细胞的信号分子传感器及其制备方法。 

背景技术

近年来, 人类目前所面临的能源危机和环境污染问题的日益突出, 社会的发展要求开发出高效, 无污染的清洁能源, 支撑人类生存和发展的能源正从以石油, 煤等为主的污染消费型能源转向清洁再生型能源。光电化学技术以其室温深度反应和可直接利用太阳能作为光源来驱动反应等独特性能, 而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。其中,半导体纳米材料尤其是TiO₂纳米材料由于具有独特的光电化学性能、优异的热稳定性、生物惰性、无毒无害及制作简便等, 使得它无论是在太阳能光电转换方面,还是在废物的降解处理方面都有很好的实际应用前景。然而, 纳米TiO₂本身也存在诸多问题, 比如: 禁带宽, 产生的电子一空穴对寿命短且极易复合, 光谱响应范围较窄, 这些都很大程度上抑制了纳米TiO₂的光电化学活性及其应用。 针对目前纳米TiO₂存在的这些缺陷, 可采用敏化、半导体复合、纳米电极有序构建以及新型电解质设计等途径对纳米TiO₂光电化学体系进行改性和优化。TiO₂的光电性质和化学修饰成为了一个普遍的研究热点。 

鉴于 TiO₂所存在的光谱响应范围窄、光生载流子复合严重的缺点，对 TiO₂进行修饰和改性成为当前研究的热点。修饰和改性主要集中在两个方面，其一是对其进行形貌的控制，其二则是对其进行化学修饰。TiO₂材料具有价格低廉、性质稳定、易于制备等优点，而对其进行进一步的化学修饰可以改善其光谱响应范围窄、载流子复合率低的缺陷，使其更好地应用于光电化学反应体系之中。基于 TiO₂的光电化学检测原理是将利用待测物质固定在 TiO₂电极表面，并通过监测待测物质发生特定生物化学反应时体系光电化学信号（如光电流等）的变化来对待测物进行定性和定量的分析。如 Willner 等利用 CdS 光电化学信号的变化实现了 DNA 的检测，而陈达等利用辣根过氧化物酶（HRP）催化过氧化氢反应对于所附着的TiO₂纳米管阵列电极在400 nm处光电流的变化实现了可见光下对过氧化氢的检测。 

光电化学作为一种灵敏的检测手段是在二十世纪八十年代发展起来的, 并在近年来得到进一步的推广。光电化学检测的整个体系采用光来激发, 检测的是电信号, 两者不会相互干扰, 因此基于光电化学的分析方法具有很高的灵敏度; 和电化学检测方法相比, 光电化学分析方法由于采用光来激发因此可以使用阵列的模式来检测; 另外, 光电化学采用电子检测设备, 非光检测, 因此所用仪器体积小, 造价低, 检测成本相对其他检测方式而言要小。光电化学检测的基本原理就是基于半导体材料或光电化学信号响应分子在合适波长的光照下, 吸收光子能量后半导体价带电子跃迁至导带或信号响应分子从基态跃迁至激发态, 产生光生电荷, 并进一步转移至电极表面形成光电流, 通过检测光电流信号的变化(大小、方向)来获得相应的被检测分子信息。Weber等人用钌联吡啶复合物作为光电化学信号分子, 对存在于血清中的Ru(bpy)₃ ²⁺ 进行了光电化学检测, 在尿酸和草酸存在的情况下, 该方法检测钌化合物的检测限可以达到10^-10 mol/mL; Lacourse等利用光电化学法检测了丙酮、苯酚等小分子物质, 其检测限在200uL体系中可以达到20-30ppm。weetall实验室首次利用光电化学方法来检测DNA, 开创了利用光电化学技术来检测生物大分子的时代。之后, 许多科研工作者尝试直接利用半导体材料的光电化学性能对生物分子进行检测。例如,2001年, wiliner等利用CdS量子点的光电化学响应成功检测了DNA生物大分子; 中国科学院生态环境中心郭良宏课题组利用光电化学检测技术对生物素一抗生素(biotin-avidin)相互作用进行了定量检测, 他们采用钌联吡啶敏化SnO₂半导体纳米电极作为光电化学响应界面, 然后抗生素通过静电吸附的作用吸附到电极表面, 随着加入的生物素与电极表面抗生素相互作用,光电流信号也会发生相应的变化, 由此获得生物反应成功地利用TiO₂纳米电极的光电化学性能, 在不引入任何其他光电化学信号分子的前提下,直接对DNA的杂合过程进行了光电化学检测, 从而为DNA杂合过程的检测提供了一种无标记分子、高灵敏、简便和低成本的新型检测方法。 

作为一种新型的荧光碳纳米材料，具有良好荧光稳定性，无光闪烁现象、优良的水溶性和生物相容性、以及低毒性和激发波长和发射波长可调控等一系列优异的性能，使得荧光碳点取代量子点在生物医学上的地位成为可能。在众多制备碳点的方法中，采用碳纳米管或石墨烯等昂贵碳源材料，使用激光脉冲仪等昂贵的设备，或者掺杂金属离子及表面钝化 PEG 等方式修饰碳点，可以获得较高荧光量子产率的碳点。然而由于上述这些制备方法工艺步骤繁琐，原料成本较高等因素，导致荧光碳点的合成难以规模化生产。此外利用葡萄糖、聚乙二醇等作为碳源，在强酸条件下微波或超声波辅助分解时，副反应比较复杂导致分离过程繁琐费时，荧光碳点产量不高，因此而该方法的应用受到限制。分别利用丙三醇和磷酸三丁酯同时制备得到了荧光发射波长激发依赖的碳点，为研究碳点的结构和发光机理提供一个较好的、新的素材。一种简便的微波热解的方法被成功的用于碳点的制备。微波辅助法制备碳点的原理通常为有机小分子在瞬间提供的高能量微波作用下发生碳化，交联成核，从而形成具有荧光性能的碳点。本发明方法操作简便快捷，原料易得，环境友好，采用简单的微波反应器即可成功实现碳点的制备。 

硫化氢一直被认为是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体, 近年来, 作为继 NO、CO 之后的第三种气体信号分子引起了广大科研工作者的探索兴趣。在牛、老鼠和人的大脑内存在高浓度的内源性硫化氢, 高达 10~600 mM。 在生物体内,硫化氢广泛参与各种生理过程,具有多种生理功能,包括血管舒张、抗氧化、抗凋亡及消炎作用等。体内 H₂S 浓度的改变与多种疾病有关, 如阿尔茨海默Alzheimer 病(即老年痴呆)、唐氏综合症、糖尿病、肝硬化、慢性阻塞性肺疾病等,因此针对硫化氢的生物学研究已成为当今的热点领域。为了更深入地研究内源性硫化氢与相关疾病之间的关系、对机体的作用位点及其分子机理,实现对体内硫化氢的准确、快速、灵敏、原位检测显得十分重要,从而对分析工作者发展新的活体组织硫化氢检测策略与技术提出了新的挑战。传统的检测 H₂S 方法主要包括比色法、电化学法、气相色谱法、金属诱导硫沉积法等, 然而这些方法需要对样品进行复杂、繁冗的预处理, 使得无法实现对体内 H₂S 水平的实时监测和空间监控。而且硫化氢在体内分解代谢快速,导致其水平波动很大,使得对其的准确检测具有极大的难度。目前文献报道的内源性 H₂S 浓度范围为 10 到 100 μM。通过荧光小分子探针进行荧光检测及荧光成像是目前用于生物分子在线检测的最具吸引力的分子成像技术,主要归功于其高的灵敏度、优良的选择性、无损伤以及适用于活体细胞、组织及小动物。因此,发展新的荧光探针用于 H₂S 的检测及成像,可以为我们对其研究提供一个非常重要的手段。至今为止，设计检测 H₂S 的荧光探针主要是以其还原性、亲核性及对铜离子的强络合能力。 

H₂S与铜离子络合, Nagano 研究组报道了一种含氮杂大环的铜离子配合物探针 HSip-1, 硫化氢与探针中的铜离子结合后, 将铜离子从探针中拉出,释放出荧光基团, 使得探针的荧光恢复。这类探针可实现对硫化氢的高选择性、高敏感检测,并可用于活体细胞中检测。Yu 采用联萘酚作为荧光信号基团,连接上能与铜离子络合的配体,发展了一种多功能的荧光探针, 能实现对水溶液中硫离子和铜离子的同时检测。以上这些探针在对 H₂S 选择性、响应时间、检测限、血清检测、细胞及组织成像等一个或多个方面进行了改进与完善, 取得了不错的进展。 然而大多数还是采用普通的荧光染料作为信号报告基团,激发和发射波长处于紫外-可见区,用于细胞及活体成像存在诸多弊端, 如组织受损厉害、穿透能力不强等。

本发明根据以上研究背景设计了新型太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列用于心肌细胞的信号分子传感器，用于实时动态检测H₂S。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器及其制备方法和应用。 

本发明提供的一种基于太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器制备方法，具体步骤为： 

(1) 将水与浓酸混合0.1–0.5小时后，向其中加入钛源，锡源，搅拌状态下反应5–10 min，然后转移到反应釜中，将适当大小的基底（玻璃片）正面朝下放入釜内，140–180℃条件下反应4–20个小时；将上述步骤制得的产物冲洗干净、晾干，于空气气氛中450–550℃温度条件下焙烧1–2小时，接着于惰性气体和还原性气体混合气氛中350–550℃温度条件下焙烧0.5–2小时，即获得掺二氧化钛纳米线阵列；

(2) 将二氧化钛纳米线阵列置于浓酸中浸泡过夜，使其表面带上羟基；

(3) 微波法一步合成含氮的碳点，即把0.25 g柠檬酸为碳源，0-20 mg的三聚氰胺为氮源，利用5 ml有机硅烷为偶联剂和功能化试剂，一步法原位获得硅烷功能化的氮掺杂的碳点(记为N-CDots)；

(4) 然后将经过浓硫酸处理的二氧化钛纳米线，放于N-CDot的乙醇溶液中，加入浓氨水，静置24-48小时使之反应，定义为N-CDot-TiO₂；基底用N₂吹干，待用；

N-CDot-TiO₂比纯TiO₂光电流提高了接近2倍；

(5) 通过淬灭金属离子M（如Cu²⁺）淬灭荧光，进而N-CDot-TiO₂+M的光电流又回到了和纯TiO₂差不多大小，这时又加入了S^2-和H₂S又将M竞争出来，进而荧光又恢复，光电流又回到之前N-CDot-TiO₂的大小，这样制备的一个光电流开和关的传感器，可以用于实时原位动态检测心肌细胞的H₂S明星分子的含量大小。

本发明中，所述的碳源为柠檬酸、聚乙二醇或者聚苯乙烯小球中的一种或多种。 

本发明中，所述的氮源是三聚氰胺、尿素或者乙二胺中的一种或多种。 

本发明中，所述的硅烷是N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（AEAPMS）或者3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)。 

所述的淬灭金属离子M可以为Cu²⁺, Zn²⁺ 或Fe³⁺。 

本发明中，基于太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器中，最低检测限为10 nM，灵敏度高，选择性好。 

本发明新型纳米线阵列的还可应用于光电化学传感器：以碳量子点-纳米线阵列为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，pH7.4 PBS溶液为反应电解液，照射光强度为一个太阳光，照射截面积为可根据0.02-0.06 cm²面积大小调节。 

本发明的碳量子点-纳米线阵列是首先水热法制备氧化钛纳米线，通过一步微波法合成掺氮碳点，最后通过硅烷偶联一步原位在氧化钛纳米线上生长掺氮碳点。通过铜离子来淬灭荧光，又通过硫离子或者H₂S来竞争性地将铜离子置换出来，因而荧光又恢复，形成了光电流开关的传感器。碳量子点-氧化钛纳米线阵列具有制作工艺简单，成本低，稳定性好，高灵敏度和低检测限并对环境友好的特点，适合大面积生产，对于光电化学才传感器研究上具有重要意义，在光电生物分析领域也具有很好的应用前景。 

附图说明

图1：a 微波法合成的碳点SEM照片；b为放大晶格图；c为不同掺氮量的碳点的荧光强度峰；d为碳量子点-纳米线阵列的侧面SEM图和e为SEM正面图；f 为碳量子点-纳米线阵列的TEM图。 

图2：a为纯氧化钛、碳点敏化氧化钛、氮掺杂碳点敏化氧化钛、铜离子淬灭氮掺杂碳点敏化氧化钛等的光电流图；b氮掺杂碳点敏化氧化钛随着向溶液中加入铜离子和硫离子的光电流随着时间的变化图。 

图3为太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列应用于心肌细胞的信号分子传感器图示。 

具体实施方式

下面，通过以下实施例对本发明作进一步说明，它将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。 

在水热体系下，以钛酸四正丁酯为钛源，水为溶剂，四氯化锡为锡源，浓盐酸为酸源，在含氟氧化锡（FTO）导电玻璃基底上生长二氧化钛纳米线阵列。再通过微波法一步合成含氮的碳点，柠檬酸为碳源，不同比例的三聚氰胺为氮源，利用有机硅烷N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（AEAPMS）为偶联剂和功能化试剂，一步法原位获得了硅烷功能化的氮掺杂的碳点( N-CDots )。然后将经过浓硫酸处理的二氧化钛纳米线，放于N-CDot的乙醇溶液中，加入浓氨水，静置24小时使之反应，定义为N-CDot-TiO₂。N-CDot-TiO₂比纯TiO₂光电流提高了接近2倍，通过Cu²⁺可以淬灭荧光，进而N-CDot-TiO₂+Cu²⁺的光电流又回到了和纯TiO₂差不多大小，这时又加入了S^2-和H₂S又将Cu²⁺竞争出来，进而荧光又恢复，光电流又回到之前N-CDot-TiO₂的大小，这样制备一个光电流开和关的传感器，可以用于实时原位动态检测心肌细胞的H₂S明星分子的含量大小。本发明设计巧妙，原材料来源广泛，制备方法简单、环保、价格低廉，响应快速、宽线性范围、高选择性，有利于推广。 

如图3所示，以碳量子点-纳米线阵列为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，pH 7.4 PBS溶液为反应电解液，照射光强度为一个太阳光，照射面积为1 cm²。在0 V条件下，测其光电流值随着时间变化（如图2b）。 

Claims (6)

1. 一种基于太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器的制备方法，其特征在于具体步骤为：

(1) 将水与浓酸混合0.1–0.5小时后，向其中加入钛源，锡源，搅拌状态下反应5–10 min，然后转移到反应釜中，将基底正面朝下放入釜内，140–180℃条件下反应4–20个小时；将上述步骤制得的产物冲洗干净、晾干，于空气气氛中450–550℃温度条件下焙烧1–2小时，接着于惰性气体和还原性气体混合气氛中350–550℃温度条件下焙烧0.5–2小时，即获得掺二氧化钛纳米线阵列；

(2) 将二氧化钛纳米线阵列置于浓酸中浸泡过夜，使其表面带上羟基；

(3) 微波法一步合成含氮的碳点，即把0.25 g柠檬酸为碳源，0-20 mg的三聚氰胺为氮源，利用5 ml有机硅烷为偶联剂和功能化试剂，一步法原位获得硅烷功能化的氮掺杂的碳点，记为N-CDots；

(4) 然后将经过浓硫酸处理的二氧化钛纳米线，放于N-CDot的乙醇溶液中，加入浓氨水，静置24-48小时使之反应，定义为N-CDot-TiO₂；玻璃片用N₂吹干，待用；

(5) 通过淬灭金属离子M淬灭荧光，进而N-CDot-TiO₂+M的光电流又回到和纯TiO₂差不多大小，这时加入S^2-和H₂S，又将M竞争出来，进而荧光又恢复，光电流又回到之前N-CDot-TiO₂的大小，这样制备得用于实时原位动态检测心肌细胞的H₂S明星分子的含量大小的光电流开和关的传感器。

2. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的碳源为柠檬酸、聚乙二醇或者聚苯乙烯小球中的一种或多种。

3. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的氮源是三聚氰胺、尿素或者乙二胺中的一种或多种。

4. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的硅烷是N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷或者3-氨丙基三乙氧基硅烷。

5. 如权利要求1-4之一所述的制备方法，其特征在于所述的淬灭金属离子M为Cu²⁺, Zn²⁺ 或是Fe³⁺。

6. 一种由权利要求1-5之一所述制备方法制备得到的基于太阳光驱动的碳量子点-纳米线阵列的心肌细胞信号分子传感器，最低检测限为10 nM。