一种光致电化学传感器及其制备方法和应用

1.本发明属于光电材料与传感领域，具体涉及一种光致电化学传感器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.自供电阴极光致电化学(pec)传感器中，光电化学过程的激发信号在光电阳极，而目标物识别过程发生在光电阴极上，因此能有效防止光电活性界面上非特异性氧化还原反应的干扰，从而避免假阳信号产生，有很强的抗干扰能力。相比于光学检测方法，自供电阴极pec传感器具有设备简易、成本低廉和无外加电源供应的优点，使其成为一种适用于肿瘤疾病及环境污染物分子检测的简便、灵活、快速和灵敏的分析技术。
3.自供电阴极pec传感器由光电阳极和光电阴极组成，光电阴极用来识别目标物，一般用p型材料构建。而光电阳极作为对电极/参比电极用于放大阴极光电流，一般用n型材料构建。目前已使用的用于构建光阴极的p型半导体包括nio、pbs、cu2o、bioi和cuins2等。然而，大多数基于p型半导体的光电阴极的光电转换效率低，导致产生的阴极光电流较低。为增强阴极光电流信号，通常需要使用敏化剂来增强光电阳极的n型材料对光的吸收和提高光生电子空穴对的分离效率，从而提高传感器对于待测物质的响应灵敏度。传统的共敏化策略中寻找具有匹配能级的两种级联敏化材料仍是一个难题，而且不同光活性材料之间的界面也会阻碍电荷转移，限制光电转换效率。此外，常见的阴极光电材料存在导电性差、在电极界面上吸引光生电子能力弱和电荷迁移速度慢等问题。所以急需发展新的策略来提升光电流信号进而用于高灵敏光电传感器。


技术实现要素：

4.本发明设计了一种类似天线的策略，基于以bi2wo6或s掺杂bi2wo6作为光阳极材料，导电聚合物材料聚3,4-乙烯二氧噻吩(pedot)为光阴极材料，在提高光电阴极的导电性的同时，提高光电阳极n型半导体的光生电子空穴对的分离效率，极大程度的增强了阴极光电流。进而结合目标物诱导酶辅助循环放大反应，构建了自供能的阴极光致电化学传感器，实现了对肿瘤标志物mirna-141(例如microrna-141)的超灵敏检测。
5.本发明提供了一种光致电化学传感器，其包括光电阳极和光电阴极，其中，所述光电阳极包括第一电极和位于所述第一电极表面的bi2wo6和/或硫掺杂bi2wo6，所述光电阴极包括第二电极和位于所述第二电极表面的pedot。
6.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述硫掺杂bi2wo6中，硫脲与bi2wo6的质量比为(0.1-3)：100，优选为(0.5-2.5)：100，最优选为(0.8-1.5)：100。
7.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述硫掺杂bi2wo通过水热法合成，优选所述水热法合成包括将铋盐与钨酸盐在醇溶液混合，得到第一混合溶液；将硫脲加入到所述混合溶液中，得到第二混合溶液；将第二混合溶液在150-200℃密闭反应12至36小时，得到沉淀物。
8.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述硫脲(以硫元素质量计)与所述铋盐(以铋元素质量计)的投料质量比为(0.07-2.1)：100，优选为(0.4-1.8)：100，最优选为(0.6-1.1)：100。
9.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述铋盐为bi(no3)3或其水合物。
10.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述钨酸盐为na2wo4或其水合物。
11.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述醇溶液为乙二醇溶液。
12.根据本发明光致电化学传感器的一些实施方式，所述第一电极和所述第二电极为玻碳电极。
13.本发明还提供了如上所述的光致电化学传感器的构建方法，该方法包括以下步骤：
14.将pedot负载到第一电极上，制得pedot光阴极；
15.将金纳米颗粒沉积在pedot光阴极上作为工作电极；
16.将bi2wo6或硫掺杂bi2wo6负载到第二电极上，制得光阳极作为对/参比电极。
17.进一步地，本发明还提供了如上所述的光致电化学传感器在肿瘤标志物的检测中的应用。具体地，所述肿瘤标志物可以为mirna-141。
18.本发明提出了一种天线策略，以聚3,4-乙烯二氧噻吩(pedot)导电聚合物构建光阴极，pedot具有非常好的导电性，可以通过外电路吸引光阳极产生的光生空穴，加速阳极n型半导体的光生电子空穴对的分离，最终将阴极光电流信号放大10倍以上，为检测mirna提高了一个高性能的稳定自供电阴极pec传感平台。
附图说明
19.图1显示了自供电阴极光致电化学传感器的构建过程，a为传感器的电子转移机制，b为目标物mirna-141诱导酶辅助单信号放大过程，c为自供电阴极pec传感器上光阴极的构建过程。
20.图2显示了测试例中自供电阴极pec传感器的测试过程，a为光电流响应的线性关系，b为不同浓度mirna-141下自供电阴极pec传感器的校准曲线，c为自供电阴极pec传感器在1pm mirna-141下的稳定性，d为传感器的选择性。
21.图3显示了s掺杂量对材料光电性能的影响。
22.图4显示了本发明实施例2中天线策略下阴极光电流信号放大效果。
具体实施方式
23.为使本发明容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
24.本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
25.实施例1
26.本发明涉及的s掺杂bi2wo6(s:bi2wo6)通过简单的水热反应制备：首先，将0.9701g水合bi(no3)3溶解在20ml乙二醇溶液中搅拌30min，同时将0.3297gna2wo4·
2h2o溶解在20ml乙二醇溶液中持续搅拌30min，随后将两者混合后超声分散至均匀。然后，将硫脲作为硫源
加到上述混合溶液中，持续搅拌1小时。最后，将混合溶液转移至50ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在数字控温的反应炉中180℃反应24h。高压釜自然冷却至室温，离心收集到灰色沉淀物，用蒸馏水和95％乙醇洗涤数次，冷冻干燥备用。
27.采用相同方法合成了一系列s掺杂的bi2wo6缺陷纳米材料，命名为s:bi2wo
6-x(x＝0、1％、3％、5％、10％)，代表硫脲/钨酸铋的投料质量比分别为0(未加硫脲)、1％(即硫脲与bi2wo6的质量比为1：100)、3％((即硫脲与bi2wo6的质量比为3：100))、5％((即硫脲与bi2wo6的质量比为5：100)和10％。
28.测试例
29.测试例1
30.采用光电化学测试方法测定实施例1中光阳极材料在400nm光源激发下的光电性能，具体结果见表1。
31.表1
[0032] 光电流μas:bi2wo
6-1％4.681s:bi2wo
6-3％2.149s:bi2wo
6-5％1.740s:bi2wo
6-10％1.685s:bi2wo
6-0(bi2wo6)3.568
[0033]
实施例2
[0034]
传感器的构建：
[0035]
首先，将玻碳电极用氧化铝粉抛光打磨并用乙醇和超纯水交替超声洗涤干净。接下来，将pedot滴加到洁净干燥的玻碳电极表面上，自然晾干成膜后通过电沉积方法将金纳米颗粒(aunps)沉积在pedot光阴极上作为工作电极，同时将s:bi2wo
6-1％溶液滴加到同样洁净干燥的玻碳电极表面上，将该光阳极作为对/参比电极来放大光电流信号(pec信号呈“on”状态)，从图4可看出。
[0036]
接着，5'修饰巯基的捕获链hp2通过au-s配位键组装在上述gce/pedot/dep au光阴极界面上，此时，用己硫醇(ht)封闭该阴极界面的非特异性吸附位点，随后加入目标物介导的酶辅助单信号放大反应产物output dna。通过催化发夹组装放大技术，output dna随即打开电极上孵育着的发夹dna hp2，其中hp2可以与hp3-s1-sio2复合物上的hp3通过链置换反应杂交结合，该过程释放的output dna可循环作用于电极界面上其他发夹，此外，加入的s2-sio2复合物可以通过s2与s1的杂交组装到以上修饰电极界面上。由于dnas-sio2结构大量组装固载在光阴极界面上，阻碍了pedot/dep au光阴极对光阳极s掺杂bi2wo6产生的光生电子的吸收以及电极表面上的电子迁移，实现阴极pec信号的猝灭(“off”状态)。该过程中，pec信号猝灭程度与目标物mirna-141的浓度成正比，故此传感器能够成功地用于mirna-141检测。
[0037]
实施例3
[0038]
1.采用该传感器对mirna-141的标准溶液进行了检测，具体方法如下：
[0039]
3)mirna-141介导的酶辅助循环放大反应产物output dna的形成：首先，将120μl，2μm发夹dna(hp1)与fe3o
4-au溶液在4℃条件下混合搅拌过夜得到fe3o
4-au-hp1。随后，将混
合液磁性分离洗涤后重新分散在120μl磷酸缓冲溶液中，在fe3o
4-au-hp1混合物中加入己硫醇封闭非特异性结合位点。接下来，20μl mirna-141，0.5μl双链特异性核酸酶(dsn，0.1u)和0.5μl 1
×
dsn主缓冲液加到fe3o
4-au-hp1-ht复合物中在60℃条件下持续反应40分钟。此过程中，目标物mirna-141可以与fe3o
4-au上的hp1杂交形成dna-rna混合链，双链特异性核酸酶能够特异性识别并消化dna-rna混合链中的dna部分，释放的rna可用于下一个循环，最后加入dsn终止液在60℃下加热反应10min使酶失活以终止反应，经过磁性分离得大量产物output dna。
[0040]
4)将释放产物output dna，与修饰在电极表面的发夹dna(hp2)杂交，孵育2h后在超纯水中淌洗，随即加入修饰有猝灭基团sio2的hp3，s1，s2各10μl，孵育2h完成催化发夹组装链置换反应。
[0041]
3)光致电化学检测采用新型自供电阴极pec传感器体系：gce/pedot作为工作电极，gce/bi2wo
6-xsx
代替铂丝对电极作为对/参比电极，无偏置电压供应。在含有过氧化氢(h2o2)的磷酸盐缓冲溶液(pbs)中，以400nm的led光为激发光源，电位扫描速光源模式为10-20-10的关-开-关模式，连续扫描5圈，记录稳定的光电流值。
[0042]
4)传感器的pec信号随着mirna-141浓度的增加而下降，并且和mirna-141浓度的对数值成正比。其线性响应范围为1fm到10nm。
[0043]
2.该传感器的选择性检测
[0044]
1)在目标物介导的置换触发链的过程中，用100pm的干扰分子代替mirna-141。然后，将输出产物按照同样步骤在电极上进行反应。
[0045]
2)在目标物介导的置换触发链的过程中，目标物mirna-141的浓度为10pm。
[0046]
3)在目标物介导的置换触发链的过程中，空白对照为不加目标物，后续反应步骤不改变。
[0047]
4)各种干扰物分子的pec信号按照同样步骤分别被测定，将三次pec信号强度求平均值，对照10pm mirna-141的pec强度，具体结果见图2(d)。
[0048]
3.磷酸盐缓冲溶液(pbs，ph 7.0)的配置
[0049]
由0.1mol
·
l-1
k2hpo4，0.1mol
·
l-1
nah2po4和0.1mol
·
l-1
kcl的混合溶液制得。
[0050]
本发明为自供电阴极pec传感器检测mirna-141提供一个高性能和稳定的平台，该传感器具有卓越的分析性能和超灵敏性。本发明下这种天性策略为阴极光电流的放大提供了一种新的方法，同时有助于进一步了解缺陷结构和导电聚合物在构建自供电阴极pec传感过程中的基本作用，应用于其他肿瘤标志物mirna分子，指导临床诊断。
[0051]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。