一种可视化生物传感器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种可视化生物传感器件及其制备方法，融合石墨烯量子点多色荧光的优良光电特性及其生物学方面的优点，采用湿化学方法制备出不同尺寸和不同发光颜色的石墨烯量子点样品，充分考虑石墨烯量子点的表面与边缘的化学特性及后续生物分子的组装，选择适当的化学基团对GQD表面及边缘功能化处理，在不同荧光石墨烯量子点分别组装不同生物分子构建生物传感器。生物分子对GQD荧光具有不同的影响，光谱强度、峰值位置等特征参数与生物分子浓度、种类之间存在定量关联，在此基础上直接进行可视化分子探测，可应用于生物医学检测和分析，为疾病诊疗提供更准确的参考；且便于检测多种生物分子。
【专利说明】一种可视化生物传感器件及其制备方法
[0001]【技术领域】
本发明属于生物传感技术研究领域，特指一种用石墨烯量子点构建的可视化生物
传感器。
[0002]【背景技术】
荧光检测技术一直是生物医学检测中的重要手段之一。近年来，半导体量子点尺寸与光谱可调的优良特性越来越受到生物医学研究者的重视，并已在分子标记、生物检测、医学成像等方面进行了很多探讨，取得了许多重要进展。目前已见报道的工作多集中于CdSe，CdS等体系的半导体量子点，这些材料在生物医学环境中应用时会遇到稳定性差、有生物毒性、水溶性差、细胞膜穿透水平低等问题。设计稳定发光、生物相容性优良，并能作出线性响应的发光体系，开发相应的光学或光谱学检测方法，则是一个很有意义的研究工作。
[0003]另一方面，石墨烯及其衍生物的优良光学和电子学特性，受到了人们高度的重视。其中氧化石墨烯(GO)具有sp2和sp3混合的电子组态,且sp2和sp3比例可调,这独特的原子与电子结构，为这种二维网络材料的功能调控，特别是光电特性的调控与利用提供了非常丰富而灵活的物理基础。基于此，近一两年不断涌现出氧化石墨烯及石墨烯量子点荧光的报道，目前人们已可实现蓝绿等不同发光颜色的石墨烯量子点及氧化石墨烯。深入研究石墨烯量子点多色荧光的量子力学机制及发光调控的工艺技术，进一步拓展其在光电子、生物电子学等领域的功能和应用，将是一个很有意义的研究课题。同时，石墨烯量子点还具有很高的比表面、丰富的的表面态和优良的生物相容性，这为生物分子的组装与检测提供了优良的材料科学基础，从而使它成为生物传感的重要候选材料。
[0004]现有技术中的酶生物传感器既能实现酶对底物测定的高选择性和高灵敏性，又结合了电化学生物传感器的响应速度快，操作简便等特点，可快速测定试样中某一给定化合物浓度。但是酶生物传感器在研制过程中也存在着诸多难点，如需要找到合适的固定化材料将酶固定且实现对给定化合物的响应时间短，使用寿命长等问题。生物传感器研究的关键技术在于如何将生物组分高效稳定地固定于基体之上。目前，基于石墨烯量子点多色荧光的定量生物分析及可视化传感器构建等工作国际上尚很少见，特别是双光子荧光和时间分辨检测将成为本发明独特的视角，相信可以开展一系列创新性的探讨，进而拓展石墨烯的生物医学检测、成像等方面的应用，发展新的生物传感材料与技术。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种可视化生物传感器件及其制备方法，以找到合适的固定化材料将酶固定且实现对给定化合物的响应时间短，使用寿命长的目的，以进一步拓展石墨烯的生物医学检测、成像等方面的应用。
[0006]为了解决以上技术问题，本发明融合石墨烯量子点多色荧光的优良光电特性及其生物学方面的优点，分析石墨烯量子点的尺度、形状及发光特性的调控方法与物理机制，探讨生物分子的组装方法，并基于荧光光谱、时间分辨光谱、双光子荧光技术等等表征技术，构建可视化的生物传感器，具体技术方案如下:
一种可视化生物传感器件的制备方法，其特征在于利用石墨烯量子点的荧光特性构建可视化生物传感器，从而使可视化生物传感器件利用可见的荧光变化直接得到待检测的物质的浓度，具体包括以下步骤:
步骤一，制备不同尺寸、不同荧光的石墨烯量子点，具体过程如下过程一，采用湿化学方法，以鳞片石墨为原料，采用Hmnmers法制备氧化石墨:在冰水浴中装配好反应瓶，加入46ml 98%的浓硫酸中，在磁力搅拌下加入2g鳞片石墨和Ig硝酸钠固体混合物，缓慢加入6g高锰酸钾，控制温度10_15°C，搅拌反应1.5h ;再将烧杯置于35°C恒温水浴中，搅拌过程中加入去离子水，继续搅拌反应30min;再控制温度在95°C，反应30min得反应液一；用去离子水将反应液一稀释到200ml，加入适量过氧化氢，搅拌加快反应，等反应结束后以4000rpm的转速离心处理IOmin得反应液二 ；再用过氧化氢,稀盐酸和去离子水反复洗涤反应液二，使PH=7，再在80°C条件下干燥48h，研磨过筛，得到氧化石墨，置于干燥箱中保存；
过程二，称取氧化石墨分散于等质量的水中，超声成黄色透明胶体溶液，再加入稀盐酸，离心处理后干燥成粉末得氧化石墨烯粉末；
过程三，将氧化石墨烯粉末进行热还原得到石墨烯片，将石墨烯片用30ml浓硝酸和IOml浓硫酸氧化超声分解15h得溶液一；将溶液一离心过滤除去酸，再次溶于水中得溶液二，用NaOH调节溶液二的pH值至大于等于10，在反应釜中200°C进行IOh水热还原，用微孔滤膜过滤得液态的石墨烯量子点；
步骤二，选择化学基团对石墨烯量子点表面及边缘功能化处理，并分析功能化处理的过程对石墨烯量子点荧光的影响，具体过程如下:
过程一，取20mL所述石墨烯量子点溶液，用HAc调节至pH值为5_6 ；
过程二，再加入50mg烷基胺和20mL甲苯，混匀后放入50mL反应釜中150°C反应6h得溶液三；
过程三，吸取溶液三的上层甲苯溶液，80°C条件下真空烘干除去多余的烷基胺，水溶性石墨烯量子点表面的-coo-官能团使其具有良好的水溶性，并且容易对其进行表面功能化；
步骤三，构建可视化生物传感器，过程如下
将荧光石墨烯量子点与生物分子组装构建生物传感器:石墨烯量子点功能化以后带有的官能团会和生物分子之间产生非常好的相互作用包括氢键、共轭作用，从而结合在一起，将荧光石墨烯量子点与生物分子组装到电极上，组成识别元件，与理化换能器、信号放大装置构成生物传感器。
[0007]所述的生物分子为葡萄糖氧化酶、CEA、CA 19-9, DNA片段和蛋白中的任一种。
[0008]所述的化学基团为烷基胺或十二胺。
[0009]所述的过氧化氢的浓度为4_6%。
[0010]一种可视化生物传感器件，其特征在于:所述的生物传感器件是利用权利要求1-4所述的一种可视化生物传感器件的制备方法制备而得。
[0011]本发明的工作原理为:生物传感器中的生物分子通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合，这些生物分子对石墨烯量子点荧光有影响。根据荧光的变化，直接可以得到被测目标的信息。
[0012]本发明具有有益效果。本发明直接利用石墨烯量子点的荧光信息进行检测分子，可以迅速和方便的得到目标分子的信息；利用石墨烯量子点构建可视化的分子检测与生物传感技术有助于深刻认识一些生命活动的规律，了解多种疾病发生机理，促进诊疗技术的发展，进而推进和维护人类健康。本发明将推动石墨烯光电特性开发及生物医学应用功能的扩展，并发展新型可视化生物检测方法，从而为疾病诊疗提供重要参考。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的石墨烯量子点的TEM图。
[0014]图2为本发明的生物传感器的物质识别原件的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但对本发明的实施方式不限于此，对于为特别注明的工艺参数及方法，可照常规技术进行。
[0016]实施例1:石墨烯量子点的制备
本实施例石墨烯量子点的具体制备过程如下:以鳞片石墨为原材料，根据Hu_er’ s法制备出氧化石墨，然后将25 mg氧化石墨分散于25 mL水中，超声分散成均勻的黄色透明胶体溶液，将溶液加稀盐酸离心后干燥成粉末。将氧化石墨烯粉末进行在管式炉中200°C进行2h热还原氧化石墨烯片，取0.05g热还原石墨烯片用30ml浓硝酸和IOml浓硫酸氧化超声分解15h，调节溶液的pH值为8，在反应釜中200°C进行IOh水热还原制得石墨烯量子点，得到的石墨烯量子点的TEM图如图1所示。
[0017]实施例2:以葡萄糖氧化酶为例构建生物传感器
将10 μ L的功能化的石墨烯量子点溶液旋涂到玻碳电极表面，在室温下干燥一整晚，然后活化电极表面，最后将IOyL葡萄糖氧化酶悬浮液旋涂到电极表面，从而得到酶生物传感器的物质识别原件，结构如图2所示，就可以构建酶生物传感器。
【权利要求】
1.一种可视化生物传感器件的制备方法，其特征在于利用石墨烯量子点的荧光特性构建可视化生物传感器，从而使可视化生物传感器件利用可见的荧光变化直接得到待检测的物质的浓度，具体包括以下步骤: 步骤一，制备不同尺寸、不同荧光的石墨烯量子点，具体过程如下 过程一，采用湿化学方法，以鳞片石墨为原料，采用Hmnmers法制备氧化石墨:在冰水浴中装配好反应瓶，加入46ml 98%的浓硫酸中，在磁力搅拌下加入2g鳞片石墨和Ig硝酸钠固体混合物，缓慢加入6g高锰酸钾，控制温度10_15°C，搅拌反应1.5h ;再将烧杯置于35°C恒温水浴中，搅拌过程中加入去离子水，继续搅拌反应30min;再控制温度在95°C，反应30min得反应液一；用去离子水将反应液一稀释到200ml，加入适量过氧化氢，搅拌加快反应，等反应结束后以4000rpm的转速离心处理IOmin得反应液二 ；再用过氧化氢,稀盐酸和去离子水反复洗涤反应液二，使PH=7，再在80°C条件下干燥48h，研磨过筛，得到氧化石墨，置于干燥箱中保存； 过程二，称取氧化石墨分散于等质量的水中，超声成黄色透明胶体溶液，再加入稀盐酸，离心处理后干燥成粉末得氧化石墨烯粉末； 过程三，将氧化石墨烯粉末进行热还原得到石墨烯片，将石墨烯片用30ml浓硝酸和IOml浓硫酸氧化超声分解15h得溶液一；将溶液一离心过滤除去酸，再次溶于水中得溶液二，用NaOH调节溶液二的pH值至大于等于10，在反应釜中200°C进行IOh水热还原，用微孔滤膜过滤得液态的石墨烯量子点； 步骤二，选择化学基团对石墨烯量子点表面及边缘功能化处理，并分析功能化处理的过程对石墨烯量子点荧光的影响，具体过程如下: 过程一，取20mL所述石墨烯量子点溶液，用HAc调节至pH值为5_6 ； 过程二，再加入50mg烷基胺和20mL甲苯，混匀后放入50mL反应釜中150°C反应6h得溶液三； 过程三，吸取溶液三的上层甲苯溶液，80°C条件下真空烘干除去多余的烷基胺，水溶性石墨烯量子点表面的-coo-官能团使其具有良好的水溶性，并且容易对其进行表面功能化； 步骤三，构建可视化生物传感器，过程如下 将荧光石墨烯量子点与生物分子组装构建生物传感器:石墨烯量子点功能化以后带有的官能团会和生物分子之间产生非常好的相互作用包括氢键、共轭作用，从而结合在一起，将荧光石墨烯量子点与生物分子组装到电极上，组成识别元件，与理化换能器、信号放大装置构成生物传感器。
2.如权利要求1所述的一种可视化生物传感器件的制备方法，其特征在于:所述的生物分子为葡萄糖氧化酶、CEA、CA19-9，DNA片段和蛋白中的任一种。
3.如权利要求1所述的一种可视化生物传感器件的制备方法，其特征在于:所述的化学基团为烷基胺或十二胺。
4.如权利要求1所述的一种可视化生物传感器件的制备方法，其特征在于:所述的过氧化氢的浓度为4-6%。
5.一种可视化生物传感器件，其特征在于:所述的生物传感器件是利用权利要求1-4所述的一种可视化生物传感器件的制备方法制备而得。
【文档编号】G01N21/64GK103616357SQ201310626273
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】吴春霞, 宋泽琳, 张双鸽, 罗俊岗, 方雯雯, 陈智梁 申请人:江苏大学