一种基于二维纳米复合材料的光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法。属于新型纳米功能材料与生物传感器技术领域。本发明首先制备了一种新型二维纳米复合材料Mn?TiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法。属于新型纳米功能材料与生物传感器技术领域。

背景技术

黄曲霉毒素是一类化学结构类似的化合物，均为二氢呋喃香豆素的衍生物。黄曲霉毒素存在于土壤、动植物、各种坚果中，特别是容易污染花生、玉米、稻米、大豆、小麦等粮油产品，是霉菌毒素中毒性最大、对人类健康危害极为突出的一类霉菌毒素。黄曲霉毒素主要有黄曲霉毒素M1、黄曲霉毒素B1、黄曲霉毒素B2、黄曲霉毒素G1、黄曲霉毒素G2等几种。黄曲霉毒素被世界卫生组织划定为1类致癌物，毒性比砒霜大68倍，仅次于肉毒霉素，是目前已知霉菌中毒性最强的。黄曲霉毒素的危害性在于对人及动物肝脏组织有破坏作用，严重时可导致肝癌甚至死亡，家庭自制发酵食品也能检出黄曲霉毒素，尤其是高温高湿地区的粮油及制品种检出率更高。

目前，检测黄曲霉毒素的方法主要有色谱法、质谱法等。此类方法仪器贵重、操作复杂，化验人员需要专业培训后才能进行检测。因此，研发成本低、检测快、灵敏度高、特异性强的黄曲霉毒素传感器具有重要意义。

光电化学传感器由于灵敏度高、检测成本低等特点，近几年被越来越多的研究者所关注。光电化学传感器是基于外加光源激发光电敏感材料导致电子-空穴对进行分离，在合适的偏电位条件下，实现电子在电极、半导体及修饰物和分析物上的快速传递，并形成光电流。在最优条件下，分析物浓度的变化会直接影响光电流的大小，再利用生物免疫结合，就可以根据光电流的变化实现对分析物的定性定量分析。

光电化学传感器最关键技术就是对光电流的大小及稳定性等性能的提高。二氧化钛是应用最为广泛的一种光催化剂和光生电子基质材料，由于片状二氧化钛纳米材料能够暴露更多的高指数晶面，具有更高的光催化活性，二氧化钛纳米片具有比纳米粒子更好地应用前景，对于二氧化钛纳米片的研究也备受关注。而单一的二氧化钛纳米材料的光生电子-空穴对易复合，从而导致光电信号的减弱，并且二氧化钛导电性差也限制了由单一二氧化钛纳米材料构建的光电化学传感器的灵敏度普遍不高，不利于实际应用。但是，在半导体纳米材料上修饰或复合特殊的纳米材料，可以有效提高光生载流子对的有效浓度，提高光电转换效率，并大大提高检测灵敏度。因此，设计、制备高效、稳定的二氧化钛纳米片及其修饰物是制备光电化学传感器的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备简单、灵敏度高、检测快速、特异性强的光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法，所制备的传感器，可用于黄曲霉毒素的快速、灵敏检测。基于此目的，本发明首先制备了一种新型二维纳米复合材料，即锰掺杂二氧化钛纳米片原位复合氮化碳二维纳米复合材料Mn-TiO₂/g-C₃N₄，利用该材料的良好的生物相容性和大的比表面积，负载上黄曲霉毒素抗体，然后通过戊二醛的交联作用固定碱性磷酸酶，在进行检测时，由于碱性磷酸酶可以催化L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐AAP原位产生L-抗坏血酸AA，并进而为光电检测提供电子供体，再利用抗体与抗原的特异性定量结合对电子传输能力的影响，使得光电流强度相应降低，最终实现了采用无标记的光电化学方法检测黄曲霉毒素的生物传感器的构建。

本发明采用的技术方案如下：

1.一种基于二维纳米复合材料的光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法，所述的二维纳米复合材料为锰掺杂二氧化钛纳米片原位复合氮化碳二维纳米复合材料Mn-TiO₂/g-C₃N₄，所述的光电化学黄曲霉毒素生物传感器由工作电极、Mn-TiO₂/g-C₃N₄、黄曲霉毒素抗体、牛血清白蛋白、戊二醛、碱性磷酸酶组成；

其特征在于，所述的制备方法包括以下制备步骤：

a.Mn-TiO₂/g-C₃N₄的制备；

b.光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备；

其中，步骤a制备Mn-TiO₂/g-C₃N₄的具体步骤为：

首先，取0.8~1.2mmol锰盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢加入0.5~0.8mL氢氟酸，160~200℃下在反应釜中反应18~24小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取150~250mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为1~3℃/min，在480~560℃下煅烧0.5~5小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Mn-TiO₂/g-C₃N₄；

所述的锰盐选自下列之一：硫酸锰、氯化锰、硝酸锰；

步骤b制备光电化学黄曲霉毒素生物传感器的具体步骤为：

（1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8~12uL的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶，室温下晾干；

（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂8~12μL10μg/mL的黄曲霉毒素抗体溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂8~12μL浓度为100μg/mL的牛血清白蛋白溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂2~4μL的戊二醛溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（5）将步骤（4）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂6~10μL浓度为20μg/mL的碱性磷酸酶溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（6）将步骤（5）中得到的电极用PBS清洗，在4℃冰箱中保存晾干后，即制得光电化学黄曲霉毒素生物传感器；

所述的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶为将50mg的Mn-TiO₂/g-C₃N₄粉末溶于10mL超纯水中，并超声30min后制得的水溶胶；

所述的PBS为10mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4；

所述的戊二醛溶液为体积比为2.5%的戊二醛水溶液。

2.本发明所述的基于二维纳米复合材料的光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法，其特征在于所述黄曲霉毒素选自下列之一：黄曲霉毒素M1、黄曲霉毒素B1、黄曲霉毒素B2、黄曲霉毒素G1、黄曲霉毒素G2。

3.本发明所述的制备方法所制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器的应用，其特征在于，包括如下应用步骤：

a.标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液；

b.工作电极修饰：将如权利要求1所述的制备方法所制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器为工作电极，将步骤b中配制的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液分别滴涂到工作电极表面，4℃冰箱中保存；

c.工作曲线绘制：将饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，与步骤b所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接到光电化学检测设备上；在电解槽中先后加入15mLpH=9.6的Tris–HCl缓冲溶液和5mL10mmol/L的L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐AAP溶液；采用i-t测试手段，根据所得的光电流值与黄曲霉毒素标准溶液浓度之间的关系，绘制工作曲线；

d.黄曲霉毒素的检测：用待测样品代替步骤a中的黄曲霉毒素标准溶液，按照步骤b和c中的方法进行检测，根据响应信号的强度值和工作曲线，得到待测样品中黄曲霉毒素的含量。

本发明的有益成果

（1）本发明所述的光电化学黄曲霉毒素生物传感器制备简单，操作方便，实现了对样品的快速、灵敏、高选择性检测，并且成本低，可应用于便携式检测，具有市场发展前景；

（2）本发明首次制备了新型光敏材料Mn-TiO₂/g-C₃N₄，由于锰在二氧化钛纳米片上的原位生长而充分与二氧化钛纳米片接触，利用锰的金属表面等离子体作用，有效阻止了光生电子-空穴对的复合，解决了二氧化钛纳米片虽然光催化效果好，但是光电流产生较小的技术问题；同时由于氮化碳g-C₃N₄的良好的导电性和二氧化钛纳米片在其上的充分分散，极大地增大了二氧化钛纳米片的光催化活性和解决了二氧化钛纳米片导电性差而不利于制备光电化学传感器的技术问题，因此，该材料的有效制备，具有重要的科学意义和应用价值；

（3）本发明首次将Mn-TiO₂/g-C₃N₄应用于光电化学生物传感器的制备中，显著提高了光生载流子的有效浓度，大大提高了光电化学传感器的检测灵敏度，使得光电化学生物传感器实现了在实际工作中的应用；该材料的应用，也为相关生物传感器，如电致化学发光传感器、电化学传感器等提供了技术参考，具有广泛的潜在使用价值。

具体实施方式

实施例1Mn-TiO₂/g-C₃N₄的制备

首先，取0.8mmol锰盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢加入0.5mL氢氟酸，160℃下在反应釜中反应24小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取150mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为1℃/min，在480℃下煅烧5小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Mn-TiO₂/g-C₃N₄；

所述的锰盐为硫酸锰。

实施例2Mn-TiO₂/g-C₃N₄的制备

首先，取1.0mmol锰盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢加入0.6mL氢氟酸，180℃下在反应釜中反应21小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取200mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为2℃/min，在520℃下煅烧2小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Mn-TiO₂/g-C₃N₄；

所述的锰盐为氯化锰。

实施例3Mn-TiO₂/g-C₃N₄的制备

首先，取1.2mmol锰盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢加入0.8mL氢氟酸，200℃下在反应釜中反应18小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取250mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为3℃/min，在560℃下煅烧0.5小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Mn-TiO₂/g-C₃N₄；

所述的锰盐为硝酸锰。

实施例4光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法

（1）将宽为1cm、长为4cm的ITO导电玻璃作为工作电极，在电极表面滴涂8μL的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶，室温下晾干；

（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂8μL10μg/mL的黄曲霉毒素抗体溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂8μL浓度为100μg/mL的牛血清白蛋白溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂2μL的戊二醛溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（5）将步骤（4）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂6μL浓度为20μg/mL的碱性磷酸酶溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（6）将步骤（5）中得到的电极用PBS清洗，在4℃冰箱中保存晾干后，即制得光电化学黄曲霉毒素生物传感器；

所述的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶为将50mg的Mn-TiO₂/g-C₃N₄粉末溶于10mL超纯水中，并超声30min后制得的水溶胶；

所述的PBS为10mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4；

所述的戊二醛溶液为体积比为2.5%的戊二醛水溶液。

实施例5光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法

（1）将宽为1cm、长为4cm的ITO导电玻璃作为工作电极，在电极表面滴涂10μL的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶，室温下晾干；

（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂10μL10μg/mL的黄曲霉毒素抗体溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂10μL浓度为100μg/mL的牛血清白蛋白溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂3μL的戊二醛溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（5）将步骤（4）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂8μL浓度为20μg/mL的碱性磷酸酶溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（6）将步骤（5）中得到的电极用PBS清洗，在4℃冰箱中保存晾干后，即制得光电化学黄曲霉毒素生物传感器；

所述的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶为将50mg的Mn-TiO₂/g-C₃N₄粉末溶于10mL超纯水中，并超声30min后制得的水溶胶；

所述的PBS为10mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4；

所述的戊二醛溶液为体积比为2.5%的戊二醛水溶液。

实施例6光电化学黄曲霉毒素生物传感器的制备方法

（1）将宽为1cm、长为4cm的ITO导电玻璃作为工作电极，在电极表面滴涂12μL的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶，室温下晾干；

（2）将步骤（1）中得到的电极用缓冲溶液PBS清洗，继续在电极表面滴涂12μL10μg/mL的黄曲霉毒素抗体溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（3）将步骤（2）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂12μL浓度为100μg/mL的牛血清白蛋白溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（4）将步骤（3）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂4μL的戊二醛溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（5）将步骤（4）中得到的电极用PBS清洗，继续在电极表面滴涂10μL浓度为20μg/mL的碱性磷酸酶溶液，4℃冰箱中保存晾干；

（6）将步骤（5）中得到的电极用PBS清洗，在4℃冰箱中保存晾干后，即制得光电化学黄曲霉毒素生物传感器；

所述的Mn-TiO₂/g-C₃N₄溶胶为将50mg的Mn-TiO₂/g-C₃N₄粉末溶于10mL超纯水中，并超声30min后制得的水溶胶；

所述的PBS为10mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.4；

所述的戊二醛溶液为体积比为2.5%的戊二醛水溶液。

实施例7实施例1和3制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器，应用于黄曲霉毒素的检测，步骤如下：

（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液；

（2）工作电极修饰：将如权利要求1所述的制备方法所制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器为工作电极，将步骤（1）中配制的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液分别滴涂到工作电极表面，4℃冰箱中保存；

（3）工作曲线绘制：将饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，与步骤（2）所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接到光电化学检测设备上；在电解槽中先后加入15mLpH=9.6的Tris–HCl缓冲溶液和5mL10mmol/L的L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐AAP溶液；采用i-t测试手段，根据所得的光电流值与黄曲霉毒素标准溶液浓度之间的关系，绘制工作曲线；黄曲霉毒素的线性检测范围为：0.002~200ng/mL，检出限为：0.8pg/mL；

（4）实际样品检测：用待测样品代替步骤（1）中的黄曲霉毒素标准溶液，按照步骤（2）和（3）中的方法进行检测，根据响应信号的强度值和工作曲线，得到待测样品中黄曲霉毒素的含量；

所述的黄曲霉毒素为黄曲霉毒素M1。

实施例8实施例2和4制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器，应用于黄曲霉毒素的检测，步骤如下：

（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液；

（2）工作电极修饰：将如权利要求1所述的制备方法所制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器为工作电极，将步骤（1）中配制的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液分别滴涂到工作电极表面，4℃冰箱中保存；

（3）工作曲线绘制：将饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，与步骤（2）所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接到光电化学检测设备上；在电解槽中先后加入15mLpH=9.6的Tris–HCl缓冲溶液和5mL10mmol/L的L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐AAP溶液；采用i-t测试手段，根据所得的光电流值与黄曲霉毒素标准溶液浓度之间的关系，绘制工作曲线；黄曲霉毒素的线性检测范围为：0.002~200ng/mL，检出限为：0.8pg/mL；

（4）实际样品检测：用待测样品代替步骤（1）中的黄曲霉毒素标准溶液，按照步骤（2）和（3）中的方法进行检测，根据响应信号的强度值和工作曲线，得到待测样品中黄曲霉毒素的含量；

所述的黄曲霉毒素为黄曲霉毒素B1。

实施例9实施例3和6制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器，应用于黄曲霉毒素的检测，步骤如下：

（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液；

（2）工作电极修饰：将如权利要求1所述的制备方法所制备的光电化学黄曲霉毒素生物传感器为工作电极，将步骤（1）中配制的不同浓度的黄曲霉毒素标准溶液分别滴涂到工作电极表面，4℃冰箱中保存；

（3）工作曲线绘制：将饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，与步骤（2）所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接到光电化学检测设备上；在电解槽中先后加入15mLpH=9.6的Tris–HCl缓冲溶液和5mL10mmol/L的L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐AAP溶液；采用i-t测试手段，根据所得的光电流值与黄曲霉毒素标准溶液浓度之间的关系，绘制工作曲线；黄曲霉毒素的线性检测范围为：0.002~200ng/mL，检出限为：0.8pg/mL；

（4）实际样品检测：用待测样品代替步骤（1）中的黄曲霉毒素标准溶液，按照步骤（2）和（3）中的方法进行检测，根据响应信号的强度值和工作曲线，得到待测样品中黄曲霉毒素的含量；

所述的黄曲霉毒素为黄曲霉毒素G1。