CN105424776A - 一种基于碳纳米复合材料的生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器及其制备方法,所述生物传感器的平台包括以下部分:电极、紧贴电极表面的捕获抗体层、待测抗原层以及检测抗体层,所述待测抗原层位于捕获抗体层和检测抗体层中间;所述检测抗体层是由二抗复合体所制成,所述二抗复合体是由检测抗体和碳纳米复合材料相互偶联所制成。相对于现有技术,本发明光电免疫生物传感器,所用试剂无毒无害,对所检测的生命体不存在腐蚀或者其他损伤的优点;同时,具有灵敏度高,生物兼容性好,可以更直观、更细致的展示出检测结果等明显优势,检测仪器简单,价格较为低廉,可以在医学检测方面发挥重要的作用,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器及其制备方法,属于生物传感器技术领域。
背景技术
生物传感器是目前生命科学及临床医学测试方法研究中最为活跃的领域之一,已广泛用于临床、工业、环境和农业分析等领域。20世纪90年代以来,纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了新的活力,并已取得了突破性的进展。纳米材料由于比表面积大、表面反应活性高、表面原子配位不全等导致表面的活性位点增加、催化效率提高、吸附能力增强,为生物传感研究提供了新研究途径。与传统的传感器相比,新型纳米材料传感器不仅体积更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好。由于纳米粒子高的比表面积和其本身的生物兼容性,在生物电催化反应中起着重要作用。例如与纳米粒子组装后的酶,其活性中心可更接近电极表面,易于进行电子转移,提高了生物电催化活性,使其更有利于在电化学传感器中应用。碳纳米材料因其独特的性能如价格低廉、来源广泛、易于功能化、优异的电子性质、高力学强度和广阔的应用前景而备受关注。
目前,传统用于光电生物传感的光电探针材料多为金属化合物,尽管这类材料具有优异的光电转换性能,但是它们往往具有较强的氧化性或较高的毒性,容易对生物分子或生物体造成损伤,并且在长期光照下,此类化合物容易发生自腐蚀(光照下自身不稳定)。
光电化学生物分析是近年来新出现并迅速发展起来的一种分析方法,它是一种基于传统电化学的分析技术。该分析技术定量的基础依赖于待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度之间的关系。因此,这种方法继承了传统电化学分析的诸多优点,如价格低廉,设备简单,灵敏度高等,同时又具有一些在传统电化学平台上难以实现的优点。例如,该方法采用光和电两种不同的方式作为信号的激发和检测手段,两者不会互相干扰,背景低,灵敏度高。
近年来,碳纳米材料,例如碳纳米管、石墨烯、石墨烯量子点、碳点等也被大量用于光电分析生物传感领域的研究,除了不含有金属元素、来源广泛、生物相容性好和环境友好等优势外,它们还表现出优异的界面调控、电子传导和能量共振转移能力。相比之下,作为碳的另一种同素异形体,富勒烯材料(例如C60、C70等)直接用于光电分析生物传感领域的研究非常少。
发明内容
发明目的:为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器及其制备方法。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明公开了一种基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器,所述生物传感器的平台包括以下部分:电极、紧贴电极表面的捕获抗体层、待测抗原层以及检测抗体层,所述待测抗原层位于捕获抗体层和检测抗体层中间;
所述检测抗体层是由二抗复合体所制成,所述二抗复合体是由检测抗体和碳纳米复合材料相互偶联所制成。
作为优选,所述捕获抗体层是由捕获抗体和氧化石墨烯所制成。
作为另一种优选,所述碳纳米复合材料是由富勒烯和氧化石墨烯所制成的复合材料。
作为进一步优选,所述富勒烯和氧化石墨烯的重量比为1:1。
作为另一种优选,所述二抗复合体的制备方法包括以下步骤:
(1)PTC-NH2的制备:
称取苝四羧酸二酐,加入乙醇,搅拌,向其逐滴流加乙二胺试剂,继续搅拌过夜,离心之后取沉淀,分别用乙醇、超纯水超声洗涤离心,室温干燥,得到PTC-NH2后遮光保存;
(2)C60-GO-PTC-NH2的制备:
称取富勒烯C60、氧化石墨烯GO、上述PTC-NH2,研磨成细粉状,转移至PBS中,经过超声分散后,室温下连续搅拌过夜,得到C60-GO-PTC-NH2;
(3)制备二抗复合体:
取上述C60-GO-PTC-NH2,加EDC/NHS,室温下避光搅拌,离心洗涤,将沉淀重悬至PBS之中,向上述溶液中加入检测抗体,4℃避光搅拌,用PBS离心洗涤,将沉淀重悬到PBS中,4℃避光保存,即得所述二抗复合体。
进一步优选,所述二抗复合体的制备方法包括以下步骤:
(1)PTC-NH2的制备:
称取0.5g苝四羧酸二酐(PTCDA,一种水溶性染料),加入2.5ml乙醇,于4℃搅拌1h后,向其逐滴流加乙二胺试剂5ml,继续搅拌过夜,离心之后取沉淀,分别用乙醇、超纯水超声洗涤离心两次,室温干燥,得到PTC-NH2后遮光保存。
(2)C60-GO-PTC-NH2的制备:
称取C60、GO、上述PTC-NH2各0.5mg,于研钵中研磨成细粉状转移至1ml0.01MPBS中。经过1min超声分散后,室温下连续搅拌过夜,得到C60-GO-PTC-NH2。
(3)制备二抗复合体:
取C60-GO-PTC-NH2500ul,加EDC/NHS500ul(EDC、NHS的浓度分别为20mg/ml和40mg/ml),室温下避光搅拌1h,离心洗涤,将沉淀重悬至500ul0.01MPBS之中。向上述溶液中加入150ul4ug/ml二抗(Ab2,检测抗体),4℃避光搅拌5h后,用0.01MPBS离心洗涤,将沉淀重悬到500ul0.01MPBS中,4℃避光保存,即得所述二抗复合体。
作为另一种优选,所述电极为氧化烟锡电极。
本发明还提供了所述光电免疫生物传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)滴加氧化石墨烯GO:在电极表面滴加氧化石墨烯GO,使其完全结合在电极表面;
(2)活化氧化石墨烯GO:利用催化剂,使氧化石墨烯GO上的羧基完全活化;
(3)共价连接捕获抗体:向上述活化的氧化石墨烯GO表面滴加捕获抗体,使捕获抗体与氧化石墨烯GO充分连接;
(4)封闭非特异性位点:封闭氧化石墨烯GO未被捕获抗体结合的位点,形成捕获抗体层;
(5)捕获介质中的待测抗原:向上述捕获抗体层滴加待测抗原,充分反应,得待测抗原层;
(6)检测抗体层制备:洗去上述未结合的待测抗原,晾干,滴加所述二抗复合体,进行避光,室温反应,得检测抗体层,通过二抗复合体光电流的强弱变化来检测抗原的量。
作为优选,所述的光电免疫生物传感器的制备方法,包括以下步骤:
(1)滴加氧化石墨烯GO:取氧化石墨烯GO,分散在PBS中,滴加到经过处理的氧化烟锡电极表面,室温下放置,直至其完全结合在电极表面;
(2)活化氧化石墨烯GO:将上述加了GO的电极在PBS溶液中涮洗,洗去未结合在电极表面的GO,滴加EDC/NHS,室温放置,使GO上的羧基完全被活化;
(3)共价连接捕获抗体:将步骤(2)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去未利用的EDC/NHS,晾干,滴加捕获抗体,4℃下反应,使捕获抗体和GO充分连接;
(4)封闭非特异性位点:将步骤(3)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去未结合的捕获抗体,晾干,滴加牛血清白蛋白(BSA),室温放置,封闭未被捕获抗体结合的位点,形成捕获抗体层;
(5)捕获介质中的待测抗原:将步骤(4)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去多余的BSA,晾干,滴加抗原,室温反应,得待测抗原层;
(6)检测抗体层制备:将步骤(5)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去未结合的抗原,晾干,滴加所述二抗复合体,进行避光,室温反应,得检测抗体层,通过二抗复合体光电流的强弱变化来检测抗原量。
作为进一步优选,所述的光电免疫生物传感器的制备方法,包括以下步骤:
(1)滴加氧化石墨烯GO:取0.5mg/mlGO(0.01MPBS)10ul,小心滴加到经过处理的氧化烟锡(ITO)电极表面,室温下放置24h,直至确保材料完全结合在电极表面,利用其富含羧基的特性使之后的一抗能够很好地结合并固定在电极上;
(2)活化氧化石墨烯GO:将前一步加了GO的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未结合在电极表面的GO,取EDC/NHS10ul,室温放置2h,确保GO上的羧基完全被活化,方便利用其结合后续的一抗;
(3)共价连接捕获抗体:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未利用的EDC/NHS,晾干,滴加4ug/ml的一抗(Ab1,捕获抗体)10ul,4℃下反应12h,使Ab1充分地和GO相连接,制作成固载的抗体;
(4)封闭非特异性位点:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未结合的Ab1,晾干,滴加1.0wt%BSA10ul。室温放置0.5h,封闭未被Ab1结合的一些位点,防止这些位点与之后的材料发生结合,提高背景色,增大误差,形成捕获抗体层;
(5)捕获介质中的待测抗原:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去多余的BSA,晾干,滴加1ug/ml的抗原10ul,室温反应2h,得待测抗原层;
(6)检测抗体层制备:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未结合的抗原,晾干,滴加提前配置好的二抗复合物10ul,进行避光,室温反应4h,得检测抗体层,通过二抗复合体光电流的强弱变化来检测抗原量。
至此,一个层层组装的基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器构建完成,它的组装顺序遵循以下程序:
通过查找借助该传感器绘制的抗原浓度与二抗复合物光电流大小关系的标准曲线图,该平台可以通过变换Ab1,Ab2的种类来检测介质中不同种类的Ag浓度的大小。
本发明的目的旨在将碳纳米材料和生物传感、生命分析等有机结合,发展基于碳纳米材料的光电化学生物传感器。通过设计和调控富勒烯分子表面有机官能团种类和分布,改善富勒烯材料的溶解性、相态、稳定性和界面组装行为;利用氧化石墨烯材料优异的电子传输性能和独特的两维分子结构,通过非共价相互作用,构建富勒烯衍生物-氧化石墨烯组装体,研究功能化富勒烯与氧化石墨烯的界面组装调控及其对组装体界面结构和光电转换性能的影响,揭示其界面相互作用机制,发展基于碳纳米材料的新型光电化学免疫传感器。
此外,富勒烯、碳纳米管和石墨烯,它们本身就是半导体材料,在应用于光电化学传感时,本发明中富勒烯可以直接作为光活性材料,而不需要像碳纳米管和石墨烯那样额外引入其它荧光分子,因而传感器件界面少、体系相对简单。
技术效果:相对于现有技术,本发明光电免疫生物传感器,所用试剂无毒无害,对所检测的生命体不存在腐蚀或者其他损伤的优点;同时与传统的免疫分析检测方法比较,具有灵敏度高,生物兼容性好,可以更直观、更细致的展示出检测结果等明显优势,并且也可以有效避免如放射分析技术所存在的射线可能损伤生物分子的隐患。这种光电免疫传感***,检测仪器简单,价格较为低廉,可以在医学检测方面发挥重要的作用,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为C60-PTC-NH2-GO的光电活性检测电流-时间图;
图2为组装二抗-碳纳米复合物前后的光电流图;
图3为抗原浓度与光电流强度之间的线性关系图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。
实施例1
1、二抗复合体的制备:
(1)PTC-NH2的制备:
称取0.5g苝四羧酸二酐(PTCDA,一种水溶性染料),加入2.5ml乙醇,于4℃搅拌1h后,向其逐滴流加乙二胺试剂5ml,继续搅拌过夜,离心之后取沉淀,分别用乙醇、超纯水超声洗涤离心两次,室温干燥,得到PTC-NH2后遮光保存。
(2)C60-GO-PTC-NH2的制备:
称取C60、GO、上述PTC-NH2各0.5mg,于研钵中研磨成细粉状转移至1ml0.01MPBS中。经过1min超声分散后,室温下连续搅拌过夜,得到C60-GO-PTC-NH2。
(3)制备二抗复合体:
取C60-GO-PTC-NH2500ul,加EDC/NHS500ul(EDC、NHS的浓度分别为20mg/ml和40mg/ml),室温下避光搅拌1h,离心洗涤,将沉淀重悬至500ul0.01MPBS之中。向上述溶液中加入150ul4ug/ml二抗(Ab2,检测抗体),4℃避光搅拌5h后,用0.01MPBS离心洗涤,将沉淀重悬到500ul0.01MPBS中,4℃避光保存,即得所述二抗复合体。
2、光电免疫生物传感器的制备:
(1)滴加氧化石墨烯GO:取0.5mg/mlGO(0.01MPBS)10ul,小心滴加到经过处理的氧化烟锡(ITO)电极表面,室温下放置24h,直至确保材料完全结合在电极表面,利用其富含羧基的特性使之后的一抗能够很好地结合并固定在电极上;
(2)活化氧化石墨烯GO:将前一步加了GO的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未结合在电极表面的GO,取EDC/NHS10ul,室温放置2h,确保GO上的羧基完全被活化,方便利用其结合后续的一抗;
(3)共价连接捕获抗体:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未利用的EDC/NHS,晾干,滴加4ug/ml的一抗(Ab1,捕获抗体)10ul,4℃下反应12h,使Ab1充分地和GO相连接,制作成固载的抗体;
(4)封闭非特异性位点:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未结合的Ab1,晾干,滴加1.0wt%BSA10ul。室温放置0.5h,封闭未被Ab1结合的一些位点,防止这些位点与之后的材料发生结合,提高背景色,增大误差,形成捕获抗体层;
(5)捕获介质中的待测抗原:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去多余的BSA,晾干,滴加1ug/ml的抗原10ul,室温反应2h,得待测抗原层;
(6)检测抗体层制备:将前一步的电极在0.01MPBS溶液中涮洗,尽量洗去未结合的抗原,晾干,滴加提前配置好的二抗复合物10ul,进行避光,室温反应4h,得检测抗体层,通过二抗复合体光电流的强弱变化来检测抗原量。
至此,一个层层组装的基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器构建完成,它的组装顺序遵循以下程序:
通过查找借助该传感器绘制的抗原浓度与二抗复合物光电流大小关系的标准曲线图,该平台可以通过变换Ab1,Ab2的种类来检测介质中不同种类的Ag浓度的大小。
本发明首先制作出PTC-NH2,然后通过各种操作制备出可溶于水的碳纳米材料(含C60)复合物,再将其与检测抗体(Ab2)偶联;同时在半导体ITO电极上固载好捕获抗体,专门用来捕获介质中存在的相应抗原;最后使带有检测抗体的复合物与抗原特异性结合。从而达到在一个三明治双抗体夹心法的模型之下,通过C60复合物所反映的光电流的强弱变化来间接反映抗原的量,得到未知待测抗原的痕量测定。该方法所涉及的传感器平台基本构造为:捕获抗体(固载于ITO半导体光电极)—待测抗原—检测抗体(偶联了C60复合物)三部分;检测抗体和新型的碳纳米材料相互偶联,并且测定过程中的能量变化是由光能变化为电能。
实施例2C60-PTC-NH2-GO的光电活性检测
1、仪器:氙灯光源,上海辰华电化学工作站(chi660e软件)
2、材料:
ITO:氧化烟锡半导体电极;
C60-PTC-NH2-GO:准备偶联二抗的碳纳米复合物,10ul
3、方法:将C60-PTC-NH2-GO10ul滴到ITO上,利用电化学工作站,在氙灯光的照射下(控制光照on/off),测量C60-PTC-NH2-GO/ITO的电流-时间曲线。
4、结果:
C60-PTC-NH2-GO的光电活性检测电流-时间关系,见说明书附图1。在所述图1中,#1曲线为ITO(氧化烟锡半导体电极)的光电流强度;#2曲线代表ITO-C60-PTC-NH2-GO(半导体电极上滴加了准备偶联二抗的碳纳米复合物)的光电流强度。两种曲线的上升与下跌(即纵坐标电流值的变化)是由于光的给予与撤离所产生。
在裸电极上直接给予光源照射只会激发很小的光电流(如#2曲线所示),而当在电极上滴加所合成的材料之后再给予光源照射就可以瞬间激发较之前强大许多倍的光电流(如#1曲线所示)。由此证实所合成的碳纳米复合材料具有良好的光电活性,可作为实验检测信号探针,可以使其与二抗(即检测抗体)偶联,在传感器平台中作为固载一抗(捕获抗体)捕捉到的抗原量的多少的一个信号检测指标。抗原的量对应于二抗的量,二抗的量对应于与二抗偶联的碳纳米复合材料的量,而这种复合材料的量又可以通过光电流的变化反映出来。简而言之,在传感器平台搭建整个过程完成之后,光电流的大小反映的就是介质中抗原浓度的大小。
该实验的主要目的是为了证明与二抗所偶联的信号指针的灵敏性,它在遇到光的激发之后可以产生强大的电流,可以用来作为实验中重要的信号物质。(定性实验)
实施例3光电免疫传感的可行性考察
1、仪器:氙灯光源,上海辰华电化学工作站(chi660e软件)
2、方法:将实施例1中制得的光电免疫生物传感器进行光电免疫传感可行性测试,即利用电化学工作站,在氙灯光的照射下(控制光照on/off),测量光电免疫生物传感电极的电流-时间曲线。
3、结果:
组装二抗-碳纳米复合物(即二抗复合体)前后的光电流,见说明书附图2。在所述图2中,#2曲线和#1曲线分别表示二抗-碳纳米复合物组装前和组装后的光电流曲线。两者光电流存在的差异,即为二抗-碳纳米复合物引起,进而可以间接得出介质中所含有的抗原的量。(具体理论同上述图1)
该实验的主要目的是为了考察本设计中光电免疫传感的可行性,即测定C60-PTC-NH2-GO-Ab2/Ag/Ab1/GO/ITO电极的光电化学活性,通过信号物质C60-PTC-NH2-GO的信号表达,预知待测物质Ag的存在。
实施例4抗原浓度与光电流强度之间的线性关系考察
通过做上述图2的重复试验,设了6个浓度梯度,分别为1ug/ml,0.1ug/ml,0.01ug/ml,1ng/ml,0.1ng/ml,0.01ng/ml,每个浓度下又分别做了若干平行对照。
通过数据处理,得出的各个浓度抗原与其光电流之间对应关系的标准曲线图,见说明书附图3。
由图3可以得出,随着抗原浓度的不断减小,光电流强度值也不断减小,且抗原浓度与光电流强度大小之间呈相关系数较高的线性关系。
该实验的主要目的是为了得出各种浓度的抗原所对应的光电流的大小,进而借助其做出符合该体系的用于该种抗原检测的标准曲线图,以达到通过测未知抗原在该传感器体系下所显示出的光电流的大小,进而在标准曲线下推出未知抗原的具体量的目的。(定量)。
Claims (8)
1.一种基于碳纳米复合材料的光电免疫生物传感器,其特征在于,所述生物传感器的平台包括以下部分:电极、紧贴电极表面的捕获抗体层、待测抗原层以及检测抗体层,所述待测抗原层位于捕获抗体层和检测抗体层中间;
所述检测抗体层是由二抗复合体所制成,所述二抗复合体是由检测抗体和碳纳米复合材料相互偶联所制成。
2.根据权利要求1所述的光电免疫生物传感器,其特征在于,所述捕获抗体层是由捕获抗体和氧化石墨烯所制成。
3.根据权利要求1所述的光电免疫生物传感器,其特征在于,所述碳纳米复合材料是由富勒烯和氧化石墨烯所制成的复合材料。
4.根据权利要求3所述的光电免疫生物传感器,其特征在于,所述富勒烯和氧化石墨烯的重量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的光电免疫生物传感器,其特征在于,所述二抗复合体的制备方法包括以下步骤:
(1)PTC-NH2的制备:
称取苝四羧酸二酐,加入乙醇,搅拌,向其逐滴流加乙二胺试剂,继续搅拌过夜,离心之后取沉淀,分别用乙醇、超纯水超声洗涤离心,室温干燥,得到PTC-NH2后遮光保存;
(2)C60-GO-PTC-NH2的制备:
称取富勒烯C60、氧化石墨烯GO、上述PTC-NH2,研磨成细粉状,转移至PBS中,经过超声分散后,室温下连续搅拌过夜,得到C60-GO-PTC-NH2;
(3)制备二抗复合体:
取上述C60-GO-PTC-NH2,加EDC/NHS,室温下避光搅拌,离心洗涤,将沉淀重悬至PBS之中,向上述溶液中加入检测抗体,4℃避光搅拌,用PBS离心洗涤,将沉淀重悬到PBS中,4℃避光保存,即得所述二抗复合体。
6.根据权利要求1所述的光电免疫生物传感器,其特征在于,所述电极为氧化烟锡电极。
7.权利要求1-6任一项所述光电免疫生物传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)滴加氧化石墨烯GO:在电极表面滴加氧化石墨烯GO,使其完全结合在电极表面;
(2)活化氧化石墨烯GO:利用催化剂,使氧化石墨烯GO上的羧基完全活化;
(3)共价连接捕获抗体:向上述活化的氧化石墨烯GO表面滴加捕获抗体,使捕获抗体与氧化石墨烯GO充分连接;
(4)封闭非特异性位点:封闭氧化石墨烯GO未被捕获抗体结合的位点,形成捕获抗体层;
(5)捕获介质中的待测抗原:向上述捕获抗体层滴加待测抗原,充分反应,得待测抗原层;
(6)检测抗体层制备:洗去上述未结合的待测抗原,晾干,滴加提所述二抗复合体,进行避光,室温反应,得检测抗体层,通过二抗复合体光电流的强弱变化来检测抗原的量。
8.根据权利要求7所述的光电免疫生物传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)滴加氧化石墨烯GO:取氧化石墨烯GO,分散在PBS中,滴加到经过处理的氧化烟锡电极表面,室温下放置,直至其完全结合在电极表面;
(2)活化氧化石墨烯GO:将上述加了GO的电极在PBS溶液中涮洗,洗去未结合在电极表面的GO,滴加EDC/NHS,室温放置,使GO上的羧基完全被活化;
(3)共价连接捕获抗体:将步骤(2)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去未利用的EDC/NHS,晾干,滴加捕获抗体,4℃下反应,使捕获抗体和GO充分连接;
(4)封闭非特异性位点:将步骤(3)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去未结合的捕获抗体,晾干,滴加牛血清白蛋白,室温放置,封闭未被捕获抗体结合的位点,形成捕获抗体层;
(5)捕获介质中的待测抗原:将步骤(4)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去多余的BSA,晾干,滴加抗原,室温反应,得待测抗原层;
(6)检测抗体层制备:将步骤(5)所得电极在PBS溶液中涮洗,洗去未结合的抗原,晾干,滴加所述二抗复合体,进行避光,室温反应,得检测抗体层,通过二抗复合体光电流的强弱变化来检测抗原量。
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