CN108181366A - 以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法 - Google Patents

以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108181366A
CN108181366A CN201711326650.5A CN201711326650A CN108181366A CN 108181366 A CN108181366 A CN 108181366A CN 201711326650 A CN201711326650 A CN 201711326650A CN 108181366 A CN108181366 A CN 108181366A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tio
mos
trielement composite
nanosphere
optical electro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711326650.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108181366B (zh
Inventor
刘小强
刘培培
唐云飞
徐俊
李乐乐
杨立威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University
Original Assignee
Henan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University filed Critical Henan University
Priority to CN201711326650.5A priority Critical patent/CN108181366B/zh
Publication of CN108181366A publication Critical patent/CN108181366A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108181366B publication Critical patent/CN108181366B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/305—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells optically transparent or photoresponsive electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/307—Disposable laminated or multilayered electrodes

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

本发明涉及一种以二氧化钛‑二硫化钼‑金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法，具体为：先采用溶胶‑凝胶法制备出TiO2球模板，接着将其制备成表面粗糙的锐钛矿TiO2球，然后采用水热法将MoS2纳米片紧密负载在TiO2纳米球的表面，形成TiO2‑MoS2异质结结构；最后通过柠檬酸三钠还原法将Au纳米颗粒沉积其表面，形成TiO2‑MoS2‑Au三元复合纳米材料。该三元复合材料具有极大的比表面积和良好的生物相容性，大大增加了生物分子的负载量，其还拥有优良的导电性和较强光电转化效率等，因此适合用来构建生物传感器。将DNA适配体固定在TiO2‑MoS2‑Au三元复合材料表面，研究证明以此法制备出的光电化学适配体传感器能够快速的检测卡那霉素，且灵敏度较高、线性范围较大、检测限较低。

Description

以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适 配体传感器的构建方法
技术领域
本发明属于光电化学适配体传感器构建技术领域，具体涉及一种以TiO2-MoS2-Au三元复合材料为负载支架的光电化学适配体生物传感器的构建方法，该光电化学适配体传感器可用于检测卡那霉素。
背景技术
抗生素作为一类抗感染药物，其主要作用是抑制细菌感染，杀死致病细菌或其它的活性物质，广泛应用于医药、农林业、水产业和畜牧业等领域。抗生素种类繁多，卡那霉素是其中一种常用的碱性氨基糖苷类抗生素，具有水溶性强、抗菌谱广、杀菌效果明显、价格便宜和用药方便等特点。但是，不合理的使用抗生素可导致耐药性增强，内毒素的产生和残留在食源性动物体内，然后通过生物循环***在人体内富集，引起人体不同程度的损害，所以卡那霉素的残留无论是对食品质量还是人类健康都会产生不良影响。为保障人类健康，世界各国政府机构均对牛奶中的卡那霉素残留的最大允许残留限量（MRL）做了规定要求，欧盟执行较为严格的标准，规定牛乳中卡那霉素的MRL ≤ 100 μg·kg-1，我国规定为200 μg·kg-1。因此，建立操作简单、便携、特异性好，灵敏度高以及经济实用的检测方法，对于加强动物源性产品中卡那霉素的残留量控制，提高食品安全性具有重要意义。
本发明针对卡那霉素的定性和定量分析建立了基于核酸适配体的光电化学检测方法。核酸适配体(aptamer)是由SELEX技术（指数富集的配基***进化技术）筛选得到的寡核苷酸序列。这些序列可以是DNA也可以是RNA，能以极高的特异性和亲和力与靶分子结合，同时核酸适配体具有易于在体外合成与修饰、靶细胞范围广、化学性质稳定等优点。而将核酸适配体用于构建光电化学生物传感器的检测方法是近年来迅速发展起来的一种分析方法，其基本检测原理是基于传感体系中生物识别反应的发生会导致检测信号的变化。该方法因其灵敏度高、重现性好、设备简单和成本低等独特的优点及其在未来生物传感中的潜力,受到越来越多的关注，在检测性能和生物传感应用等方面也取得了很大进步。在构建光电化学生物传感器时，具有高光电转化性能的光活化材料常被用作生物相容性载体来有效固定生物分子。其中，TiO2由于具有良好的光电转换效率、大比表面积、优异生物相容性、多种纳米形态、易于制备、化学以及机械性质稳定等优点,而在光电传感器领域得到越来越多的应用。然而，锐钛矿型的TiO2禁带宽度为3.2 eV，吸光范围限于紫外光区（λ< 387 nm)，这不仅限制了太阳光的利用率,而且紫外线对实验过程中的生物样品活性也具有一定的破坏作用。此外，由于TiO2的半导体特性，其导电性较差，不符合高性能传感器的要求。因此，为了克服这些缺陷，需要采用一些方法对TiO2材料进行改性，本发明主要采用半导体复合法来拓宽TiO2的光吸收范围，使所得复合材料在可见区也有显著吸收；同时采用金纳米沉积法增强复合材料的导电性和生物相容性。
六方晶系MoS2是具有各向异性类石墨烯层状结构的二维材料，层与层之间通过范德华力结合，禁带宽度为1.2~1.8 eV，可以吸收大范围的可见光，且具有良好的导电性能等特点。MoS2可与TiO2复合形成异质结结构，有效地增强光电电荷的转移和分离效率、减少电子-空穴对复合、增强可见光吸收、促进光催化性能。Xiang等人通过水热法将石墨烯/MoS2共同修饰TiO2纳米颗粒，提出了一种不含贵金属的廉价光催化剂，且光电转化效率显著得到了提高。
基于适配体和光电化学传感器的诸多优点，本发明联合两者的优势建立起一种新型卡那霉素残留检测方法。本发明中，首先使用溶胶-凝胶法制备了光面光滑、大小均一、分散性好的无晶型TiO2纳米球模板，接着采用水热法将TiO2球模板制备成表面粗糙的锐钛矿TiO2球，不仅增强了其光电化学性能，并使其表面更易附着其它纳米材料；然后为了增强TiO2的可见光吸收性能，采用水热法将MoS2纳米片紧密负载在TiO2纳米球的表面，形成TiO2-MoS2异质结结构；最后通过柠檬酸三钠还原法将Au纳米颗粒沉积于TiO2-MoS2异质结结构表面，形成TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料。其中Au纳米颗粒和MoS2纳米片均有利于提高TiO2的导电性和光电转化效率及生物相容性。本发明采用了X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）、X-射线光电子能谱（XPS）、电化学阻抗（EIS）等不同表征手段对此三元复合纳米材料进行了表征。然后将该三元复合材料分散于壳聚糖溶液中并修饰在ITO电极表面，适配体表面的巯基和三元复合材料表面金以Au-SH键的方式相结合，将适配体修饰于电极表面，用于检测卡那霉素。本发明克服了现有技术中出现的线性范围较窄，检测限较高以及稳定性较差等缺点，目前还未见到有相关报道。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种以TiO2-MoS2-Au三元复合材料为负载支架的光电化学适配体生物传感器的构建方法，该光电化学适配体传感器能够快速、有效的检测卡那霉素，且灵敏度高、线性范围大、检测限较低。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种以TiO2-MoS2-Au三元复合材料为支架的光电化学（PEC）适配体传感器的构建方法，其具体包括以下步骤：
①TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料的制备：
TiO2纳米球的制备：称取1.75 g十六胺HDA，分散在无水乙醇中，然后加入KCl水溶液和超纯水，在搅拌的同时加入异丙醇钛TIP，保持HDA：超纯水：KCl：无水乙醇：TIP的摩尔比为0.5: 5: 5.5×10-3: 236.5: 1.0；继续搅拌30 min，静置，离心收集白色沉淀，经洗涤、干燥得到表面光滑的TiO2纳米球，收集备用；
将0.5 g表面光滑的TiO2纳米球分散在无水乙醇和超纯水的混合溶液中，然后在160℃下保持90 min，离心收集沉淀，经洗涤、干燥得到锐钛矿TiO2纳米球，备用；
TiO2-MoS2二元复合材料的制备：将0.08 g锐钛矿TiO2纳米球分散在无水乙醇和超纯水的混合溶液中，然后加入0.35 g钼酸钠（NaMoO4·2H2O）和0.52 g硫脲（H2NCSNH2），混匀后在220 ℃下水热反应20 h，反应结束后自然冷却至室温，所得深灰色沉淀经洗涤后、干燥后，收集粉末，研碎，记为TiO2-MoS2二元复合材料，备用；
TiO2-MoS2-Au三元复合材料的制备:将40 mg TiO2-MoS2二元复合材料分散在超纯水中，搅拌条件下加入HAuCl4水溶液、封端剂柠檬酸三钠水溶液和硼氢化钠水溶液，冰水浴中搅拌30 min，再在室温下继续搅拌30 min后静置过夜，离心收集沉淀，经洗涤、干燥得到TiO2-MoS2-Au三元复合材料；
②修饰电极的制备:
取步骤①制备好的TiO2-MoS2-Au三元复合材料20 mg，均匀分散于1 mL 含0.2 wt%壳聚糖的HAc溶液中，然后量取25 µL滴加在洁净干燥的ITO电极表面，储存在冰箱内，备用，所制备的修饰电极记为TiO2-MoS2-Au/ITO电极；
③适配体传感器的构建：
量取25µL、1.5 µM巯基修饰的DNA适配体溶液滴加在步骤②制备所得干燥的TiO2-MoS2-Au/ITO电极表面，置于冰箱内孵育12 h，取出，然后滴加25µL、3%牛血清蛋白水溶液作为离子封闭剂，即得aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极，即为光电化学适配体传感器。
具体的，步骤①中制备TiO2-MoS2-Au三元复合材料时，加入2 mL、浓度0.01 M的HAuCl4水溶液，2 mL、浓度0.01 M的柠檬酸三钠水溶液，2 mL、0.1 M新鲜配置的硼氢化钠水溶液。
和现有技术相比，本发明方法的有益效果：
本发明首先使用溶胶-凝胶法制备了光面光滑、大小均一、分散性好的无晶型TiO2纳米球模板；接着采用水热法将TiO2球模板制备成表面粗糙的锐钛矿TiO2球，不仅增强了其光电化学性能，而且使其表面更易附着其它纳米材料；然后为增强TiO2的可见光吸收性能，采用水热法将MoS2纳米片紧密负载在锐钛矿TiO2纳米球的表面，形成TiO2-MoS2异质结结构；最后通过柠檬酸三钠化学还原法将Au纳米颗粒沉积于TiO2-MoS2异质结结构表面，形成TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料。其中MoS2纳米片由于其极大的比表面积大大提高了对生物分子的负载能力，而且MoS2和Au纳米颗粒均有利于提高TiO2的导电性和光电转化效率及生物相容性，从而提高了该适配体传感器的灵敏度。本发明采用了X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）、X-射线光电子能谱（XPS）、电化学阻抗（EIS）等不同表征手段对此三元复合纳米材料进行了表征。然后将该三元复合材料分散于壳聚糖溶液中并修饰在ITO电极表面，适配体表面的巯基和三元复合材料表面金以Au-SH键的方式相结合，将适配体修饰于电极表面，用于检测卡那霉素。本发明克服了现有技术中出现的线性范围较窄，检测限较高以及稳定性较差等缺点，目前还未见到有相关报道。
附图说明：
图1为不同纳米材料的SEM图，其中A和B分别为无晶型TiO2纳米球和锐钛矿TiO2纳米球；C为单纯MoS2纳米片的SEM图；D为TiO2-MoS2二元复合材料的SEM图；E和F分别为沉积Au纳米颗粒后的不同放大倍数后TiO2-MoS2-Au三元复合材料的SEM图；
图2为不同材料的XRD图谱，其中a为锐钛矿TiO2纳米球；b为MoS2纳米片；c为TiO2-MoS2二元复合材料纳米花；d为沉积Au纳米颗粒后的三元复合材料TiO2-MoS2-Au纳米花；
图3为TiO2-MoS2-Au三元复合材料纳米花的XPS图谱，其中A为TiO2-MoS2-Au纳米花的XPS全谱图; B, C, D, E, F分别为 Ti2p, O1s, Mo 3d, S 1s和Au 4f的XPS高分辨图谱；
图4为奈奎斯特图，其中a, b, c, d分别表示裸ITO电极、TiO2/ITO、TiO2-MoS2/ITO、TiO2-MoS2-Au/ITO电极的阻抗图谱，e和f分别表示aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极在使用BSA封闭剂前后的阻抗图谱；
图5为不同修饰电极的光电流响应图谱；其中a, b, c, d, e分别表示MoS2/ITO、TiO2/ITO、TiO2-MoS2/ITO、TiO2-MoS2-Au/ITO、aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极的光电流图谱；
图6为适配体浓度的优化；
图7为光电流响应时，施加电压的优化；
图8为不同浓度卡那霉素的光电流响应；
图9为光电流随卡那霉素浓度增加的线性曲线；
图10为不同干扰物对卡那霉素测定的干扰。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
下述实施例中，所用到的卡那霉素、以及巯基修饰的DNA适配体(5´-HS-(CH2)6-TGG-GGG-TTG-AGG-CTA-AGC-CGA-3´)均购自于生工生物工程上海股份有限公司。
实施例1：
一种以TiO2纳米球复合纳米材料为负载支架的光电化学适配体传感器的构建方法，其包括如下步骤：
①TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料的制备：
锐钛矿TiO2纳米球的制备:
称取1.75 g 十六胺（HDA），通过搅拌的方式分散在200 mL无水乙醇中，待分散完全后，加入0.80 mL 0.1 M 的KCl水溶液和0.51 mL超纯水，在搅拌的同时加入4.32 mL异丙醇钛（TIP），即保持HDA：超纯水：KCl：无水乙醇：TIP的摩尔比为0.5: 5: 5.5×10-3: 236.5:1.0。继续搅拌30 min后，静置18 h，离心收集白色沉淀，用无水乙醇洗涤后，在60℃条件下干燥4 h即得到表面光滑的无晶型TiO2纳米球，收集备用；
为了得到表面比较粗糙的锐钛矿TiO2纳米球，取0.5 g上述得到的无晶型TiO2纳米球分散在20 mL无水乙醇和10 mL超纯水的混合溶液中，待完全分散后将此混合溶液转移至50mL以聚四氟乙烯为内衬的高压反应釜中，160 ℃下水热反应90 min,离心收集沉淀，经无水乙醇洗涤，干燥，得到锐钛矿TiO2纳米球，备用；
TiO2纳米球-MoS2纳米片（TiO2-MoS2）二元复合材料的制备：
将0.08 g上述得到的锐钛矿TiO2纳米球分散在10 mL无水乙醇和20 mL超纯水的混合溶液中，然后加入0.35 g钼酸钠（NaMoO4·2H2O）和0.52 g硫脲（H2NCSNH2），待搅拌均匀后转移至50 mL以聚四氟乙烯为内衬的高压反应釜内，在220 ℃下水热反应20 h。反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，将所得深灰色沉淀用依次用无水乙醇、超纯水洗涤后，在60℃真空干燥箱中干燥10 h，收集粉末，研碎，记为TiO2-MoS2二元复合材料，备用；
为了作对比，使用上述同样方法，在不加入TiO2纳米球的情况下，制备出单纯的MoS2纳米片，记为MoS2纳米片；
TiO2纳米球-MoS2纳米片-Au纳米颗粒（TiO2-MoS2-Au）三元复合材料的制备:
将40 mg TiO2-MoS2二元复合材料分散在40 mL超纯水中，待分散均匀后，在搅拌条件下加入2 mL 0.01 M的HAuCl4水溶液和2 mL 0.01 M的封端剂柠檬酸三钠水溶液，然后在30min内逐滴加入2 mL 0.1 M新鲜配置的NaBH4水溶液（冰水浴0-4 ℃），冰水浴中搅拌30min，再在室温下继续搅拌30 min后静置过夜，离心，收集所得沉淀用依次用无水乙醇、超纯水洗涤后，在60 ℃真空干燥箱中干燥过夜，记为TiO2-MoS2-Au三元复合材料，备用；
②修饰电极的制备:
分别称取步骤①中已制备好的锐钛矿TiO2纳米球、MoS2纳米片、TiO2-MoS2二元复合材料和TiO2-MoS2-Au三元复合材料各20 mg，分别分散于1 mL含0.2 wt%壳聚糖的HAc溶液中，超声20 min直至完全分散。同时，将ITO电极分别用丙酮、无水乙醇和超纯水洗涤，室温下晾干，备用。然后用移液枪各量取25 µL分散液滴加（修饰）在洁净干燥的ITO电极表面，将修饰好的ITO电极储存在4 ℃的冰箱内，备用。所制备的修饰电极分别记为TiO2/ITO、MoS2/ITO、TiO2-MoS2/ITO、TiO2-MoS2-Au/ITO电极；
③适配体传感器的构建：
用移液枪量取25 µL 1.5 µM巯基修饰的DNA适配体溶液滴加（修饰）在步骤②制备所得干燥的TiO2-MoS2-Au/TO电极表面，置于4℃的冰箱内孵育12 h，取出，接着滴加25 µL 3%（w/v）牛血清蛋白（BSA）水溶液作为离子封闭剂，即得aptamer/TiO2-MoS2-Au/TO电极，即为光电化学适配体传感器。
将所制备的aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极（PEC适配体传感器）储存在4 ℃的冰箱内，备用。
本发明使用SEM技术对TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料的形貌进行了表征。如图1所示，图A为用溶胶-凝胶法制备的无晶型TiO2纳米球模板，由图可知，所合成TiO2纳米球表面光滑、大小均一、分散均匀，球的直径为~ 400 nm；图B为将TiO2纳米球模板水热法简单处理后得到的锐钛矿型TiO2纳米球的SEM图。与前驱体TiO2模板相比, 水热法处理后的TiO2纳米球分散性依然较好、尺寸较均一，直径无明显变化，但球表面变得非常粗糙；图C为水热法制备的单纯MoS2纳米片的SEM图，从图中可以看出，单纯的MoS2大小无规则，但可以看出明显的片状结构，且表面存在大量的褶皱；图D为TiO2-MoS2二元复合材料的SEM图，从图中可以看到，MoS2纳米片将TiO2纳米球完全紧密的包裹，犹如花状，直径明显增大，平均尺寸为~ 600nm，且分散较均匀；图E和F为不同放大倍数的TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料的SEM图，从图中可以明显看到：Au纳米颗粒较均匀地分散在TiO2-MoS2纳米球褶皱的表面，Au颗粒的大小仅有几纳米。因此，由SEM图可以知道：TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料已完全达到理想形貌。
本发明使用XRD技术对TiO2-MoS2-Au三元复合材料的晶型结构及组成进行了表征。图2中 a展示了表面粗糙TiO2纳米球的XRD图，其中在2θ= 25.3o, 37.8o, 48.0o, 53.9 o,55.1o和 62.7o的衍射峰分别对应TiO2锐钛矿相 (101), (004), (200), (105), (211) 和(204)晶面（JCPDS 21-1272）；图2中b为单纯MoS2纳米片的XRD图谱，其中在14.2o, 33.3o,39.5o和58.6o处的衍射峰分别对应MoS2的(002),(100),(103)和(110)晶面；图2中c为TiO2-MoS2二元复合材料的XRD图谱，在2θ =14.2o, 33.3o, 39.5o, 58.6o处的衍射峰来源于MoS2纳米片，在25.3o, 48.0o处的两个峰对应锐钛矿TiO2(101), (200)的衍射晶面，其中锐钛矿TiO2衍射峰较弱的主要原因是TiO2纳米球被MoS2纳米片紧密地包裹在里面；图2中d为TiO2-MoS2-Au三元复合材料的XRD图谱，从该XRD图谱中，不仅可以观察到锐钛矿TiO2和MoS2纳米片的特征峰，重要的是Au纳米颗粒的特征衍射峰也可以被观察到，在2θ=38.6o, 44.8o,64.9o, 77.8o处出现的衍射峰分别对应Au纳米颗粒(101), (110), (220), (311)晶面，这说明Au纳米颗粒的成功沉积及TiO2-MoS2-Au三元复合材料的成功制备。
为研究TiO2-MoS2-Au三元复合材料的元素组成，本发明使用XPS技术对其进行了表征，图3为TiO2-MoS2-Au三元复合材料的XPS图谱。图3中A为TiO2-MoS2-Au三元复合材料的XPS全谱图，由图可以看出此三元复合材料主要由Ti、O、Mo、S、Au五种元素组成；图3中B对应TiO2-MoS2-Au三元复合材料中Ti 2p的XPS高分辨图谱，在459.2 eV和464.98 eV处的两个峰分别对应Ti4+的Ti 2p3/2和Ti 2p1/2轨道的特征峰；图3中C为O 2p的XPS高分辨图，其图谱可被拟合成位于530.5 eV和532.0 eV处两个峰，分别归属于TiO2中Ti-O-Ti键和羟基(-OH)中的氧；图3中D为Mo 3d的XPS高分辨图，其中在232.3 eV和229.1 eV处两个峰分别归属于MoS2中Mo4+的Mo 3d3/2和Mo 3d5/2轨道的特征峰；图3中E为TiO2-MoS2-Au三元复合材料的S 2p的XPS高分辨图，在162.9 eV和161.7 eV处的峰分别属于材料中S元素的S 2p1/2和S 2p3/2轨道的特征峰；图3中F为Au 4f的高分辨图谱，处于87.9 eV和84.1 eV处的两个峰分别是Au4f5/2和Au 4f7/2的自旋轨道***光电子能谱，这与Au的标准结合能高度吻合，表明Au纳米颗粒被成功沉积在TiO2-MoS2复合纳米材料上。XPS图谱再次证明TiO2-MoS2-Au三元复合材料的成功制备。
测试过程:
将步骤②和③中制备的TiO2/ITO、MoS2/ITO、TiO2-MoS2/ITO和aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极分别用工作电极夹夹好，置于含40 mL、0.1 M PBS缓冲液（PH=7.4）的透明电解池中，参比电极、对电极也放置于此电解池中，构成三电极体系。然后将其放置于一个黑盒子里，用一个300 W氙灯（含一个400 nm截止滤光片）作为激发光源（400-780 nm）来照射修饰后的ITO工作电极。通过CHI630D电化学工作站施加0.6 V的外加电压于工作电极，分别记录开、关灯下的光电流响应。其中aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极就是本发明所构建的光电化学适配体生物传感器，在测试过aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极的光电流后，接着将不同浓度的卡那霉素注入此电解池中，同样在施加0.6 V的电压下测其光电流响应，以定量检测卡那霉素。
电化学阻抗（EIS）法监测适配体传感器的组装过程：
作为评估动力学过程和修饰电极界面性能的有效工具，电化学阻抗被用来监测本发明实施例1所制备光电化学适配体传感器的组装过程。
阻抗实验是在含有0.1 M KCl电解质的5 mM K3[FeCN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中进行，所施加直流电压为0.20 V，上面叠加5 mV的交流电压。阻抗实验均在100 KHz～100 mHz频率范围内记录奈奎斯特图。图4中的所有奈奎斯特图在高频区均包含一个半圆，它对应电子转移阻力（Ret）；在低频区呈现出一个直线部分，它对应扩散控制过程。半圆直径与修饰电极表面的铁***电子传递系数成反比，这为研究材料导电性提供了一个直观判断标准。
如图4所示，曲线a、b、c、d分别为裸ITO电极、TiO2/ITO、TiO2-MoS2/TO、TiO2-MoS2-Au/ITO电极的阻抗图谱，e和f分别表示aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极在使用BSA封闭剂前后的阻抗图谱。其中裸ITO电极（曲线a）呈现出一个很小的半圆，代表表面电阻很小，属于扩散控制过程。与此相反，纯TiO2纳米球（曲线b）半径最大，表明TiO2导电性较差。但是，当TiO2经水热法在表面负载一层MoS2纳米片形成TiO2-MoS2二元复合材料后，材料的导电性明显增大（即曲线c）；当TiO2-MoS2二元复合材料被负载上Au纳米颗粒后，其导电性大大增强（曲线d）。曲线e、f表示TiO2-MoS2-Au/ITO电极被依次修饰上aptamer和BSA，从图中可以看出，伴随着修饰过程，半圆直径逐渐增加，这主要是由于蛋白质的低导电性和位阻效应，阻碍了电化学探针向电极表面的电子传递，同时也表明了各种材料被层层组装于电极表面。
光电流响应法监测适配体传感器的组装过程：
图5为不同修饰电极在40 mL的0.1 M PBS缓冲液（pH=7.4）中开、关灯条件下的光电流响应图谱，实验所施加电压为0.6 V。其中a, b, c, d, e分别表示MoS2/ITO、TiO2/ITO、TiO2-MoS2/ITO、TiO2-MoS2-Au/ITO、aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极的光电流图谱。如图所示，在所有的修饰电极中，纯MoS2纳米片修饰的电极即MoS2/ITO电极的光电流（曲线a）最小，这主要是由于光生电子-空穴对的快速复合造成的；同时，TiO2/ITO电极产生的光电流也较小（如曲线b），这是由于TiO2的带隙较宽，对可见光响应差。然而，TiO2-MoS2二元复合材料修饰ITO电极的光电流约是TiO2/ITO电极的6倍（曲线c），这主要是由于TiO2和MoS2的亲密接触形成了异质结结构，大大增强了对可见光的吸收，有效地促进了电荷分离；当在TiO2-MoS2二元复合材料上沉积Au纳米颗粒后，TiO2-MoS2-Au/ITO产生的光电流最大（曲线d），约是TiO2-MoS2/ITO光电流的1.9倍，这是由于Au纳米粒子极强的导电性，大大增强了电子的传递速率，近一步促进了电荷分离；最后，在TiO2-MoS2-Au/ITO上固定aptamer后形成aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极，则其光电流显著减小（曲线e），这要是由于适配体属于生物大分子，其空间位阻效应严重阻碍了光生电子的传递，使其更易与光生空穴复合。
光电化学适配体传感器检测条件的优化:
为得到更好的光电化学信号，本发明中优化了适配体浓度和施加电压等检测条件。这两个优化实验均是在含200 nM卡那霉素的0.1 M PBS缓冲液（pH=7.4）中进行的。一般来说，DNA适配体溶液的浓度越大，电极上修饰的适配体密度就越大，目标分子的检测信号就越大；DNA适配体溶液的浓度越小，则电极表面适配体密度就越低，光电流就越小。但是当适配体分子表面密度过高时，其空间阻力效应也将导致光电流减少。
如图6所示，当DNA适配体的浓度从0.5 µM增加至1.5 µM时，光电流明显增强，当浓度超过1.5 µM，光电流明显减小，因此，选择 1.5 µM作为DNA适配体的最佳配制浓度。此外，外加电压也是影响光电化学信号的重要因素之一，因此本发明考察了外加电压从0.2 V到0.8 V范围内的光电流响应，结果见图7。图7的结果表明：外加电压在0.2 V-0.6 V范围内时，光电流响应随着外加电压的增大而逐渐增大，但从0.6 V开始，光电流响应开始趋于稳定，因此我们选择0.6 V的外加电压作为最终施加电压。
定量检测卡那霉素：
本发明在最佳测定条件下定量检测卡那霉素，结果见图8和9。从图8中可以看到：光电流响应随着卡那霉素浓度的增大而增大，当有可见光照射时，原本在MoS2价带上的光生电子被激发到了导带，然后传送到TiO2的导带，导致MoS2的价带上留下了大量的光生空穴。而Au纳米粒子的存在，大大提高了电子的转移速率。当体系中有卡那霉素存在时，其能够被光生空穴氧化，卡那霉素浓度越大，消耗的光生空穴越多，使得光生空穴和光生电子的复合率进一步降低，导致光电流增大。从图9中的光电流响应与卡那霉素浓度的曲线图中可以看出：卡那霉素的浓度与光电流响应呈现良好的线性关系，线性范围为1 nM至450 nM，相关系数为0.998（n=3）；在信噪比为3的条件下，卡那霉素的检测限低至0.2 nM。
重现性、选择性和稳定性测试：
为了探究本发明光电化学适配体传感器的准确度和重现性，在相同条件下分别制备4根电极，并在同一条件下进行分析测试，所得结果相对标准偏差（RSD）为4.9 %，表明本发明适配体传感器具有良好的准确性和重现性。
为了检验本发明制备的光电化学适配体传感器的特异性（选择性），特引入了几种可能的干扰物做对比试验。用该DNA光电化学适配体传感器分别对含100 nM卡那霉素、氯霉素、红霉素、链霉素、强力霉素、环丙沙星和氧氟沙星的0.1 M PBS缓冲液（pH=7.4）进行检测。结果如图10所示，该适配体传感器对卡那霉素有极大的响应，导致响应电流有明显的改变，而对其它物质无明显响应或响应很小，这表明此DNA适配体传感器具有良好的选择性。
此外，为了评估本发明光电化学适配体传感器的稳定性，本发明比较了它们在4℃条件下储存2周前后的光电流响应信号的变化。结果表明：两周后88.7%的光电流信号得以保留，这说明此适配体传感器具有良好的稳定性。

Claims (2)

1.一种以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
①TiO2-MoS2-Au三元复合纳米材料的制备：
TiO2纳米球的制备：称取1.75 g十六胺HDA，分散在无水乙醇中，然后加入KCl水溶液和超纯水，在搅拌的同时加入异丙醇钛TIP，保持HDA：超纯水：KCl：无水乙醇：TIP的摩尔比为0.5: 5: 5.5×10-3: 236.5: 1.0；继续搅拌30 min，静置，离心收集白色沉淀，经洗涤、干燥得到表面光滑的TiO2纳米球，收集备用；
将0.5 g表面光滑的TiO2纳米球分散在无水乙醇和超纯水的混合溶液中，然后在160 ℃下保持90 min，离心收集沉淀，经洗涤、干燥得到锐钛矿TiO2纳米球，备用；
TiO2-MoS2二元复合材料的制备：将0.08 g锐钛矿TiO2纳米球分散在无水乙醇和超纯水的混合溶液中，然后加入0.35 g钼酸钠和0.52 g硫脲，混匀后在220 ℃下水热反应20 h，反应结束后自然冷却至室温，所得深灰色沉淀经洗涤后、干燥后，收集粉末，研碎，记为TiO2-MoS2二元复合材料，备用；
TiO2-MoS2-Au三元复合材料的制备：将40 mg TiO2-MoS2二元复合材料分散在超纯水中，搅拌条件下加入HAuCl4水溶液、封端剂柠檬酸三钠水溶液和硼氢化钠水溶液，冰水浴中搅拌30 min，再在室温下继续搅拌30 min后静置过夜，离心收集沉淀，经洗涤、干燥得到TiO2-MoS2-Au三元复合材料；
②修饰电极的制备:
取步骤①制备好的TiO2-MoS2-Au三元复合材料20 mg，均匀分散于1 mL 含0.2 wt%壳聚糖的HAc溶液中，然后量取25 µL滴加在洁净干燥的ITO电极表面，储存在冰箱内，备用，所制备的修饰电极记为TiO2-MoS2-Au/ITO电极；
③适配体传感器的构建：
量取25µL、1.5 µM巯基修饰的DNA适配体溶液滴加在步骤②制备所得干燥的TiO2-MoS2-Au/ITO电极表面，置于冰箱内孵育12 h，取出，然后滴加25 µL、3%牛血清蛋白水溶液作为离子封闭剂，获得aptamer/TiO2-MoS2-Au/ITO电极，即为光电化学适配体传感器。
2.如权利要求1所述以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法，其特征在于，步骤①中制备TiO2-MoS2-Au三元复合材料时，加入2 mL、浓度0.01 M的HAuCl4水溶液，2 mL、浓度0.01 M的柠檬酸三钠水溶液，2 mL、0.1 M新鲜配置的硼氢化钠水溶液。
CN201711326650.5A 2017-12-13 2017-12-13 以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法 Active CN108181366B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711326650.5A CN108181366B (zh) 2017-12-13 2017-12-13 以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711326650.5A CN108181366B (zh) 2017-12-13 2017-12-13 以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108181366A true CN108181366A (zh) 2018-06-19
CN108181366B CN108181366B (zh) 2019-09-27

Family

ID=62546302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711326650.5A Active CN108181366B (zh) 2017-12-13 2017-12-13 以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108181366B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991290A (zh) * 2019-03-22 2019-07-09 河南大学 以异质结和金纳米粒子间能量共振转移为机理的光电化学适配体传感器的构建方法
CN111912887A (zh) * 2020-06-22 2020-11-10 江苏中江材料技术研究院有限公司 一种基于水滑石/类石墨相氮化碳异质结的光电化学氧氟沙星适配体传感器的制备方法
CN112525971A (zh) * 2020-12-16 2021-03-19 江南大学 一种基于钨酸铋的光电化学检测氯霉素的方法
CN112683971A (zh) * 2020-12-09 2021-04-20 齐齐哈尔大学 一种氯霉素光电化学适配体传感器及其制备方法和应用
CN112903761A (zh) * 2021-01-19 2021-06-04 重庆大学 一种二硫化钼-还原氧化石墨烯-氧化亚铜三元复合材料及其制备方法和应用
CN113219030A (zh) * 2021-03-26 2021-08-06 浙江工业大学 CuPi/Ti3C2量子点复合材料制备及基于此光电化学传感器在卡那霉素检测的应用
CN114674904A (zh) * 2022-02-23 2022-06-28 江苏大学 一种基于磁控MoS2纳米片的免标记电化学适配体传感平台的构建方法
CN114778638A (zh) * 2022-04-24 2022-07-22 广西民族师范学院 用于检测丙烯酰胺的光电化学传感器及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014105246A2 (en) * 2012-10-05 2014-07-03 Massachusetts Institute Of Technology Nanofluidic sorting system for gene synthesis and pcr reaction products
US20140213427A1 (en) * 2013-01-31 2014-07-31 Sunpower Technologies Llc Photocatalyst for the Reduction of Carbon Dioxide
CN105797753A (zh) * 2016-04-19 2016-07-27 武汉大学 一种MoS2/TiO2二维复合纳米光催化剂及其制备方法和应用
CN107117650A (zh) * 2017-05-22 2017-09-01 常州大学 一种单分散二氧化钛微球及制备方法和应用
CN107297214A (zh) * 2017-07-06 2017-10-27 陕西科技大学 一种二硫化钼修饰的二氧化钛复合光催化剂的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014105246A2 (en) * 2012-10-05 2014-07-03 Massachusetts Institute Of Technology Nanofluidic sorting system for gene synthesis and pcr reaction products
US20140213427A1 (en) * 2013-01-31 2014-07-31 Sunpower Technologies Llc Photocatalyst for the Reduction of Carbon Dioxide
CN105797753A (zh) * 2016-04-19 2016-07-27 武汉大学 一种MoS2/TiO2二维复合纳米光催化剂及其制备方法和应用
CN107117650A (zh) * 2017-05-22 2017-09-01 常州大学 一种单分散二氧化钛微球及制备方法和应用
CN107297214A (zh) * 2017-07-06 2017-10-27 陕西科技大学 一种二硫化钼修饰的二氧化钛复合光催化剂的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DEHONG CHEN 等: "Synthesis of Monodisperse Mesoporous Titania Beads with Controllable Diameter, High Surface Areas, and Variable Pore Diameters (14-23 nm)", 《J. AM. CHEM. SOC.》 *
PEIPEI LIU 等: "A TiO2 nanosheet-g-C3N4 composite photoelectrochemical enzyme biosensor excitable by visible irradiation", 《ANALYTICA CHIMICA ACTA》 *
PEIPEI LIU 等: "TiO2−BiVO4 Heterostructure to Enhance Photoelectrochemical Efficiency for Sensitive Aptasensing", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991290A (zh) * 2019-03-22 2019-07-09 河南大学 以异质结和金纳米粒子间能量共振转移为机理的光电化学适配体传感器的构建方法
CN111912887A (zh) * 2020-06-22 2020-11-10 江苏中江材料技术研究院有限公司 一种基于水滑石/类石墨相氮化碳异质结的光电化学氧氟沙星适配体传感器的制备方法
CN111912887B (zh) * 2020-06-22 2023-02-17 江苏中江材料技术研究院有限公司 一种基于水滑石/类石墨相氮化碳异质结的光电化学氧氟沙星适配体传感器的制备方法
CN112683971A (zh) * 2020-12-09 2021-04-20 齐齐哈尔大学 一种氯霉素光电化学适配体传感器及其制备方法和应用
CN112525971A (zh) * 2020-12-16 2021-03-19 江南大学 一种基于钨酸铋的光电化学检测氯霉素的方法
CN112525971B (zh) * 2020-12-16 2021-08-20 江南大学 一种基于钨酸铋的光电化学检测氯霉素的方法
CN112903761A (zh) * 2021-01-19 2021-06-04 重庆大学 一种二硫化钼-还原氧化石墨烯-氧化亚铜三元复合材料及其制备方法和应用
CN113219030A (zh) * 2021-03-26 2021-08-06 浙江工业大学 CuPi/Ti3C2量子点复合材料制备及基于此光电化学传感器在卡那霉素检测的应用
CN113219030B (zh) * 2021-03-26 2022-10-11 浙江工业大学 CuPi/Ti3C2量子点复合材料制备及基于此光电化学传感器在卡那霉素检测的应用
CN114674904A (zh) * 2022-02-23 2022-06-28 江苏大学 一种基于磁控MoS2纳米片的免标记电化学适配体传感平台的构建方法
CN114778638A (zh) * 2022-04-24 2022-07-22 广西民族师范学院 用于检测丙烯酰胺的光电化学传感器及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN108181366B (zh) 2019-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108181366B (zh) 以二氧化钛-二硫化钼-金三元复合材料为支架的光电化学适配体传感器的构建方法
Dong et al. CdS quantum dots/Au nanoparticles/ZnO nanowire array for self-powered photoelectrochemical detection of Escherichia coli O157: H7
Zhu et al. In situ growth of copper oxide-graphite carbon nitride nanocomposites with peroxidase-mimicking activity for electrocatalytic and colorimetric detection of hydrogen peroxide
Wang et al. Non-enzymatic acetylcholine electrochemical biosensor based on flower-like NiAl layered double hydroxides decorated with carbon dots
Shad et al. Solution growth of 1D zinc tungstate (ZnWO4) nanowires; design, morphology, and electrochemical sensor fabrication for selective detection of chloramphenicol
Hu et al. Bimetallic-organic framework derived porous Co3O4/Fe3O4/C-loaded g-C3N4 nanocomposites as non-enzymic electrocatalysis oxidization toward ascorbic acid, dopamine acid, and uric acid
Cheng et al. The visible light-driven and self-powered photoelectrochemical biosensor for organophosphate pesticides detection based on nitrogen doped carbon quantum dots for the signal amplification
Niu et al. Graphene-ferrocene functionalized cyclodextrin composite with high electrochemical recognition capability for phenylalanine enantiomers
Wang et al. Hierarchical NiO superstructures/foam Ni electrode derived from Ni metal-organic framework flakes on foam Ni for glucose sensing
He et al. Recent advances in perovskite oxides for non-enzymatic electrochemical sensors: A review
Chen et al. Co3O4 nanoparticles/graphitic carbon nitride heterojunction for photoelectrochemical aptasensor of oxytetracycline
Liu et al. Graphene–palladium nanowires based electrochemical sensor using ZnFe2O4–graphene quantum dots as an effective peroxidase mimic
Derbali et al. BiVO4/TiO2 nanocomposite: electrochemical sensor for hydrogen peroxide
Gao et al. Synthesis of a CdS-decorated Eu-MOF nanocomposite for the construction of a self-powered photoelectrochemical aptasensor
Niu et al. Fabrication of an electrochemical chiral sensor via an integrated polysaccharides/3D nitrogen-doped graphene-CNT frame
Lu et al. Hemoglobin entrapped within a layered spongy Co 3 O 4 based nanocomposite featuring direct electron transfer and peroxidase activity
Zhang et al. High-performance VS2 QDs-based type II heterostructured photoanode for ultrasensitive aptasensing of lysozyme
CN105606684B (zh) 一种基于蛋白质的石墨烯-单壁碳纳米管-纳米金复合物的制备方法及其应用
Chen et al. An enhanced photoelectrochemical ofloxacin aptasensor using NiFe layered double hydroxide/graphitic carbon nitride heterojunction
Wang et al. Electrochemical immunosensor based on AuNPs/Zn/Ni-ZIF-8-800@ graphene for rapid detection of aflatoxin B1 in peanut oil
Zhang et al. An amperometric hydrogen peroxide sensor based on reduced graphene oxide/carbon nanotubes/Pt NPs modified glassy carbon electrode
Zhang et al. Plasmon enhanced photo-assisted electrochemical detection of bisphenol A based on Au decorated La2Ti2O7/RGO nanosheets
CN112683971A (zh) 一种氯霉素光电化学适配体传感器及其制备方法和应用
Zou et al. The sensitive monitoring of living cell-secreted dopamine based on the electrochemical biosensor modified with nitrogen-doped graphene aerogel/Co3O4 nanoparticles
Zhang et al. An ultrasensitive electrochemical sensor based on antimonene simultaneously detect multiple heavy metal ions in food samples

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant