基于硫空位的自供能光电压适配体传感器及其制备方法和应用

1.本发明涉及光电材料以及光电压检测技术领域，尤其涉及一种基于硫空位的自供能光电压适配体传感器及其制备方法和应用，具体涉及一种以apt/cts/cuo/ito为光阴极，以bi2s
3-x
/ti3c2/ito为光阳极，定量检测河水中微囊藻毒素-rr的光电压分析方法。


背景技术：

2.微囊藻毒素-rr(microcystin-rr，简称mc-rr)，是一个在2位和4位为精氨酸的mc变体，这种结构使得其与其他微囊藻毒素同源物相比更亲水。微囊藻毒素-rr是继微囊藻毒素-lr之后最广泛的mc变体，主要是由富营养爆发的蓝绿藻释放的。除了毒害野生动物、牲畜和家禽外，微囊藻毒素还能污染饮用水，导致人类肝脏损伤和肝癌发病率增加。毒素检测研究发现微囊藻毒素通过与1a(pp1)和2a(pp2)结合抑制肝功能，导致肝组织坏死和原发性肿瘤。
3.目前，已经被报道的测定微囊藻毒素-rr的方法主要有：气相色谱-质谱法(gc-ms)、化学发光免疫分析法(clia)、荧光法(fl)和酶联免疫吸附测定法(elisa)等。但是现存的大多数仪器分析方法都存在局限性，比如价格昂贵、仪器操作专业度高、前处理过程复杂耗时，难以进行大规模现场检测。因此，开发一种简单、快速、高效的检测微囊藻毒素-rr的方法是极其重要的。
4.自供能光电化学传感器是近年来发展迅速的一种新型传感器，它不必依赖外部电源，在阴极和阳极之间不用外加任何偏置电压，依靠自然光激发，进行载流子传递，产生能量，自给自足，形成电势差，实现了传感器的自供电，可以解决当前传统传感器电池能量不足的问题，有利于实际检测的小型化和便捷化，因此受到了人们的广泛关注。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供基于硫空位的自供能光电压适配体传感器及其制备方法和应用，基于cuo和bi2s
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/ti3c2光电材料和s空位效应，构建基于硫空位的自供能光电压适配体传感器来检测微囊藻毒素-rr。引入二维层状ti3c2，能够达到比单体bi2s3效率更高的电荷转移，促进了光生电子-空穴对的有效分离；s空位的引入对带隙产生影响，增加光吸收性能和活性位点；同时本发明采用双光电极，有效地提高了光电性能。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)bi2s
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/ti3c2的制备：
8.将硝酸铋和硝酸的混合溶液缓慢倒入碳化钛分散液中，超声均匀，与此同时，将硫化钠水溶液缓慢加入上述超声均匀的溶液中，收集沉淀并洗涤，经冷冻干燥即可得到bi2s
3-x
/ti3c2纳米复合材料，作为光阳极；
9.(2)cuo粉末的制备：
10.氯化铜溶液用氢氧化钠溶液调节ph，然后转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，自然冷却后，将产物离心水洗并在烘箱中进行干燥；
11.(3)基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备：
12.将步骤(1)和步骤(2)制得的bi2s
3-x
/ti3c2和cuo粉末分别分散于dmf溶液中，滴涂于氧化铟锡(ito)电极上，分别标记为bi2s
3-x
/ti3c2/ito和cuo/ito，然后，在cuo/ito修饰电极上进一步修饰成膜剂壳聚糖，标记为cts/cuo/ito，再取一定浓度的待检测物适配体修饰于所制备的cts/cuo/ito上，得到apt/cts/cuo/ito，以bi2s
3-x
/ti3c2/ito为光阳极(负极)，以apt/cts/cuo/ito为光阴极(正极)，即构建得基于硫空位的自供能光电压适配体传感器。
13.进一步的，步骤(1)中，加入的硝酸铋的质量浓度范围为10.5-11.0mg/ml；稀硝酸的浓度范围为0.2-0.8m；加入的硫化钠与硝酸铋的质量比为0.6-0.8；碳化钛与硝酸铋的质量比为0.02-0.05。浓度范围的变化会改变复合材料中碳化钛的含量，进而影响材料的光电性能。
14.进一步的，步骤(2)中，加入的氯化铜的质量浓度范围为30-40mg/ml；氢氧化钠溶液浓度范围为0.05-0.15m；调节的ph值为10以上；水热反应的温度范围为120-180摄氏度；水热反应的时间为10-14小时；烘箱干燥的温度范围为60-80摄氏度；烘箱干燥的时间为2-6小时。调试反应物的用量、ph、反应温度及时间以获得最优性能的光活性材料。
15.进一步的，步骤(3)中，bi2s
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/ti3c2和cuo粉末分散在dmf中的浓度为5-15mg/ml；滴涂体积为10-30μl；滴涂面积为0.2-1cm2；壳聚糖的添加量为5-15μl；壳聚糖的浓度为2-8mg/ml。检测时限定固定的参数以保证重现性。
16.上述的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器用于检测微囊藻毒素-rr，适配体为微囊藻毒素-rr适配体(浓度优选为2.5μm，微囊藻毒素-rr适配体的修饰量为20μl)；所述的微囊藻毒素-rr适配体核苷酸序列如下所示：5
’‑
act gcc ctt caa tgt tca ctc ctg ttt cct gat ctt tgt c-3’。
17.本发明还提供了微囊藻毒素-rr的检测方法，基于上述硫空位的自供能光电压适配体传感器进行，包括以下步骤：
18.步骤s1、标准曲线的绘制：
19.取一系列已知浓度的微囊藻毒素-rr滴涂于所制备的apt/cts/cuo/ito上，室温孵育，所制得的修饰电极标记为mc-rr/apt/cts/cuo/ito；以mc-rr/apt/cts/cuo/ito作为光电化学测试的光阴极，bi2s
3-x
/ti3c2/ito作为光阳极，以pbs缓冲溶液作为电解质，氙灯作为光源，控制光源出口至ito导电面水平距离一致；测试该回路的开路光电压响应值，得到一系列的浓度-光电压对应关系，进而得到微囊藻毒素-rr的标准曲线，建立加入微囊藻毒素-rr后的光电压强度与微囊藻毒素-rr浓度对数值的线性关系，得到相应的线性回归方程；
20.步骤s2、实际样品检测：
21.参考步骤s1测试实际样品的光电压，然后按照上述步骤s1中的线性回归方程进行计算，得出实际样品中微囊藻毒素-rr的浓度。
22.进一步的，步骤s1中，所述的一系列不同浓度的微囊藻毒素-rr的浓度范围为1.0
×
10-16
mol/l～1.0
×
10-11
mol/l；一系列不同浓度的微囊藻毒素-rr的滴涂量为20μl；孵育时间为30分钟；pbs缓冲溶液的ph为7.4，其浓度为0.1mol/l；氙灯功率为500w；控制的水平
距离为8cm。
23.本发明的有益效果是：本发明与普通的光电化学传感器相比，具有以下两方面的显著优点：
24.(1)本发明以apt/cts/cuo/ito为光阴极，以bi2s
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/ti3c2/ito为光阳极，采用双光电极，与传统的单光电极相比，具有更高的光电压；引入ti3c2与bi2s3耦合从而增强电子传输效率；光阳极具有硫空位，能够调节带隙，增加光吸收和光生载流子的数量；适配体的加入使得该传感器可以特异性检测林可霉素。
25.(2)本发明制备的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器用于微囊藻毒素-rr的检测，该传感器稳定性高，灵敏度高，重现性好，线性范围宽，可以实现简单、便捷的定量检测，且本发明的自供能光电压传感器所检测的微囊藻毒素-rr浓度范围可以为10-16
mol/l～10-11
nmol/l，最低检测限为4.7
×
10-17
mol/l。
附图说明
26.图1是不同浓度微囊藻毒素-rr的光电压响应图。
27.图2是加入微囊藻毒素-rr后的电压值与微囊藻毒素-rr浓度对数的标准曲线。
28.图3是复合物bi2s
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/ti3c2(曲线a)和单体bi2s3(曲线b)的电子顺磁共振曲线。
具体实施方式
29.本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.以检测微囊藻毒素用的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器为例，但其并不作为对本技术的限定，以apt/cts/cuo/ito作为光电化学测试的阴极，bi2s
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/ti3c2/ito作为阳极，组成自供能体系进行微囊藻毒素-rr检测。
31.以下结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
32.实施例
33.(1)、bi2s
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/ti3c2的制备：
34.在搅拌条件下将538mg硝酸铋溶解于50ml稀硝酸(0.5m)中，再将此溶液缓慢倒入30ml碳化钛分散液(0.5mg/ml)中，超声均匀。与此同时，将398.7mg硫化钠溶解于50ml水中，充分溶解后缓慢加入上述超声均匀的溶液中。将生成的棕黑色沉淀用水沉降洗涤几次，经冷冻干燥即可得到bi2s
3-x
/ti3c2纳米复合材料，作为光阳极；
35.(2)、cuo的制备：
36.将670mg氯化铜溶解于20ml去离子水中，然后在持续搅拌条件下用0.1m的氢氧化钠溶液调节ph至10以上。将混合后的溶液转移至特氟龙内衬的不锈钢反应釜中进行150摄氏度水热反应12小时。自然冷却后，将产物离心水洗并在75摄氏度烘箱中干燥3小时；
37.(3)、基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备：
38.将步骤(1)和步骤(2)制得的bi2s
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/ti3c2和cuo粉末各称量10mg，分散于1ml dmf溶液中，各滴涂20μl于氧化铟锡(ito)电极上，滴涂面积为0.5cm
×
1cm，分别标记为bi2s
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/
ti3c2/ito和cuo/ito。然后，在cuo/ito修饰电极上进一步修饰10μl成膜剂壳聚糖(5mg/ml)，标记为cts/cuo/ito。再取20μl 2.5μm的微囊藻毒素-rr适配体修饰于所制备的cts/cuo/ito上，得到apt/cts/cuo/ito。以bi2s
3-x
/ti3c2/ito为光阳极(负极)，以apt/cts/cuo/ito为光阴极(正极)，即可构建基于硫空位的自供能光电压适配体传感器。
39.其中，微囊藻毒素-rr适配体核苷酸序列如下所示：5
’‑
act gcc ctt caa tgt tca ctc ctg ttt cct gat ctt tgt c-3’。
40.(4)、标准曲线的绘制：
41.取20μl一系列已知浓度(浓度分别为1.0
×
10-16
mol/l、1.0
×
10-15
mol/l、1.0
×
10-14
mol/l、1.0
×
10-13
mol/l、1.0
×
10-12
mol/l和1.0
×
10-11
mol/l)的微囊藻毒素-rr滴涂于所制备的apt/cts/cuo/ito上，室温孵育，孵育时间为30分钟，所制得的修饰电极标记为mc-rr/apt/cts/cuo/ito；以mc-rr/apt/cts/cuo/ito作为光电化学测试的光阴极，bi2s
3-x
/ti3c2/ito作为光阳极，以ph为7.4的pbs缓冲溶液(0.1mol/l)作为电解质，500w氙灯作为光源，控制光源出口至ito导电面水平距离为8cm；以两电极体系测试该回路的开路光电压响应值，得到一系列的浓度与光电压对应关系(图1)，相应的线性如图2所示，其回归方程为：i＝0.33896-0.01789logc(nmol/l)，其检测范围为1.0
×
10-16
～1.0
×
10-11
mol/l，最低检测限为4.7
×
10-17
mol/l。
42.(5)、实际样品检测：
43.取20μl待测的河水样品滴涂于所制备的apt/cts/cuo/ito上，室温孵育30分钟，以两电极体系测试该回路的开路电压，按上述步骤(4)所对应的线性回归方程计算出待检测样品中微囊藻毒素-rr浓度，其结果列于表1中。
44.对比实施例1：
45.以apt/cts/cuo/ito为光阴极，以铂电极为阳极，传感器的制备及检测同实施例，具体步骤如下：
46.(1)、cuo的制备：
47.将670mg氯化铜溶解于20ml去离子水中，然后在持续搅拌条件下用0.1m的氢氧化钠溶液调节ph至10以上。将混合后的溶液转移至特氟龙内衬的不锈钢反应釜中进行150摄氏度水热反应12小时。自然冷却后，将产物离心水洗并在75摄氏度烘箱中干燥3小时；
48.(2)、自供能光电压适配体传感器的制备：
49.将步骤(1)制得的cuo粉末称量10mg，分散于1ml dmf溶液中，滴涂20μl于氧化铟锡(ito)电极上，滴涂面积为0.5cm
×
1cm，标记为cuo/ito。然后，在cuo/ito修饰电极上进一步修饰10μl成膜剂壳聚糖(5mg/ml)，标记为cts/cuo/ito。再取20μl 2.5μm的微囊藻毒素-rr适配体修饰于所制备的cts/cuo/ito上，得到apt/cts/cuo/ito。以铂电极为阳极，以apt/cts/cuo/ito为光阴极，即可构建自供能光电压适配体传感器。
50.其中，微囊藻毒素-rr适配体核苷酸序列如下所示：5
’‑
act gcc ctt caa tgt tcactc ctg ttt cct gat ctt tgt c-3’。
51.(3)、实际样品检测：
52.取20μl待测的河水样品滴涂于所制备的apt/cts/cuo/ito上，室温孵育30分钟，以两电极体系测试该回路的开路电压，按实施例步骤(4)所对应的线性回归方程计算出待检测样品中微囊藻毒素-rr浓度，其结果列于表1中。
ctc ctg ttt cct gat ctt tgt c-3’。
71.(4)、实际样品检测：
72.取20μl待测的河水样品滴涂于所制备的apt/cts/cuo/ito上，室温孵育30分钟，以两电极体系测试该回路的开路电压，按实施例步骤(4)所对应的线性回归方程计算出待检测样品中微囊藻毒素-rr浓度，其结果列于表1中。
73.表1某河水水样的测定结果
[0074][0075]
如表1所示，样品平行测定3次，加标回收率在97％～102％之间，相对标准偏差小于5％。以上结果说明，只用单光电极apt/cts/cuo/ito，或者光阳极用无硫空位的单体bi2s3或单体ti3c2均无法检测出微囊藻毒素-rr，因此本发明的传感器用于检测河水水样中的微囊藻毒素-rr是可行的。
[0076]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)bi2s
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/ti3c2的制备：将硝酸铋和硝酸的混合溶液缓慢倒入碳化钛分散液中，超声均匀，与此同时，将硫化钠水溶液缓慢加入上述超声均匀的溶液中，收集沉淀并洗涤，经冷冻干燥即可得到bi2s
3-x
/ti3c2纳米复合材料，作为光阳极；(2)cuo粉末的制备：氯化铜溶液用氢氧化钠溶液调节ph，然后转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，自然冷却后，将产物离心水洗并在烘箱中进行干燥；(3)基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备：将步骤(1)制得的bi2s
3-x
/ti3c2和步骤(2)制得的cuo粉末分别分散于dmf溶液中，再分别滴涂于氧化铟锡(ito)电极上，并分别标记为bi2s
3-x
/ti3c2/ito和cuo/ito，然后，在cuo/ito修饰电极上进一步修饰成膜剂壳聚糖，标记为cts/cuo/ito，再取一定浓度的待检测物适配体(例如含有act gcc ctt caa tgt tca ctc ctg ttt cct gat ctt tgt c碱基序列的适配体)修饰于所制备的cts/cuo/ito上，得到apt/cts/cuo/ito，以bi2s
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/ti3c2/ito为光阳极，以apt/cts/cuo/ito为光阴极，即构建得基于硫空位的自供能光电压适配体传感器。2.根据权利要求1所述的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中加入的硝酸铋的质量浓度范围为10.5-11.0mg/ml；稀硝酸的浓度范围为0.2-0.8m；加入的硫化钠与硝酸铋的质量比为0.6-0.8；碳化钛与硝酸铋的质量比为0.02-0.05。3.根据权利要求1所述的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备方法，其特征在于：步骤(2)中加入的氯化铜的质量浓度范围为30-40mg/ml；氢氧化钠溶液浓度范围为0.05-0.15m；调节的ph值为10以上；水热反应的温度范围为120-180摄氏度；水热反应的时间为10-14小时；烘箱干燥的温度范围为60-80摄氏度；烘箱干燥的时间为2-6小时。4.根据权利要求1所述的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，bi2s
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/ti3c2和cuo粉末分散在dmf中的浓度为5-15mg/ml，滴涂体积为10-30μl，滴涂面积为0.2-1cm2；壳聚糖的添加量为5-15μl，壳聚糖的浓度为2-8mg/ml。5.如权利要求1至4中任一项所述的基于硫空位的自供能光电压适配体传感器的制备方法制得的自供能光电压适配体传感器。6.根据权利要求5所述的自供能光电压适配体传感器的应用，其特征在于：用于检测微囊藻毒素，适配体为微囊藻毒素-rr适配体，微囊藻毒素-rr适配体核苷酸序列如下所示：5
’‑
act gcc ctt caa tgt tca ctc ctg ttt cct gat ctt tgt c-3’。7.根据权利要求6所述的自供能光电压适配体传感器的应用，其特征在于：步骤(3)中微囊藻毒素-rr适配体的浓度为2.5μm，微囊藻毒素-rr适配体的修饰量为20μl。8.根据权利要求6所述的自供能光电压适配体传感器的应用，其特征在于：包括以下步骤：s1、标准曲线的绘制：取一系列已知浓度的微囊藻毒素-rr滴涂于所制备的apt/cts/cuo/ito上，室温孵育，
所制得的修饰电极标记为mc-rr/apt/cts/cuo/ito；以mc-rr/apt/cts/cuo/ito作为光电化学测试的光阴极，bi2s
3-x
/ti3c2/ito作为光阳极，以pbs缓冲溶液作为电解质，氙灯作为光源，控制光源出口至ito导电面水平距离一致；测试该回路的开路光电压响应值，得到一系列的浓度-光电压对应关系，进而得到微囊藻毒素-rr的标准曲线，建立加入微囊藻毒素-rr后的光电压强度与微囊藻毒素-rr浓度对数值的线性关系，得到相应的线性回归方程；s2、实际样品检测：参考步骤s1测试实际样品的光电压后，按照上述步骤s1中的线性回归方程进行计算。9.根据权利要求8所述的自供能光电压适配体传感器的应用，其特征在于：步骤s1中，一系列不同浓度的微囊藻毒素-rr的浓度范围为1.0
×
10-16
mol/l～1.0
×
10-11
mol/l；一系列不同浓度的微囊藻毒素-rr的滴涂量为20μl；孵育时间为30分钟。10.根据权利要求8所述的自供能光电压适配体传感器的应用，其特征在于：步骤s1中，pbs缓冲溶液的ph为7.4，其浓度为0.1mol/l；氙灯功率为500w，控制的水平距离为8cm。

技术总结
本发明涉及光电材料以及光电压检测技术领域，尤其涉及一种基于硫空位的自供能光电压适配体传感器及其制备方法和应用。将具有硫空位的纳米复合材料Bi2S


技术研发人员：蒋鼎 张林华 杜晓娇 陈智栋
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/5/25