稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器及其制备方法

技术领域

本公开涉及生物传感器的光阳极薄膜技术领域，具体而言，涉及一种稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器及其制备方法。

背景技术

半导体光电生物传感器是集合了电化学和光学生物传感器所有优势的新型传感器，其具有的高灵敏、低成本、小型化等优势满足于当经社区化疾病普筛的需求，在突发疾病的精准快速筛查领域具有非常大的应用前景。

但目前光电化学生物传感器在应用上依然存在很多关键的技术需要突破。PEC生物传感系统中存在三大学科问趣，即“光的吸收与利用”，“光生载流子的分离与输运”以及“光电极的表面反应”。除此之外，如何实现生物传感器半导体界面的与探针的亲和性、如何保证生物传感器在引入生物探针后不影响光阳极载流子的传输过程、如何稳定批量的制备光阳极薄膜，这三个问题是PEC传感器在应用上存在的关键技术问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器及其制备方法，提高与探针的亲和性和传感器的灵敏度。

根据本公开的一个方面，一种稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器，包括依次层叠设置的导电基板、光阳极薄膜层和适配体探针层；所述光阳极薄膜层包括依次设置的BiVO

在本公开的一种示例性实施例中，所述Co掺杂TiO

所述Co掺杂TiO

在本公开的一种示例性实施例中，所述Rh掺杂SrTiO

所述Rh掺杂SrTiO

在本公开的一种示例性实施例中，所述BiVO

在本公开的一种示例性实施例中，所述适配体探针层包括DNA适配体的碱基序列：5′-CAGCACCGACCTTGTGCTTTGGGAGTGCTGGTCCAAGGGCGTTAATGGACA-3′，用于检测COVID-19S蛋白。

在本公开的一种示例性实施例中，所述适配体探针层包括DNA适配体的碱基序列为：5′-GGGGGGCCAAGGCCCAGCCCTCACACA-3′，用于检测HIV-21基因。

在本公开的一种示例性实施例中，所述适配体探针层包括DNA适配体的碱基序列：5′-GATACTGCGTGCTTGTTCCATA-3′，用于检测甲型流感病毒H1N1基因。

根据本公开的另一个方面，一种稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、导电基板上沉积BiVO

S2、在BiVO

S3、获取Rh掺杂SrTiO

S4、在Rh掺杂SrTiO

在本公开的一种示例性实施例中，在步骤S3中，获取Rh掺杂SrTiO

将钛酸四丁酯溶解于冰乙酸溶液中搅拌10～20min，根据所需的Rh相对于Ti的掺杂质量比加入硝酸铑溶液，获得第一混合溶液；

向第一混合溶液中加入Sr(NO

在本公开的一种示例性实施例中，在步骤S2中，交替沉积TiO

本公开提供的生物传感器的光阳极薄膜层在BiVO

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开一种实施方式中，稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器结构示意图。

图2为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

图3为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

图4为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

图5为本公开一种实施方式中，不同Rh掺杂比的光阳极薄膜的J-V曲线对比图。

图6为本公开一种实施方式中，不同量子层的光阳极薄膜的J-V曲线对比图。

图7为本公开一种实施方式中，BVO光阳极薄膜层、Co:TiO

图8为本公开一种实施方式中，Rh:STO/BVO光阳极薄膜层的传感器对COVID-19S蛋白的检测结果示意图。

图9为本公开一种实施方式中，Rh:STO/BVO光阳极薄膜层的传感器对COVID-19S蛋白的检测结果示意图。

图10为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

图11为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

图12为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

图13为本公开一种实施方式中，Rh:STO/Co:TiO

附图标记如下：

1、导电基板，2、光阳极薄膜层，21、BVO薄膜层，22、Co掺杂TiO

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在下的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开实施方式提供了一种稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器，如图1所示，包括导电基板1，及层叠设置在导电基板1一侧的光阳极薄膜层2、适配体探针层3。所述光阳极薄膜层2包括依次设置的BiVO

本公开提供的生物传感器的光阳极薄膜层2在单一BVO薄膜层21的基础上增加了Co掺杂TiO

在本公开的一种实施方式中，所述Co掺杂TiO

在一种示例中，所述Co掺杂TiO

在本公开的一种实施方式中，所述Rh掺杂STO量子层薄膜层23的厚度为10nm～15nm。举例而言，Rh掺杂STO量子层薄膜层23的厚度可以为10nm、11nm、12nm、13nm、14nm或15nm。

在一种示例中，Rh掺杂STO量子层薄膜层23中，Rh相对于Ti的掺杂质量比为0.5～2％。举例而言，Rh相对于Ti的掺杂质量比可以为0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％或2％。

在本公开的一种实施方式中，所述BVO薄膜层21的厚度为150nm～200nm。举例而言，BVO薄膜层21的厚度可以为150nm、160nm、170nm、180nm、190nm或200nm。

在本公开的一种实施方式中，所述适配体探针层3包括DNA适配体的碱基序列：5′-CAGCACCGACCTTGTGCTTTGGGAGTGCTGGTCCAAGGGCGTTAATGGACA-3′(SEQ ID NO:1)，可以用于特异性的检测COVID-19S蛋白。

在本公开的一种实施方式中，所述适配体探针层3包括DNA适配体的碱基序列：5′-GGGGGGCCAAGG CCCAGCCCTCACACA-3′(SEQ ID NO:2)，可以用于特异性的检测HIV-21基因。

在本公开的一种实施方式中，所述适配体探针层3包括DNA适配体的碱基序列：5′-GATACTGCGTGCTTGTTCCATA-3′(SEQ ID NO:3)，可以用于特异性的检测甲型流感病毒H1N1基因。

本公开实施方式还提供了一种稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、在导电基板1上沉积BVO薄膜层21；所述导电基板1可以为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。

在本公开的一种实施方式中，采用电沉积BiOI再通过高温钒离子交换的方法制备BVO薄膜层21。包括以下步骤：

S1.1、将固体Bi(NO

获取0.02～0.03mol/L的对苯醌溶液。例如，可以将对苯醌粉体溶解于乙醇中，超声震荡至完全溶解以获取对苯醌溶液，对苯醌溶液的摩尔浓度可以为0.02mol/L、0.024mol/L、0.028mol/L或0.03mol/L。

S1.2、将第一溶液与对苯醌溶液混合，搅拌30～60min，获得第二溶液。

S1.3、采用工作电极、对电极和差比电极组成的三电极体系，将工作电极、对电极和差比电极放置于第二溶液中，设置沉积电压为-0.1～-0.2V，沉积时间设置为30～40s，在工作电极的一侧沉积BiOI薄膜。举例而言，工作电极可以为FTO导电玻璃(比如：可以选取2cm×1cm×0.15cm的FTO导电玻璃基板)，对电极可以为铂电极，差比电极可以为Ag/AgCl电极。沉积设备可以采用四通道恒电位仪，沉积结束可同时获得四片BiOI薄膜电极板。

S1.4、称取0.1～0.3g乙酰丙酮氧钒溶解于5～10mL二甲基亚砜溶液中，摇晃至完全溶解，获得乙酰丙酮氧钒溶液。举例而言，0.1g乙酰丙酮氧钒溶解于8mL二甲基亚砜溶液，或0.2g乙酰丙酮氧钒溶解于10mL二甲基亚砜溶液，或0.3g乙酰丙酮氧钒溶解于7mL二甲基亚砜溶液，或0.25g乙酰丙酮氧钒溶解于5mL二甲基亚砜溶液。

取20～50μL的乙酰丙酮氧钒溶液均匀涂抹于BiOI薄膜上(例如乙酰丙酮氧钒溶液取20μL、25μL、30μL、40μL、45μL或50μL)，置于马弗炉中400～500℃保温30～60min，设置马弗炉的升温速率为1～5℃/min。举例而言，马弗炉的升温速率为1℃/min、2℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min或5℃/min。

S1.5、在马弗炉中保温后采用1～2M的NaOH溶液清洗导电基板1表面，得到具有BVO薄膜层21的导电基板。

S2、在BVO薄膜层21远离导电基板1一侧交替沉积TiO

在本公开的一种实施方式中，采用原子层沉积(ALD)技术在BVO薄膜层21表面沉积Co掺杂TiO

其次，设置相应参数交替沉积TiO

S3、获取Rh掺杂STO前驱体溶液，在Co掺杂TiO

采用惰性气氛下烧结获得Rh掺杂STO量子层薄膜层23，由于有机物的不完全燃烧会在半导体材料表面形成一层网络状的有机碳层，有机碳层对于探针具有良好的吸附特性，可有效固定生物探针，从而在不需要额外修饰二维材料或者探针吸附层的前提下实现探针的固定，从而降低了传感器制备的复杂性，避免引入额外的不可控因素。

S4、在Rh掺杂STO量子层薄膜层23远离导电基板1一侧，采用微电子喷涂机均匀喷涂适配体探针溶液。喷涂探针后置于恒温孵化箱中37℃保温20min，随后用磷酸缓冲液冲洗。冲洗完用无蛋白封闭液进行非特异性结合位点的封闭，随后再次清洗干燥后，即获得生物传感器。

在一种示例中，通过溶胶-凝胶法制备Rh相对于Ti的掺杂质量比分别为0、0.5％、1.0％、1.5％的Rh掺杂STO量子层薄膜层23。

未掺杂Rh的STO(Rh的掺杂比为0)的前驱体溶液的配制：将0.85g钛酸四丁酯(C

将钛酸四丁酯溶液移至微量样品瓶中放入磁子进行搅拌，在搅拌过程中使用定量注射泵向钛酸四丁酯溶液中以0.2～1.0mL/min速度浓度为滴加1M的Sr(NO

Rh相对于Ti的掺杂质量比为0.5％、1.0％、1.5％的STO的前驱体溶液的配制：将0.85g钛酸四丁酯溶解于冰乙酸溶液中搅拌10～20min，分别根据所需的Rh相对于Ti的掺杂质量比加入硝酸铑溶液，分别获得对应的第一混合溶液；

分别向第一混合溶液中加入Sr(NO

将制备的四种不同掺杂比的前驱体溶液分别刮涂在Co掺杂TiO

在一种示例中，分别测量BVO光阳极薄膜层、Rh:STO/BVO光阳极薄膜层、TiO

以下结合具体实施例从组成、制备工艺等方面，进一步说明本公开实施例提供的生物传感器。

实施例1

步骤1：导电基板预处理。例如，采用ITO导电玻璃(2cm×1cm×0.15cm，方阻≤10Ω)，将其放置于专用ITO清洗剂中浸泡，维持清洗液温度在50℃，超声30min，清洗干净后用高纯N

步骤2：称取2.89g的Bi(NO

称取2.92g的对苯醌粉体溶解于100mL乙醇中，超声震荡至完全溶解，所得溶液为对苯醌溶液。然后将对苯醌溶液和第一溶液混合，搅拌30min至溶液均匀，获得第二溶液。

步骤3：以清洗好的ITO导电玻璃作为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl电极作为参比电极，在第二溶液中采用电沉积制备BiOI薄膜。具体的，在-0.2V的恒电位下沉积30s。

步骤4：称取0.3g乙酰丙酮氧钒溶解于5mL二甲基亚砜溶液中，摇晃至完全溶解，获得乙酰丙酮氧钒溶液。在步骤3中所制得的BiOI薄膜上滴涂20μL的乙酰丙酮氧钒溶液，放置于马弗炉中450℃保温30min，设置马弗炉的升温速率为2℃/min。保温后再用1M的NaOH溶液清洗，得到BVO薄膜层21。

步骤5：在步骤4所得的BVO薄膜层21之上采用原子层沉积(ALD)沉积Co掺杂的TiO

将ALD材料生长腔室抽至真空，腔室内压力低于10Pa，设置腔室内温度为220℃，等待1h以上确保腔室内温度均匀。

设置相应参数交替沉积TiO

表1.ALD生长TiO

表2.ALD生长CoO

步骤6：将0.85g钛酸四丁酯(C

步骤7：将Rh掺杂STO前驱体溶液刮涂于Co掺杂TiO

步骤8：在Rh掺杂STO量子层薄膜层上均匀喷涂20μL浓度为20nmol/L的用于检测COVID-19S蛋白的DNA适配体探针溶液，37℃下保温20min。然后用pH为7.4的磷酸缓冲液清洗光阳极薄膜层2表面未吸附牢固的DNA适配体探针。再用无蛋白封闭液进行非特异性结合位点的封闭，形成适配体探针层。其中，用于检测COVID-19S蛋白的DNA适配体的碱基序列为：5′-CAG CAC CGA CCT TGT GCT TTG GGA GTG CTG GTC CAA GGG CGT TAA TGG ACA-3′(SEQ ID NO:1)。

以特异性的检测COVID-19S蛋白为例，经检测分析，Rh:STO量子层修饰后大大提升了传感器对于探针的捕获量。如图7所示为分别采用BVO光阳极薄膜层、Co:TiO2/BVO光阳极薄膜层、Rh:STO/Co:TiO

如图8和图9为具有Rh:STO/BVO光阳极薄膜层的传感器对于COVID-19S蛋白检测结果。图10和图11为具有Rh:STO/Co:TiO

因此，该实施例说明通过稀有金属掺杂的双量子层(Co掺杂TiO

实施例2

步骤1-步骤7与实施例1相同。

步骤8：在Rh掺杂STO量子层薄膜层上均匀喷涂20μL浓度为20nmol/L的用于检测HIV-21基因的DNA适配体探针溶液，37℃下保温20min。然后用pH为7.4的磷酸缓冲液清洗光阳极薄膜层2表面未吸附牢固的DNA适配体探针。再用无蛋白封闭液进行非特异性结合位点的封闭，形成适配体探针层。其中，HIV-21的基因序列为：5′-TGT GTG AGG GCT GGG CCTTGG-3′(SEQ ID NO:4)。用于检测HIV-21的互补碱基适配体的碱基序列为：5′-GGG GGG CCAAGG CCC AGC CCT CAC ACA-3′(SEQ ID NO:2)。

如图12所示为本实施例提供的生物传感器对于HIV-21的检测结果，可以看出生物传感器对HIV-21的检测范围为10aM～1nM，检测限为：

3.33aM。

实施例3

步骤1-步骤7与实施例1相同。

步骤8：在Rh掺杂STO量子层薄膜层上均匀喷涂20μL浓度为20nmol/L的用于检测H1N1甲型流感病毒的DNA适配体探针溶液，37℃下保温20min。然后用pH为7.4的磷酸缓冲液清洗光阳极薄膜层2表面未吸附牢固的DNA适配体探针。再用无蛋白封闭液进行非特异性结合位点的封闭，形成适配体探针层。其中，用于检测甲型流感病毒H1N1基因的适配体的碱基序列为：5′-GATACTGCGTGCTTG TTCCATA-3′(SEQ ID NO:3)。

如图13所示为本实施例提供的生物传感器对于甲型流感病毒H1N1基因的检测结果，可以看出生物传感器对甲型流感病毒H1N1基因的检测范围为0.1fg/mL～10ng/mL，检测限为：33.3ag/mL。

通过改变生物探针的种类，本公开提供的稀有金属掺杂型双量子层修饰的半导体光电化学生物传感器对新型冠状病毒表面刺突蛋白(S蛋白)、HIV-21基因、甲型流感病毒H1N1基因均具有极高的检测灵敏度，具有出色的应用宽度，是一种普适性的超高灵敏半导体光电生物传感器。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中稀有金属掺杂型双量子层修饰的生物传感器的制备方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。