一种基于碳化钛/二氧化钛的有机光电化学晶体管传感器的构建方法及应用

技术领域

本发明属于电化学检测领域，指一种基于碳化钛/二氧化钛的有机光电化学晶体管传感器的构建方法。

背景技术

真菌毒素是某些真菌在适宜环境(适宜的温度和湿度)下产生的具有致死性和致病性的二级代谢产物。目前已知的真菌毒素种类达到了300种以上，粮油食品和饲料是真菌毒素主要的污染对象。展青霉素是一种由曲霉、青霉、丝衣霉等真菌产生的一种次级代谢产物，毒性极强，在自然界中广泛存在，极易侵染生活中常见的食品，包括谷物、水果、蔬菜等。众多研究报道了展青霉素引起的急性中毒症状有兴奋、抽搐、腹泻、肝脏和肾脏损伤等，长期暴露于展青霉素下可导致生殖、神经和免疫方面的毒性。尽管在粮食的生长期和贮藏期可以通过控制环境条件来减少污染；食品加工过程中也可以去除一些真菌毒素，但是不能完全排除真菌毒素对健康的影响，所以对于粮食生产和加工过程中真菌毒素含量的监测是十分必要的目前检测展青霉素的方法有很多，其中化学分析法以薄层色谱法为典型代表，它是快速分离及定性分析少量物质很重要的实验技术，但由于其灵敏度的限制，随着生产和发展的需求越来越高，逐渐退出了舞台。高效液相色谱、气相色谱法、气质联用和液质联用等方法是最常用的仪器分析方法。该方法具有精准和灵敏等显著优点，在国标检测等领域得到了广泛的应用。但是该方法需要价格高昂的仪器设备，以及训练有素的仪器操作人员，而且前处理复杂和分析时间比较长，并不适合现场实时监控的快速检测。因此，发展一种快速、灵敏的具有现场监测功能的展青霉素检测方法具有重要意义。

有机电化学晶体管(OECT)属于有机薄膜晶体管的一类，是近年来发展迅速的电化学传感器之一。自Wrighton等制备出第一个OECT以来，其结构简单、工作电压低、环境稳定性好、电流放大能力好、生物相容性好等优点使OECT在生化检测领域具有较大的吸引力。然而，在传统的OECT系统中，需要对栅极施加电压，这可能会影响栅极上的电活性物质。所以，如何避免栅极上电压的使用，也是需要研究的方向之一。

光电化学(Photoelectrochemical,PEC)传感器是利用光照条件下，修饰在电极上的光活性材料与目标检测物之间发生的电荷转移作用而构建的一种分析装置。为了满足日益增长的高级生物分析的需求，提高光电化学传感器的灵敏度、稳定性、便携性是分析领域发展的热点。例如，所采用的独特的材料修饰和信号放大策略。这些主要是利用光活性材料的改性大大克服了主要的限制，包括可见光吸收差、纳米结构的严重聚集、电荷空穴易复合和低导电性等缺陷。光电化学传感传感器的灵敏度有限，然而目前从方法学上提高传感器灵敏度的研究还较少——结合有机电化学晶体管的信号放大作用是提高光电化学传感器灵敏度的一种可行手段。有机光电化学晶体管(OPECT)传感器是一种新型的电化学生物传感器，是有机电化学晶体管(OECT)和光电化学(PEC)传感器的结合体。相对于传统的PEC生物传感器而言，它最大的特点是结合了OECT的内在的信号放大功能，能大大提高传感器的灵敏度；相对于传统的OECT而言，它最大的特点是结合了PEC中激发源与信号检测系统的分离的优势，降低了背景信号，并且无需外加栅极电压。然后通过将目标分析物的浓度变化转换为电源信号(如栅极电流、沟道电流等)的改变，并根据二者的相关性而发展起来的一类新型电化学传感检测器件。

光电活性材料是OPECT传感的核心组成部分之一，对所构建的传感器的灵敏度具有很大影响。MXene是一种二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物，具有优异电化学传感性能，在催化、清洁能源、电子、超级电容和燃烧电池等领域都留下了无限的潜力，对科学界产生了巨大的影响。

然而，碳化钛/二氧化钛作为光电活性材料用于有机光电化学晶体管OPECT传感器中的技术，还未见相关报道。

发明内容

本发明旨在提供一种高灵敏度、高选择性、宽测量范围等优点为一体的OPECT传感器。该传感器制备工艺简单，成本低，实现了快速定量检测展青霉素的目的。

所采用的方案概括为：

本发明以水热法制备的碳化钛/二氧化钛复合材料(TNTD)作为光电活性材料，创建超灵敏的OPECT传感器制备方法。利用沟道电流对栅极电流放大的性质，对检测系统起到一个信号放大的作用，从而提高检测的灵敏度。当溶液中加入目标物展青霉素，TNTD受到光的激发，产生高效的电子转移，产生的光电压，使沟道中的PEDOT：PSS受到了离子的掺杂，产生的沟道电流产生了变化，展青霉素适配体由于具有较大的阻抗，从而使得其OPECT响应强度降低，加入展青霉素与适配体结合之后，目标物分子可以识别Ti

本发明是通过如下具体技术方案实现的：

一种基于碳化钛/二氧化钛的有机光电化学晶体管传感器的构建方法，包括如下步骤：

步骤1、溶剂热法制备碳化钛/二氧化钛(Ti

首先，Ti

步骤2、光电化学有机晶体管OPECT器件沟道的制备：

在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上均涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)层，并用聚乙烯(PE)薄膜封存，制得丝网印刷器件。

步骤3、OPECT传感器中栅极的构建：

用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解步骤1制得的Ti

步骤4、OPECT适配体传感的构建：

将步骤3修饰好的电极作为OPECT的栅电极PAT/aptamer/Ti

步骤1中，所述Ti

步骤2中，所述丝网印刷器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2-0.3mm；聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)半导体层的涂覆厚度为40-120μm，且PEDOT:PSS的质量比为2.5:1。

步骤3中，Ti

电极上滴加的适配体溶液浓度为3μM，滴加的量为20μL，然后4℃冰箱存放12h；

BSA的质量百分浓度为3％，滴加的量为10-20μL；

展青霉素的浓度为3ng·L

展青霉素适配体序列为：5’-CCCGGCCCGCCAACCCGCATCATCTACACTGATATTTTACCTTCCC-3’。

将本发明构建的基于碳化钛/二氧化钛的有机光电化学晶体管传感器用于检测展青霉素的用途。具体步骤包括：

将一系列已知浓度的展青霉素修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与OPECT器件的源、漏极一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站；电化学实验在型号为CHI1010C的工作站上实施，光源为氙灯平行光源系统仪器，使用I-t曲线进行实时监测；当I-t曲线的基线平稳后，使光照射电极，收集OPECT信号，根据不同浓度的展青霉素与对应的OPECT信号强度关系建立标准曲线；参数设置如下：源、漏极电压为-0.2V，栅极电压为0V。

然后，将待测浓度的展青霉素修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与OPECT器件的源、漏极一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站；同样的方法收集OPECT信号，带入标准曲线中，得出待测浓度。

本发明的有益效果为：

本发明制备碳化钛/二氧化钛(TNTD)作为光活性栅极材料，成功建立OPECT传感平台，建立了一种实际水样品中的展青霉素的OPECT检测方法，其特色和优点表述如下：

(1)本发明制备碳化钛/二氧化钛作为光活性栅极材料来构建OPECT传感器，TiO

(2)本发明凭借氧化锌纳米棒阵列优异的光电性能，特异性的适配体(aptamer)以及放大信号的PEDOT:PSS沟道，构建了展青霉素适配体OPECT传感器。该传感器表现出更宽的线性范围(3ng·L

(3)此外，构建的OPECT适配体传感器用以检测实际水样品中的展青霉素，获得了令人满意的结果。这项工作不仅展示了具有优异光电特性的氧化锌纳米棒阵列在PEC相关应用中的潜在吸引力，而且还为食品检测、生物医学和环境监测等领域构建了一种新颖OPECT传感平台。

(4)相对于传统的PEC生物传感器而言，本发明中所提出展青霉素的OPECT检测方法最大的特点是结合了OECT的内在的信号放大功能，能大大提高传感器的灵敏度；相对于传统的OECT而言，它最大的特点是结合了PEC中激发源与信号检测系统的分离的优势，降低了背景信号，并且无需外加栅极电压。具有操作更简便灵活，仪器设备更简单，检测成本低廉，灵敏度高等特点。

附图说明

图1为TNTD不同合成时间下的扫描电镜表征图：0h(A)、4h(B)、8h(C)、12h(D)、16h(E)。

图2(A)为TNTD的X射线衍射图；图2(B)为TNTD不同合成时间下的红外图谱：4h(a)、8h(b)、12h(c)、16h(d)；

图3为通道一电流(a)、Ti

图4为传感器对应的OPECT信号：(a)Ti

图5为所构建的OPECT适配体传感器检测不同浓度PAT的OPECT沟道电流响应图(A)和相应的PAT的检测线性标准曲线(B)。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。

实施例1：

(1)Ti

将100mg Ti

图1为Ti

如图2，材料的X射线衍射图(A)中，除Ti

并且如图3所示，原位生长法合成的Ti

(2)OPECT器件沟道的制备

先设计好丝网印刷器件的规格，器件的沟道长度和宽度分别为6mm和0.2mm，在网上订做丝网印刷碳电极，即在PET基底上印刷导电碳浆，制成源、漏电极，然后在源、漏电极上涂覆聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)半导体层，厚度为50μm。最后用聚乙烯塑料薄膜封存。

(3)用于检测PAT光电化学有机晶体管(OPECT)传感器的构建

用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)1mL溶解2mg Ti

如图4所示，(a)Ti

(4)OPECT信号检测

电化学实验在型号为CHI1010C的工作站上实施，光源为氙灯平行光源系统仪器。将修饰好的电极作为OPECT的栅电极并与OPECT器件的源、漏极一同浸泡在装有PBS溶液的池子中，打开光源，接通电化学工作站，使用I-t曲线进行实时监测。当I-t曲线的基线平稳后，使光照射电极，收集OPECT信号，根据不同浓度的展青霉素与对应的OPECT信号强度关系建立标准曲线。参数设置如下：源、漏极电压为-0.2V，栅极电压为0V。

如图5所示，构建的PEC适配体传感器检测不同浓度PAT的光OPECT沟道电流响应图(A)。由图可知，随着PAT浓度的增加，OPECT信号在下降。图(B)为OPECT检测时建立的PAT标准曲线，相关系数为0.991，线性范围为3ng·L

实施例2：

(1)Ti

将100mg Ti

步骤(2)、(3)、(4)同实施例1的步骤(2)、(3)、(4)。

实施例3：

(1)Ti

将100mg Ti

步骤(2)、(3)、(4)同实施例1的步骤(2)、(3)、(4)。