基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器构建及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器的构建方法及其在蛋白质检测中的应用，属于电化学传感【技术领域】。它先以血红蛋白为模板分子，多巴胺为单体，利用多巴胺的自聚合性能和良好的粘附能力，在磁性纳米粒子表面合成了分子印迹聚合物；洗脱血红蛋白后，制备了对血红蛋白具有良好识别作用的磁性表面分子印迹聚合物，在磁场的作用下将其固定在磁性玻碳电极表面，构建了基于磁性分子印迹聚合物的血红蛋白传感界面，应用于对血红蛋白的检测。本发明构建的基于磁性表面分子印迹聚合物的电化学传感器，方法简单，对血红蛋白的检测灵敏度高和选择性好。
【专利说明】基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器构建及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器的构建方法及其在蛋白质检测中的应用，属于电化学传感【技术领域】。
【背景技术】
[0002]受抗体形成机制的启发，人们合成了以模板分子为导向、功能单体交联聚合的仿生聚合物，这类聚合物被称为分子印迹聚合物(MIPs)。MIPs具有与模板分子在空间结构以及官能团上相互匹配、能形成多重作用位点的识别空腔，可以特异性识别目标分子。MIPs的机械性强、稳定性高、易规模化生产且成本低，克服了生物分子的稳定性差、价格昂贵、不易大规模生产等缺点。传统的块体印迹法传质速率慢、结合容量低、模板分子进出识别位点困难，为了克服这些缺点，人们在各种固体基质特别是纳米材料表面制备分子印迹聚合物，即表面分子印迹。表面分子印迹聚合物的印迹位点在或接近印迹聚合物表面，模板分子容易洗脱，传质速率快，结合动力学易平衡，结合容量明显提高。Fe3O4纳米粒子(NPs)具有制备方法简单、磁性强、低毒、生物相容性好等优点，是分子印迹聚合物的良好载体，广泛用于各种传感界面的构建。磁性表面分子印迹聚合物集合了表面分子印迹聚合物和磁性纳米材料的优势，常用于从复杂基质中选择性识别、分离和富集分析物。
[0003]多巴胺(3，4-二羟基苯)含有大量包括儿茶酚、氨基、羧基、π - 键等在内的非共价键功能基团，具有良好的生物相容性和氧化聚合能力，可以在各种无机和有机材料表面形成粘附层，近年来，广泛用于抗体、酶和血红蛋白等生物物质的固定化，是一种良好的生物固定材料及分子印迹单体。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供了一种基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器构建及应用。将磁性纳米粒子、表面分子印迹聚合和多巴胺的优良特性结合起来，为MIPs的制备提供了绿色环保的新方法和新途径，也使传感界面的构建更简便。
[0005]本发明是这样来实现的:以血红蛋白为模板分子，多巴胺为单体，利用多巴胺的自聚合性能和良好的粘附能力，在磁性纳米粒子表面合成了分子印迹聚合物。洗脱血红蛋白后，制备了对血红蛋白具有良好识别作用的磁性表面分子印迹聚合物，在磁场的作用下将其固定在磁性玻碳电极表面，构建了基于磁性分子印迹聚合物的血红蛋白传感界面，应用于对血红蛋白的检测。
[0006]采用分子印迹技术，以多巴胺为功能单体、血红蛋白(Hb)为模板分子、Fe3O4 NPs为支撑材料，氯钼酸的氧化性使多巴胺氧化聚合为聚多巴胺(PDA)，同时，多巴胺的还原性使得氯钼酸原位还原为PtNPs，PDA的强粘附性将Hb和PtNPs —起固定于Fe3O4纳米粒子表面，一步合成了含有Hb的磁性表面分子印迹聚合物(Fe304/PDA-PtNPs-Hb)，用十二烷基硫酸钠溶液洗脱模板分子Hb后，制得含有特异性识别Hb的磁性表面分子印迹聚合物(Fe3O4/PDA-PtNPs/MIPs)。利用磁性将Fe304/PDA-PtNPS/MIPS固定于磁性玻碳电极表面，制成可用于识别检测Hb的传感器。当样品中含有Hb时，传感界面的Fe304/PDA-PtNPS/MIPS特异性识别Hb于印迹空腔内，由于蛋白质的导电性能差，传感界面的阻抗增加，据此构建了基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器，为蛋白质的高灵敏和选择性检测提供了普适性平台，具有良好的应用前景。
[0007]本发明采用以下技术方案:
(1)Fe3O4磁性纳米粒子的制备:将1.35克六水合三氯化铁溶解在40 mL乙二醇溶液中，再加入1.0克聚乙二醇和3.6克三水合醋酸钠；将上述混合溶液超声并搅拌I小时后，转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，于180 °C加热6小时，收集的产物分别用乙醇和超纯水清洗三次，用真空干燥箱于60 ° C干燥12小时，即制得粒径80-120 nm的Fe3O4磁性纳米粒子；
(2)磁性分子印迹聚合物的制备:将Fe3O4、多巴胺和血红蛋白(Hb)溶于20mL pH 6.98的磷酸盐(PBS)缓冲溶液中，再加入2.1 mL质量百分比为2%的氯钼酸，4 °C下机械搅拌反应30分钟后，在室温下继续搅拌2小时。磁性收集反应产物，用二次水清洗三次后，用质量百分比为10%的十二烷基硫酸钠溶液洗脱产物中的Hb，再用超纯水洗三次后，将制得含有Hb印迹空腔的磁性分子印迹聚合物分散于10 mM pH 6.98的PBS缓冲溶液中；
(3)传感器的制备:将磁性玻碳电极依次用1.0,0.3和0.05 μ m的氧化铝悬浊液打磨，再依次用0.1 mol/L的硝酸、无水乙醇和超纯水清洗，用氮气吹干电极，将10 μ L磁性分子印迹聚合物悬浮液滴加在电极表面，自然晾干后用二次水清洗，即获得基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器；
上述步骤中，所述步骤(2)中，Fe3O4:多巴胺:血红蛋白的质量比为10:10:1。
[0008]基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器的应用，是指它在Hb检测中的应用:将制备的传感器置于含不同浓度的Hb溶液中反应15分钟，用10 mM pH 6.98的PBS缓冲溶液清洗电极表面，以5.0 mM Fe (CN) 64_/3_为电化学探针测量传感器的交流阻抗；随着Hb浓度的增加，结合到传感界面的Hb增多，传感器的阻抗增大，交流阻抗值与Hb浓度在0.14 μ g/mL-2.7 μ g/mL范围内呈良好的线性关系。所述阻抗型电化学传感器对Hb有良好的响应，而对细胞色素C、辣根过氧化物酶和肌红蛋白的响应很小，表明本所述阻抗型电化学传感器对Hb的检测具有良好的选择性。
[0009]本发明的技术效果是:本发明结合聚多巴胺的良好生物相容性和粘附性、氯钼酸的还原性以及Fe3O4 NPs的大比表面积，制备了对Hb具有特异识别作用的Fe304/PDA-PtNPs/MIPs，用于对Hb的高灵敏和特异性识别。优点如下:(I)利用PDA的粘附性将Hb和PtNPs一步固定于Fe3O4 NPs制备磁性分子印迹聚合物的方法简单易行；(2)原位生成的PtNPs不仅对PDA膜具有支撑作用，有助于增强分子印迹膜的稳定性和维持印迹空穴的刚性结构，PtNPs良好的导电性，还改善了传感器的电子传导性；(3)利用Fe304/PDA-PtNPS/MIPS良好的磁性能，仅仅通过磁固定技术即可以方便地将其固定在磁性玻碳电极表面，传感界面的构建方法简单易行；(4)通过调节反应时间可简单地实现PDA厚度的可控，使Hb的印迹位点大部分位于Fe3O4 NPs表面，有利于对样品中Hb的快速识别。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是(A)磁性表面分子印迹聚合物制备过程和(B)传感器构建示意图。
[0011]图 2 是 Fe304/PDA_PtNPs/MIPs 的 EDS 图谱。
[0012]图 3 是(a) Fe3O4, (b) PDA, (c) Hb, (d) Fe304/PDA-PtNPs_Hb，(e) Fe3O4/PDA-PtNPs/MIPs的紫外-可见吸收光谱图。
[0013]图 4 是(a) Fe304/PDA-PtNPs_Hb/MGCE，(b) Fe304/PDA_PtNPs/MIPs/MGCE，(c)电极(b)重结合Hb后和(d) Fe304/PDA-PtNPs/NIP/MGCE的交流阻抗曲线。
[0014]图5是Fe304/PDA-PtNPs/MIPs/MGCE对不同浓度Hb的交流阻抗曲线。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于此。
[0016]实施例1
(1)Fe3O4磁性纳米粒子的制备:将1.35克六水合三氯化铁溶解在40 mL乙二醇溶液中，再加入1.0克聚乙二醇和3.6克三水合醋酸钠。将上述混合溶液超声并搅拌I小时后，转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，于180 °C加热6小时，收集的产物分别用乙醇和超纯水清洗三次，用真空干燥箱于60 °C干燥12小时，即制得粒径80-120 nm的Fe3O4磁性纳米粒子；
(2)如图1(A)所示，磁性分子印迹聚合物的制备:将Fe3O4、多巴胺和Hb溶于20 mL pH6.98的PBS缓冲溶液中，再加入2.1 mL质量百分比为2%的氯钼酸，4 °(:下机械搅拌反应30分钟后，在室温下继续搅拌2小时。磁性收集反应产物，用二次水清洗三次后，用质量百分比为10%的十二烷基硫酸钠溶液洗脱产物中的Hb，再用超纯水清洗三次后，将制得含有Hb印迹空腔的磁性分子印迹聚合物分散于10 mM pH 6.98的PBS缓冲溶液中；
采用扫描电镜对Fe3O4和Fe304/PDA_PtNPs/MIPs的形貌进行表征。Fe3O4 NPs表面粗糙，平均粒径为80-120 nm ;当在Fe3O4 NPs表面聚合一层PDA-PtNPs-Hb并洗脱Hb后，Fe3O4/PDA-PtNPs/MIPs仍较好地保持了磁性纳米粒子的球形结构，平均粒径增大为90-140 nm,表明PDA-PtNPs/MIPs壳的厚度约为7 nm。Fe304/PDA-PtNPs/MIPs悬浮液分散均匀且呈黑色，当施加一个外磁场时，Fe304/PDA-PtNPS/MIPS迅速朝向磁铁方向移动，在磁铁附近形成一个棕黑色的斑点，溶液则澄清透明。以上结果表明，Fe304/PDA-PtNPS/MIPS有很好的水溶性和磁性能，仅在外磁场作用下即可实现Fe304/PDA-PtNPS/MIPS在磁性电极表面的简单和有效固定化，同时，利用Fe304/PDA_PtNPs/MIPs的磁性，还可实现复杂样品中目标物的简单快速捕获和分离富集。
[0017]采用X射线能谱(EDS)对Fe304/PDA-PtNPs/MIPs进行元素分析。由图2可见，Fe3O4/PDA-PtNPs/MIPs中含有Pt、Fe、C、O、N等元素的能谱峰，表明在多巴胺的氧化聚合过程中，H2PtCl6被还原为PtNPs而同时固定在PDA膜中，进而负载在Fe3O4 NPs表面。此外，由于多巴胺聚合过程中溶液相的部分离子被嵌入到聚合物中，因此图中还出现了少量K和Cl元素的能谱峰。
[0018]采用紫外-可见吸收光谱法对Fe304/PDA-PtNPs/MIPs进行了表征(图3)。由曲线a 可见，Fe3O4 在 200-800 nm 内没有明显的吸收峰；Fe304/PDA-PtNPs-Hb 在 406 nm 和 280nm处均有明显的吸收峰(曲线d)，分别对应于PDA和Hb的特征吸收(曲线b和c) ；Fe304/PDA-PtNPs/MIPs只在280 nm处有明显的吸收峰(曲线e)，表明大部分模板分子被洗脱。以上结果表明，采用本发明方法成功制备了 Fe304/PDA-PtNPS/MIPS。
[0019]实施例2
如图1 (B)所示，基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器构建:将磁性玻碳电极依次用1.0、0.3和0.05 μ m的氧化招悬池液打磨,再依次用0.1 mol/L的硝酸、无水乙醇和超纯水清洗，用氮气吹干电极，将10 μ L磁性分子印迹聚合物悬浮液滴加在电极表面，自然晾干后用二次水清洗，即获得基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器。
[0020]采用循环伏安法和交流阻抗法(图4)对传感界面的性能进行表征。Fe3O4/PDA-PtNPs-Hb/MGCE在PBS中有一对明显的氧化还原峰，当将Hb洗脱后，Fe304/PDA_PtNPs/MIPs/MGCE的氧化还原峰消失。由图4可见，Fe304/PDA-PtNPs_Hb/MGCE的阻抗值较大(曲线a);当将Hb洗脱后，Fe304/PDA-PtNPs/MIPs/MGCE的阻抗值降低(曲线b);而当Fe3O4/PDA-PtNPs/MIPs/MGCE重结合了样品中的Hb分子后，阻抗值增加(曲线c );而Fe3O4/PDA-PtNPs/NIPs/MGCE的阻抗值则很低(曲线d)。以上结果进一步表明，采用本发明方法成功制备了磁性分子印迹聚合物，而且构建的传感器对Hb具有良好的识别作用。
[0021]实施例3
基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器的应用:将制备的传感器置于含不同浓度Hb的溶液中反应15分钟，用10 mM pH 6.98的磷酸盐缓冲溶液清洗电极表面，以5.0 mM Fe (CN) 64_/3_为电化学探针测量传感器的交流阻抗；随着Hb的增加，结合到传感界面的Hb增多，传感器的阻抗增大(图5)。交流阻抗值与Hb浓度在0.14 μ g/mL-2.7 μ g/mL范围内呈良好的线性关系，检出限为0.05 μ g/mL(S/N)。按照相同方法将Fe304/PDA-PtNPs/NIPs/MGCE在不同浓度Hb溶液中浸泡15分钟，记录的阻抗值变化不大，表明非特异性吸附的影响很小。本发明构建的传感器对Hb有良好的响应，而对细胞色素C、辣根过氧化物酶和肌红蛋白的响应很小，表明本发明构建的阻抗型电化学传感器对Hb的检测具有良好的选择性。
【权利要求】
1.基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器构建，其特征在于所述阻抗型电化学传感器构建包括以下步骤: (I )Fe304磁性纳米粒子的制备:将1.35克六水合三氯化铁溶解在40 mL乙二醇溶液中，再加入1.0克聚乙二醇和3.6克三水合醋酸钠；将上述混合溶液超声并搅拌I小时后，转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，于180 °C加热6小时，收集的产物分别用乙醇和超纯水清洗三次，用真空干燥箱于60 °C干燥12小时，即制得粒径80-120 nm的Fe3O4磁性纳米粒子； (2)磁性分子印迹聚合物的制备:将Fe3O4、多巴胺和血红蛋白溶于20mL pH 6.98的磷酸盐缓冲溶液中，再加入2.1 mL质量百分比为2%的氯钼酸，4 °C条件下机械搅拌反应30分钟后，在室温下继续搅拌2小时；磁性收集反应产物，用二次水清洗三次后，用质量百分比为10%的十二烷基硫酸钠溶液洗脱产物中的血红蛋白，再用超纯水洗三次后，将制得含有血红蛋白印迹空腔的磁性分子印迹聚合物分散于10 mM pH 6.98的磷酸盐缓冲溶液中； (3)传感器的制备:将磁性玻碳电极依次用1.0、0.3和0.05 μ m的氧化铝悬浊液打磨，再依次用0.1 mol/L的硝酸、无水乙醇和超纯水清洗，用氮气吹干电极，将10 μ L磁性分子印迹聚合物悬浮液滴加在电极表面，自然晾干后用二次水清洗，即获得基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器。
2.根据权利要求1所述的基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器构建，其特征在于所述步骤(2)中，Fe3O4:多巴胺:血红蛋白的质量比为10:10:1。
3.—种权利要求1或2所述基于磁性表面分子印迹聚合物的阻抗型电化学传感器的应用，是指它在血红蛋白检测中的应用:其特征在于，将制备的传感器置于含不同浓度的血红蛋白溶液中反应15分钟，用10 mM pH 6.98的磷酸盐缓冲溶液清洗电极表面，以5.0 mMFe(CN)64_/3_为电化学探针测量传感器的交流阻抗；随着血红蛋白浓度的增加，结合到传感界面的血红蛋白增多，传感器的阻抗增大，交流阻抗值与血红蛋白浓度在0.14 μ g/mL-2.7μ g/mL范围内呈良好的线性关系；所述阻抗型电化学传感器对血红蛋白有良好的响应，而对细胞色素C、辣根过氧化物酶和肌红蛋白的响应很小，表明所述阻抗型电化学传感器对血红蛋白的检测具有良好的选择性。
【文档编号】G01N27/26GK104181217SQ201410174948
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】邱建丁, 黄春芳, 梁汝萍 申请人:南昌大学