基于AuNPs-TiO2-Au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用

基于aunps-tio2-au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用
技术领域
1.本发明属于光电化学传感生物检测技术领域，涉及一种基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用。

背景技术：

2.目前在生物医学研究中，甲胎蛋白（afp）是临床分析中用于原发性肝癌早期诊断和预后的重要血清标志物，因此，临床分析中肝癌的早期诊断和预后要求afp浓度的检测方法具有较高的灵敏度和较宽的线性范围。作为临床分析中肝癌早期诊断和预后的最佳候选方法之一，光电化学（pec）传感器的低背景噪声、快速和低成本的使其在临床早期诊断中具有广阔的应用前景。
3.光电化学（pec）是指在光电活性材料上施加光照，在光激发的作用下电极产生电子-空穴对及电荷转移，利用电化学工作站检测所产生电流的方法。从而将光能转为电能的光电转换过程。在pec传感检测中，光照作为激发信号，电信号作为检测信号，由于激发源和探测信号是完全不同的能量形式，所以背景噪声较低，具有很高的灵敏度。
4.在pec传感器中光活性材料能够进行光电转换，将吸收的光子转化为化学能，从而在光催化、太阳能电池、光电化学传感器等领域有大量的应用。在pec传感的光活性材料中使用tio2的较为常见，由于tio2具备高稳定性、无毒无害、优越光活性等优点，是目前最有前途的光电活性材料。但是tio2的致命弱点-宽禁带，限制了其对太阳能的吸收（仅吸收大约4%）。因而贵金属掺杂技术应运而生，研究已证实贵金属纳米粒子（au、pd、ag、cu）掺杂到半导体材料中可在光辐射下，激发自由电子的集体震荡实现局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance,lspr）效应。lspr效应通过光散射、局域场增强、热电子注入、共振能量转移四种机制加强有源载流子的激发，提升电子-空穴对的分离概率，从而拓宽光电活性材料的光谱响应范围以及提升对可见光的吸收效率。然而，由于金属纳米粒子的小特征尺寸和强散射效应，它的吸收系数通常较低，严重限制了其光电转换效率。

技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用。所要解决的技术问题是如何利用局域表面等离子体共振效应的优点，同时提出结构简单，易于实施的光电化学生物传感器，使甲胎蛋白检测具有更低的检测极限和更大的检测范围。
6.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
7.基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，包括fto衬底；在fto衬底的上表面设置有au膜层，在au膜层上表面设置有tio2膜层；所述tio2膜层上沉积有aunps层；所述 tio2膜层的厚度为50-110nm；在可见光照射下，利用局域表面等离子体共振产生热电子，所述热
电子跳过在金属-半导体界面形成的肖特基势垒，注入tio2膜层，最后转移到au膜层和fto衬底。
8.优选的，所述 tio2膜层的厚度为60-80nm。
9.优选的，所述aunps层的厚度为5-10nm。
10.优选的，所述aunps层为多个aunps纳米颗粒。
11.优选的，au膜层的厚度为100-120nm。
12.优选的，所述的fto衬底为导电玻璃。
13.优选的，aunps层修饰有甲胎蛋白抗体。
14.更优的，用异硫氰酸荧光素标记荧光素甲胎蛋白抗体。
15.基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：s1：通过磁控溅射在fto衬底上生长au膜层；s2：通过旋转涂层将tio2溶胶-凝胶溶液沉积在au膜层表面上制备tio2膜层；s3：通过磁控溅射在tio2膜层表面制备au薄膜，得到ata三明治结构；s4：将ata三明治机构在450-520℃热退火1-1.5h后，将au薄膜制备成均匀的纳米颗粒层。
16.可应用于甲胎蛋白检测的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器。
17.本发明基于aunps/tio2/au（简称ata）结构，产生的偶极镜面效应光电化学传感器可以用于甲胎蛋白特异性检测，利用的原理为pec传感器的激励源和检测信号的分离，在空间域提高pec传感器的性能，在空间上利用三明治结构，用于产生磁共振，增强光吸收；用ata电极产生的偶极镜面效应，通过aunps和au膜之间的磁共振显著增强光吸收和光电转换效率。
18.本发明的检测原理为：在制作的光电化学传感器达到最优指标的情况下，基于电化学工作站对光电流信号进行测量，该方法利用氙灯来提供产生光电流所需要的光源。一方面，光源首先用挡板挡住，等待电化学工作站的极化电位达到稳定状态，然后打开挡板用氙灯来照射电极，重复此过程对电极产生的光电流进行周期性检测。
19.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：本发明根据pec传感器的物理机制，其光电流响应（由化学和生物分析物之间的相互作用确定）可在空间域中得到增强。为了增强空间域中的光-物质相互作用，将aunps/tio2/au三明治纳米复合膜用作afp分析的电极。在该结构中，最顶部的金属层包括大量贵金属纳米结构，可以产生强的lsprs，中间的介质层可将电磁场限制在狭小的间隙中，诱导金属层之间的电磁耦合，而底部一层较厚的金属层作为一个不透明的镜子。
20.对可见光的吸收效率大幅度提高，主要得益于该结构中金属层与纳米粒子的等离子体耦合，即偶极镜面相互作用。由于ata结构中的贵金属纳米颗粒的lspr效应，aunps中的电子吸收光子能量激发热电子-空穴对，热电子越过aunps与tio2之间的肖特基势垒进入tio2。接着电子转移到au膜，由于fto导电层的导带很低，电子会顺势进入fto导电层，因此有效的阻碍了电子-空穴对的复合，大幅度提升吸收效率。ata结构由于aunps的存在会产生等离子体共振，由于au膜的存在会产生偶极镜面效应，从而显著提升光活性材料对太阳能的吸收效率和光电转换效率。
21.所以，本发明采用了aunps/tio2/au三明治结构纳米复合膜，au 薄膜和纳米颗粒
的等离子体耦合、偶极镜像作用弥补了tio2自身缺陷，且大幅度提升了tio2的光电性能，使制备的光电化学生物传感器具有良好的选择性、稳定性，制作简单、成本低、灵敏度高。对于甲胎蛋白检测的灵敏度提高了20倍以上。本发明利用aunps/tio2/au结构，用于产生磁共振和增强光吸收来提高传感器性能的测量策略实现了对甲胎蛋白的特异性检测。
附图说明
22.图1是aunps/tio2/au（ata）三明治结构的示意图。
23.图2是aunps/tio2/au（ata）膜的电荷转移机理示意图。
24.图3是afp修饰的ata膜pec传感器的制作工艺。
25.图1-3中，1为aunps，2为tio2薄膜，3为au膜，4为fto白玻璃。
26.图4是tio2/au-膜/fto的电镜扫描图，其中（a）是制备的表面均匀、光滑的tio2/fto电极，（b）是沉积aunps后，近球形的aunps均匀分布在tio2薄膜表面，（b）中插图显示了aunps的放大图像，（c）是afp抗体表面修饰后，生物大分子出现在电极上，（d）是制作的ata结构的横截面在fto衬底上呈现多层结构。
27.图5是eds数据显示，从ata膜检测到ti、o和au信号；其中a图的插入部分为ata膜。
28.图6(a)是采用无固定抗体的电极，（b）是异硫氰酸荧光素(fitc)与蛋白质的氨基反应来标记荧光素甲胎蛋白抗体，绿荧光点分散在整个区域。
29.图7为ata复合膜晶体结构的xrd测试图。
30.图8为具有不同厚度tio
2 的ata-film 样本的电场仿真结果。厚度为(a)40 nm；(b)60 nm；(c)80 nm；(d)110 nm (t40、t60、t80、t110)。
31.图9为具有不同厚度tio2的ata-film 样本的磁场仿真结果。厚度为(a)40 nm；(b)60 nm；(c)80 nm；(d)110 nm (t40、t60、t80、t110) 随着tio2厚度的增加，由于磁共振作用，tio2层和金膜中逐渐出现了强磁场。
32.图10为tio2、au/tio2、ata-film(t60、t20)样本的紫外-可见吸收光谱。
33.图11中(a)为afp/anti-afp/ata-film(ⅰ)、anti-afp/ata-film(ⅱ)、tio2(ⅲ)、aunps/tio2(ⅳ)、ata-film(
ⅴ
)电极的eis 光谱图；显示了pec电极在组装过程中不同阶段的eis光谱，并揭示了电极的阻抗变化；(b) tio2薄膜、aunps/tio2薄膜和ata薄膜的光电流响应。
34.图12(a)为设计的ata膜电极与不同浓度的目标蛋白孵育后的光电流响应，(b)为同样的实验条件下对aunps/tio2电极的测量对比图，（c）为对afp浓度c的对数与光电流进行线性拟合。
35.图13(a)是ata结构传感器对甲胎蛋白和其他蛋白质的光电流响应，（b）是ata结构传感器检测0.01ng/mlafp的稳定性评价，误差条显示了5次重复测试的标准偏差。
36.图14是本发明设计的传感器与其它传感器的性能比较。
具体实施方式
37.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实
施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
38.实施例1本实施例提供一种基于aunps-tio
2-au (ata)三明治结构纳米复合膜的光电化学生物传感器，如图1所示，该光电化学生物传感器包括底部的fto衬底，fto衬底为导电玻璃；在fto衬底的上表面设置有厚度为100nm的au膜层。在au膜层上表面设置有一定厚度的tio2膜层；tio2膜层的厚度设定为40、60、80、110 nm（用(t40、t60、t80、t110表示）；所述tio2膜层上沉积有aunps层；aunps层为均匀设置在tio2膜层上的纳米au颗粒层，aunps层的厚度为5nm；aunps层修饰有甲胎蛋白afp抗体（参见图3），其中，异硫氰酸荧光素(fitc)与蛋白质的氨基反应来标记荧光素甲胎蛋白抗体。
39.tio2薄膜厚度的最佳选择如图8和图9所示，随着tio2厚度的增加，由于磁共振作用，tio2层和金膜中逐渐出现了强磁场。ata薄膜具有最强的磁共振，这表明由于图像偶极镜面效应，辐照吸收极强。当tio2夹层厚度继续增加(100nm)时，磁场面积和强度显著下降，表明能量吸收下降。在aunps的底端可以观察到局部增强的电场，其强度与磁场的强度趋势一致。ata三明治结构的强电场和强磁场大大增强了对光的吸收，进一步有助于光电流的改善。根据上述分析，ata三明治结构中tio2薄膜的厚度选择为60nm。
40.如图2所示，本实施例所述的光电化学生物传感器在可见光照射下，利用局域表面等离子体共振（lspr）产生热电子，所述热电子跳过在金属-半导体界面形成的肖特基势垒，注入tio2膜层，最后转移到au膜层和fto衬底。在空间域的情况下用ata电极产生的偶极镜面效应增强光吸收和提高光电转换效率。
41.实施例2基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：s1：通过磁控溅射在fto衬底上生长au膜层；s2：通过旋转涂层将tio2溶胶-凝胶溶液沉积在au膜层表面上制备tio2膜层；仔细调整旋转涂层的速度以控制tio2膜的厚度；s3：为了在形成的tio2薄膜上沉积aunps，通过磁控溅射制备了另一层厚度为5nm的au薄膜，得到ata三明治结构；s4：将ata三明治机构在480℃热退火1h后，将au薄膜制备成均匀的纳米颗粒层，获得32个直径均匀的纳米颗，制备得到光电化学生物传感器。
42.s5：将afp抗体孵育在光电化学生物传感器电极表面，具体为：如图3所示，传感器电极经去离子水清洗后，浸泡在40mm的β-半胱胺溶液中，置于室温黑暗环境中12h，用去离子水冲洗5次后，将未结合的β-半胱胺在氮气中干燥。抗体溶液与含有4mg/mledc和4mg/mlnhs的pbs溶液在37
°
c摇床中混合30min。抗体中的羧基被活化成nhs酯，与传感电极上的氨基有效结合。然后将传感器浸泡在活化的抗体溶液中，置于37
°
c孵箱中1h，抗体均匀固定在传感器电极表面。为了避免抗体间的静电吸附和空间位阻，用0.1%的bsa封闭抗体表面的非结合位点和非特异性位点30min。
43.上述光电化学生物传感器中电极的表征如下：三明治结构纳米复合膜的光电化学生物传感器组成成分的表征如图4所示，用扫描电子显微镜(sem)对传感器电极的表面和侧
面形貌进行了表征。结果表明，制备的tio2/fto电极(图4(a))表面均匀、光滑。沉积aunps后，近球形的aunps均匀分布在tio2薄膜表面(图4(b))。afp抗体表面修饰后，生物大分子出现在电极上(图4(c))。制作的ata结构的横截面在fto衬底上呈现多层结构(图4(d))。图5中的eds数据显示，从ata膜(图5(a)插入部分)检测到ti、o和au信号，表明复合材料由tio2和au组成。
44.afp在电极表面的孵育表征如图6，异硫氰酸荧光素(fitc)与蛋白质的氨基反应来标记荧光素甲胎蛋白抗体。如图6(b)所示，绿荧光点分散在整个区域。作为对照，采用无固定抗体的电极图6(a)相同条件下无绿荧光点。结果表明，afp抗体已成功地在电极表面孵育。在优化孵育时间和电解质ph值后，制备了用于光电化学生物传感器的高性能电极。
45.采用所述光电化学生物传感器检测甲胎蛋白，是将上述孵育了afp抗体的光电化学生物传感器与靶抗原孵育。然后用电化学工作站检测并处理光电流信号。
46.本实施例1和2设计的检测afp的传感器的特异性研究如图13，将传感器的anti-afp/ata-film/fto电极作用于含有不同的蛋白质的溶液中，包括靶蛋白afp、癌胚抗原(cea)、人类绒毛膜促性腺激素(hcg)与牛血清白蛋白(bsa)，都有10ng/ml相同的浓度。如图13(a)所示，将传感器暴露于cea、hcg和bsa抗原时，没有观察到明显的光电流响应变化。然而，在相同的实验条件下，抗体和afp抗原孵育得到了显著的光电流。同时，afp抗原组与其他抗原组之间有显著性差异(p《0.001)。实验结果表明，该传感器对afp抗原具有良好的选择性。
47.基于上述制备的光电化学传感器对afp抗原进行光电化学检测，图12(a)为设计的ata薄膜电极与不同浓度的目标蛋白孵育后的光电流响应。随着afp浓度的增加，光电流逐渐减小。同样的实验条件下测量aunps/tio2电极进行对比(图12(b))。偶极镜面效应使ata传感器的光电流比au/tio2增加了14倍(分别为22μa和1.5μa)。光电流的增强使ata-film传感器的灵敏度提高了20倍以上。如图12(c)所示，光电流与afp浓度的对数之间存在极好的线性关系。具体参数如图14所示。与其他afp检测方法相比，本实施例所述的传感器具有更宽的检测范围和更低的检测水平。以上数据充分说明了ata传感结构的优良性能。
48.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

技术特征：

1.基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，包括fto衬底；在fto衬底的上表面设置有au膜层，在au膜层上表面设置有tio2膜层；所述tio2膜层上沉积有aunps层；所述 tio2膜层的厚度为50-110nm；在可见光照射下，利用局域表面等离子体共振产生热电子，所述热电子跳过在金属-半导体界面形成的肖特基势垒，注入tio2膜层，最后转移到au膜层和fto衬底。2.根据权利要求1所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述 tio2膜层的厚度为60-80nm。3.根据权利要求1所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述aunps层的厚度为5-10nm。4.根据权利要求3所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述aunps层为多个aunps纳米颗粒。5.根据权利要求1所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，au膜层的厚度为100-120nm。6.根据权利要求1所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述的fto衬底为导电玻璃。7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，aunps层修饰有甲胎蛋白抗体。8.根据权利要求7所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器，其特征在于，用异硫氰酸荧光素标记荧光素甲胎蛋白抗体。9.如权利要求1-6任意一项所述的基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：通过磁控溅射在fto衬底上生长au膜层；s2：通过旋转涂层将tio2溶胶-凝胶溶液沉积在au膜层表面上制备tio2膜层；s3：通过磁控溅射在tio2膜层表面制备au薄膜，得到ata三明治结构；s4：将ata三明治机构在450-520℃热退火1-1.5h后，将au薄膜制备成均匀的纳米颗粒层。10.可应用于甲胎蛋白检测的如权利要求1-6任意一项所述基于aunps-tio
2-au的光电化学生物传感器。

技术总结

本发明公开了基于AuNPs-TiO

技术研发人员：

菅傲 李窦哲 赵彪 杨婷 李敏 赵冬 桑胜波

受保护的技术使用者：

太原理工大学

技术研发日：

2022.10.26

技术公布日：

2022/12/9