基于小分子探针的光电化学微传感器及其制备方法与应用

1.本发明涉及电化学分析技术领域，具体是指一种基于小分子探针的光电化学微传感器及其制备方法与应用。


背景技术：

2.光电化学传感作为电化学分析技术的一个新兴和重要的分支，引起了研究人员广泛的兴趣并得以快速发展。与传统的电化学传感相比，光电化学传感中的激发信号（光信号）和检测信号（电信号）完全分离，使得背景信号更低，从而获得了较高的灵敏度；并且光信号代替偏置电压作为激发信号，使其具有更好的生物相容性。另外，光电化学传感继承了电化学传感优异的时空分辨率、简单的仪器和操作以及易于微型化等优点，这些独特的性能和技术优势使其在生物分析方面有着良好的应用前景。然而，光电化学传感仍然存在对非电活性物质难以检测（即普适性不足）以及在复杂环境中特异性不足的巨大挑战，限制了光电化学传感在相关领域的应用。因此，开发适用于复杂环境中高普适性和特异性的光电化学传感策略仍然是非常可取但具有挑战性的工作。
3.在光电化学传感中，量子点（作为能量供体）与金纳米颗粒（作为能量受体）由于光谱匹配，两者之间会产生激子等离子体相互作用和激子能量转移作用，这两种作用都会共同促进量子点中的电子空穴对复合，从而光电流信号急剧下降。然而，金纳米颗粒本身没有识别目标物的功能，需要引入额外的识别单元，增加了光电化学传感平台的复杂性和不稳定性。而有机小分子探针是一种结构灵活且带隙可调的小分子，通过与不同的识别域偶联可获得有机小分子探针，从而针对不同目标物进行高特异性识别和检测，包括活性氧、活性硫、生物酶和其他生物活性小分子。基于此，我们将有机小分子探针作为能量受体，引入能量转移调控的光电化学传感界面，有望解决光电化学传感在复杂体系中特异性和普适性不足的难题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高特异性，应用范围广，具有普适性的基于小分子探针的光电化学微传感器。
5.本发明的另一个目的在于提供上述基于小分子探针的光电化学微传感器的具体制备方法。
6.本发明的最后一个目的在于，提供上述基于小分子探针的光电化学微传感器的具体应用。
7.为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：一种基于小分子探针的光电化学微传感器，以碲化镉量子点作为光电活性材料和能量供体，以有机小分子探针作为识别单元和能量受体，能够对目标物发生特异性识别反应而改变探针的光吸收强度，从而改变光电流强度。
8.本技术方案技术原理为，在该光电化学微传感器中，将有机小分子探针作为能量
受体，它与碲化镉量子点之间的能量转移会促进量子点中电子空穴对复合，导致光电流被猝灭；当分析物与有机小分子探针发生反应后，可以减弱有机小分子探针的光吸收能力，导致碲化镉量子点与有机小分子探针之间的能量转移过程被抑制，从而提高碲化镉量子点的电子对空穴的分离能力，光电流升高，实现对分析物的检测。该策略解决了对非电活性物种适应性差以及复杂环境基质中特异性不足的问题，并且表现出高选择性、高稳定性以及高重现性的性能。更重要的是，由于有机小分子探针结构多变，通过设计不同目标识别单元的能量受体，该策略可以灵活地扩展到其他目标物，包括电活性分子和非电活性分子，具有普适性，从而极大地促进了pec传感在不同领域中的应用。
9.为了更好地实现本发明，所述有机小分子探针的化学结构式为：。
10.由于so2本身作为非电活性气体信号分子，并且co、co2等分子会对其检测造成干扰，所以很难通过直接氧化还原的方法进行光电化学检测，我们将其选为概念验证目标物。当有机小分子为(e)-3-(2-carboxyethyl)-2-(2-(6-methoxy-2,3-dihydro-1h-xanthen-4-yl)vinyl)-1,1-dimethyl-1h-benzo[e]indol-3-ium）时，碲化镉量子点与小分子探针之间的能量转移过程将进一步促进电子空穴对复合，导致光电流信号猝灭。目标物so2与(e)-3-(2-carboxyethyl)-2-(2-(6-methoxy-2,3-dihydro-1h-xanthen-4-yl)vinyl)-1,1-dimethyl-1h-benzo[e]indol-3-ium）发生特异性化学反应后，小分子探针的光吸收能力显著降低，能量转移过程受到抑制，从而提高了碲化镉量子点的电子空穴对分离效率，最终表现为光电流的回升。基于此原理，所提出的基于小分子探针作为能量受体的能量转移调控光电化学传感策略可以实现对目标物的特异性识别和灵敏响应。
[0011]
本发明还提供上述一种基于小分子探针的光电化学微传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）合成碲化镉量子点，将其溶于水制备成水溶液；（2）合成小分子探针，将其溶于二甲基亚砜，得到小分子探针溶液；（3）将小分子探针溶液加入碲化镉量子点水溶液，获得复合物；（4）通过自组装方式将复合物修饰到钢针电极表面，修饰复合物的钢针电极即为光电化学微传感器。
[0012]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，获得光电化学微传感器后，还需要对其进行关电化学测试，其测试具体过程为：将光电化学微传感器与不同浓度亚硫酸钠在25℃下通过浸泡方式孵育8分钟，随后在chi 660e电化学工作站上使用常规的三电极系统进行测试。
[0013]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述三电极系统包括工作电极、参比电
极、以及对电极，测试过程中，工作电极为待测试的光电化学微传感器，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝电极，使用的电解质溶液为浓度为0.1mol /l， ph为7.4的pbs溶液，激发光为460nm激光。
[0014]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中合成碲化镉量子点的具体过程为：（1.1）称取硝酸镉、柠檬酸钠和巯基丙酸溶于去离子水中，通过超声或搅拌将其分散均匀；（1.2）用氢氧化钠溶液将混合溶液调节至ph=10.5，转移至圆底烧瓶中；（1.3）分别加入亚碲酸钠和硼氢化钠，通过超声或搅拌分散均匀后，将装有混合物的圆底烧瓶置于油浴锅中搅拌回流10h；（1.4）反应10h后将反应溶液冷却至室温，加入等量异丙醇直接产生沉淀，静置10min，待完全沉淀后通过离心机离心分离固体，然后用异丙醇洗涤固体，重复三次，用移液枪小心吸取上层液体，收集固体，得到纯化的碲化镉量子点，放于烘箱中40℃干燥，即得。
[0015]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（2）合成小分子探针的具体过程为：（2.1）在冰浴条件下，向二甲基甲酰胺和氯仿的混合物中逐滴滴加三溴化磷，搅拌混合均匀后向混合溶液中逐滴滴加环己酮，室温搅拌8h；反应冷却至0℃后，使用饱和碳酸氢钠溶液猝灭反应；（2.2）水层用二氯甲烷萃取，有机层用水、饱和食盐水依次洗涤，真空浓缩，得到产物2-溴-1-环己烯-1-羧醛；（2.3）将2-溴-1-环己烯-1-羧醛、羟基-4-甲氧基苯甲醛和碳酸铯先后溶于二甲基甲酰胺溶液中，室温下搅拌16h后，停止反应，通过循环水泵减压抽滤除去溶剂，粗产物通过硅胶柱层析纯化，所述硅胶柱层析中乙酸乙酯与二氯甲烷体积比为9：1，得到黄色固体中间体i；（2.4）向甲苯中先后加入1,1,2-三甲基-1h-苯并[e]吲哚和碘乙酸，油浴锅回流搅拌12h，反应结束后，冷却至室温，减压过滤，得到灰色固体中间产物ii；（2.5）将中间体i、中间产物ii以及乙酸钠依次溶解于乙酸酐中，油浴锅70℃搅拌1h；（2.6）反应结束后通过循环水泵减压抽滤除去溶剂，烘箱40℃蒸发溶剂，收集固体并通过硅胶柱层析纯化，所述硅胶柱中二氯甲烷与甲醇体积比为20：1，得到蓝色固体，即为小分子探针。
[0016]
具体合成路线如下所示：
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）复合物合成过程为：取0.75μmol小分子探针溶液加入浓度为0.5mg/ml碲化镉量子点水溶液，在室温下超声20min。
[0017]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（4）中通过自组装方式将复合物修饰到钢针电极表面的具体过程为：将钢针电极浸入装有10μl复合物溶液的离心管中，置于烘箱60℃烘干。
[0018]
上述一种基于小分子探针的光电化学微传感器用于二氧化硫气体的灵敏检测。
[0019]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本发明通过小分子探针与目标物之间的化学识别反应实现检测目的，有效提高了光电化学检测的高特异性；（2）本发明检测二氧化硫的过程，相比于传统的检测二氧化硫方法，如色谱分析、荧光成像等，该光电化学传感方法具有背景信号低、灵敏度高、仪器设备简单便宜、易于小型化、操作简单、对目标物前处理过程少等优点；（3）本发明解决了对非电活性物种适应性差以及复杂环境基质中特异性不足的问题，并且表现出高选择性、高稳定性以及高重现性的性能，更重要的是，由于有机小分子探针结构多变，通过设计不同目标识别单元的能量受体，该策略可以灵活地扩展到其他目标物，包括电活性分子和非电活性分子，提高了光电化学检测的应用范围，具有普适性，从而极大地促进了pec传感在不同领域中的应用。
附图说明
[0020]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：
图1为本发明中基于共振能量转移策略构建光电化学微传感器的示意图；图2为本发明中碲化镉量子点xrd图；图3为本发明中小分子探针xy-k的1h nmr谱图；图4为本发明中碲化镉量子点和分子探针的紫外-可见吸收光谱，以及460 nm激发下碲化镉量子点的荧光发射光谱；图5为本发明中探针与不同浓度亚硫酸钠孵育后的紫外-可见吸收光谱；图6为本发明中不同物质的光电流响应图；图7为本发明中光电化学微传感器与不同浓度的亚硫酸钠孵育下获得的光电流响应图；图8为本发明中光电化学微传感器与不同浓度的亚硫酸钠孵育下获得的校准曲线图。
具体实施方式
[0021]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0022]
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]
实施例1：本实施例提供了一种基于小分子探针的光电化学微传感器，以碲化镉量子点作为光电活性材料和能量供体，以有机小分子探针作为识别单元和能量受体，能够对目标物发生特异性识别反应而改变探针的光吸收强度，从而改变光电流强度，所述有机小分子探针的化学结构式为：该小分子探针名称为(e)-3-(2-carboxyethyl)-2-(2-(6-methoxy-2,3-dihydro-1h-xanthen-4-yl)vinyl)-1,1-dimethyl-1h-benzo[e]indol-3-ium，为了方便说明，将该小分子探针名命名为xy-k，用来对二氧化硫气体进行灵敏检测。
[0024]
其具体的制备方法包括以下步骤：（1）合成碲化镉量子点，将其溶于水制备成水溶液；（2）合成xy-k，将其溶于二甲基亚砜，得到xy-k溶液；
（3）将xy-k溶液加入碲化镉量子点水溶液，获得复合物；（4）通过自组装方式将复合物修饰到钢针电极表面，修饰复合物的钢针电极即为光电化学微传感器。
[0025]
该光电化学微传感器主要用于二氧化硫气体的灵敏检测。
[0026]
其技术原理为，碲化镉量子点作为光电活性材料和能量供体，xy-k作为识别单元和能量受体，该xy-k能够与目标物二氧化硫（so2）发生特异性识别反应而改变光吸收强度。在光的激发下，碲化镉量子点中的电子从价带跃迁至导带，从而产生电子空穴对。导带中的一部分光生电子将与溶液中的溶解氧发生反应，外电路的电子流入价带从而产生阴极光电流；同时，也有一部分光生电子不可避免地与价带中的空穴复合，从而降低光电流信号。引入xy-k后，碲化镉量子点与xy-k之间的能量转移过程将进一步促进电子空穴对复合，导致光电流信号猝灭。目标物so2与xy-k发生特异性化学反应后，xy-k的光吸收能力显著降低，能量转移过程受到抑制，从而提高了碲化镉量子点的电子空穴对分离效率，最终表现为光电流的回升，如图1所示。基于此原理，所提出的基于作为能量受体的能量转移调控光电化学传感策略可以实现对目标物的特异性识别和灵敏响应。
[0027]
实施例2：本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定碲化镉量子点的合成过程，具体如下：（1）合成碲化镉量子点：i）称取59mg硝酸镉、100mg柠檬酸钠和25μl巯基丙酸溶于去离子水中，通过超声或搅拌将其分散均匀。
[0028]
ii）用1mol/l的氢氧化钠溶液将混合溶液调节至ph=10.5，转移至圆底烧瓶中。
[0029]
iii）分别加入11.1mg亚碲酸钠和18.9mg硼氢化钠，通过超声或搅拌分散均匀后，将装有混合物的圆底烧瓶置于油浴锅中搅拌回流10h。
[0030]
iiii）反应10h后将反应溶液冷却至室温，加入等量异丙醇直接产生沉淀，静置10min，待完全沉淀后通过离心机离心分离固体，然后用异丙醇洗涤固体，重复三次，用移液枪小心吸取上层液体，收集固体，得到纯化的碲化镉量子点，放于烘箱中40℃干燥，之后配成0.5mg/ml水溶液待用。
[0031]
碲化镉量子点xrd图，如图2所示，通过xrd图可以看到，碲化镉纳米晶体在2θ=25.54、41.75和49.17
°
处的尖锐衍射峰分别归属于（111）、（220）和（311）晶面，可以将其索引到立方闪锌矿结构（jcpds卡号65-1046），证明所制备的量子点为碲化镉量子点。
[0032]
实施例3：本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定合成xy-k合成过程，其合成路线如下：
= 15.0 hz, 1h), 4.75 (t, j = 6.9 hz, 2h), 3.99 (s, 3h), 2.93 (t, j = 6.9 hz, 2h), 2.79 (q, j = 5.3 hz, 4h), 2.09 (s, 6h), 2.00
ꢀ‑ꢀ
1.91 (t, 2h). 该1h nmr谱图证明xy-k被成功合成。
[0037]
实施例4：本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定光电化学微传感器的构建过程，具体如下：i）将探针xy-k溶于二甲基亚砜后，取xy-k溶液（75μm）加入至碲化镉量子点水溶液（0.5mg/ml）中，在室温下超声20min，以促进复合物的形成。
[0038]
ii）将钢针电极浸入装有10μl复合物溶液的离心管中，置于烘箱60℃烘干，通过通过这种自组装方式将复合物修饰到钢针电极表面，修饰复合物的钢针电极为光电化学微传感器。
[0039]
实施例5：本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定光电化学测试的过程，具体为：将该光电化学微传感器与不同浓度亚硫酸钠在25℃下通过浸泡方式孵育8分钟。随后的实验均在chi660e电化学工作站上使用常规的三电极系统进行。该光电化学微传感器为工作电极，参比电极和对电极分别为饱和甘汞电极和铂丝电极。电解质溶液为浓度为0.1mol/l，ph为7.4的pbs溶液，激发光为460nm激光。
[0040]
首先通过光谱实验证明碲化镉量子点与xy-k之间发生了能量转移。如图4示，在460nm光激发下，碲化镉量子点的发射带与探针的吸收范围高度匹配，为有效发生能量转移提供了前提。如图5示，目标物与探针发生化学反应会降低探针的吸收强度，为调控碲化镉量子点与探针之间的能量转移过程提供了前提。
[0041]
如图6所示，曲线a~e分别为：（a）初始钢针电极；（b）钢针电极；（c）钢针电极上单独修饰碲化镉量子点；（d）钢针电极上修饰碲化镉量子点和探针xy-k的复合物；（e）光电化学微传感器与6μm亚硫酸盐反应后的光电流响应图。
[0042]
通过对光电化学微传感器进行光电流响应检测来证明光电化学微传感器的成功构建。首先初始钢针电极和洗涤后的钢针电极没有光电流响应，而修饰量子点后，获得一个较大的光电流，说明碲化镉量子点是一个较好的光电活性材料。在钢针电极上修饰复合物后光电流信号降低，说明能量转移作用会通过促进电子空穴对复合而猝灭光电流，同时证明光电化学微传感器的成功构建。有研究表明，so2的存在反映于亚硫酸氢盐和亚硫酸盐（1:3m/m）的平衡中，因此在体外研究中使用亚硫酸钠作为so2的代表。将传感器与亚硫酸钠孵育后，光电流升高，证明亚硫酸钠与探针xy-k之间的化学反应降低了xy-k的光吸收能力，从而抑制了能量转移效率，最终导致光电流升高。上述结果证明以小分子探针为能量受体的能量转移调控光电化学传感策略是可行的。
[0043]
实施例6：本实施例在上述实施例的基础上，验证构建的光化学传感器检测二氧化硫气体的能力。
[0044]
即光电化学微传感器与不同浓度亚硫酸钠（浓度为0.5、1、2、4、6、8、10、12 μm）孵育8 min后获得的光电流信号。
[0045]
实验结果如图7，图8所示，随着亚硫酸钠的浓度逐渐增加，获得的阴极光电流信号逐渐增强，并且在0.5 μm到12 μm范围内具有良好的线性关系，线性方程为i =
ꢀ‑ꢀ
35.04
ꢀ‑ꢀ
4.38 c
so2 (r
2 = 0.9973)，其中，检出限（lod）为89.0 nm。结果证明提出的光电化学微传感器可以用于so2的灵敏检测。
[0046]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。