一种p-n异质结CdS-Cu2O/TM纳米棒阵列的制备方法、传感器及应用与流程

本发明属于纳米新材料技术领域，具体涉及一种p-n异质结cds-cu2o/tm纳米棒阵列的制备方法、生物传感器及应用。

背景技术：

前列腺癌是男性中最常见和最致命的疾病之一。据世界卫生组织称，前列腺癌是导致癌症死亡的第二大原因。大多数患者在知道疾病时处于癌症的末期，死亡率极高。因此，早期和准确地检测癌症至关重要。前列腺特异性抗原（psa）是前列腺癌早期检测中最可靠的癌症标志物之一。前列腺癌和其他前列腺疾病的存在导致psa的水平升高。到目前为止，已经报道了多种用于检测psa的分析平台，例如elisa检测，电化学方法，比色分析和荧光分析，但大型仪器的使用，时间的消耗，样品制备的复杂和不令人满意的灵敏度阻碍了它们的广泛使用。因此，迫切需要开发一种快速测定psa的可靠方法，以早期和敏感地诊断前列腺癌。

光电化学（pec）作为一种前瞻性分析技术，凭借其高灵敏度，低成本，快速响应，低背景和简单的仪器，吸引了越来越多的研究兴趣。一般来说，pec传感器的性能取决于光活性对光照射敏感的材料。因此，用于构建传感器的材料对于实现优异的pec响应至关重要。硫化镉（cds）作为优异的可见光响应n型的光活性材料。虽然三维自支撑cds纳米棒阵列电极具有大的表面积和高活性位点密度，但是仍然具有较高的光生电子-空穴复合率。纯cds中的空穴仍然影响光电极的性能。因此需要改善cds的光电性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种p-n异质结cds-cu2o/tm纳米棒阵列的制备方法，所述纳米棒阵列具有表面积大，活性位点密度高，稳定性好，电解质扩散性好等优点，有利于产生pec信号；本发明同时还提供一种所述cds-cu2o纳米棒阵列得应用，用于快速检测psa的光电化学生物传感器，对博莱霉素的检测稳定性好，检测限低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种p-n异质结cds-cu2o/tm纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

（1）将cd（no3）2·4h2o、ch4n2s和谷胱甘肽溶解在水中并搅拌得混合液，并将钛网(tm)置于混合液中反应，将所得样品冷却、洗涤、干燥，得到cds/tm；

（2）将步骤（1）合成的cds/tm浸入含有na2s2o3和cuso4的水溶液中，洗涤，得到cds-cu2o/tm纳米棒阵列；

（3）将步骤（2）得到的cds-cu2o/tm纳米棒阵列浸入65-75℃的naoh水溶液中2-4秒，洗涤，得到p-n异质结cds-cu2o/tm纳米棒阵列。

进一步地，步骤（1）所述的cd（no3）2·4h2o、ch4n2s和谷胱甘肽的质量比为0.35-4：0.08-0.10：0.20-0.25；所述cd（no3）2·4h2o和水的质量体积比为（0.35-0.4）g：（35-45）ml；所述搅拌时间为8-12分钟。

进一步地，步骤（1）所述的水为去离子水；步骤（1）所述的洗涤为用去离子水和乙醇洗涤；步骤（2）和步骤（3）所述的洗涤为用去离子水洗涤。

进一步地，步骤（2）所述的含有na2s2o3和cuso4的水溶液中na2s2o3和cuso4的浓度为0.8-1.2m，所述naoh水溶液的浓度为0.45-0.55m。

进一步地，步骤（2）中将cds/tm浸入含有na2s2o3和cuso4的24-26℃水溶液中2-4秒；步骤（3）将cds-cu2o/tm纳米棒阵列浸入65-75℃的naoh水溶液中2-4秒。

一种光电化学生物传感器，包括和电化学工作站连接的工作电极、参比电极、对电极，在工作电极上修饰有权利要求1-5任一项所制得的cds-cu2o/tm纳米棒阵列。

进一步地，所述光电化学生物传感器应用于对psa的灵敏检测。

上述光电化学生物传感器的应用，采用以下步骤进行检测：

（1）将光电极cds-cu2o/tm在含有n-（3-二甲基氨基丙基）-n'-乙基-碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺的溶液中活化，用tris-hcl缓冲溶液冲洗，随后将18-22μl适体固定在cds-cu2o/tm电极上，使电极在4℃下静置15-17小时，用tris-hcl缓冲溶液冲洗，用n2吹干；

（2）将制备的适体传感器与18-22μlbsa（1％）在室温下孵育0.8-1.2小时，用tris-hcl缓冲溶液彻底冲洗bsa/适体/cds-cu2o/tm电极在4℃下储存以备后用；

（3）将制备的传感器与18-22μl的psa在36-38℃下孵育18-22分钟，然后pec测量在tris-hcl缓冲液中进行，在300w氙灯下照射，根据光电化学生物传感器光电信号变化对psa进行检测。

进一步地，所述tris-hcl缓冲液的浓度为0.01m。

本发明所述的适体是指一种dna单链，这个单链具有特殊序列，能够特异性捕获目标物，本实验中的适体为psa的适体，即能特异性识别捕获psa的dna单链。

氧化亚铜（cu2o）作为典型的p型半导体材料，具有相对小的带隙（约2.0ev）和在可见区域中相对高的吸收能力，可以与其他半导体结合以提高pec性能。因此，我们预期通过构建这种复合材料可以大大提高cds的光催化性能。

有益效果

（1）本发明制备的cds-cu2o/tm纳米棒阵列具有表面积大，活性位点密度高，稳定性好，电解质扩散性好等优点，有利于产生pec信号；

（2）本发明所制备的新型的用于快速检测psa的光电化学生物传感器，对psa的检测稳定性好，检测限低，检测限为0.026ng·ml^-1。

总之，基于使用cds-cu2o/tm纳米棒阵列设计了用于监测psa活性的简单pec生物分析平台；实验证实构建的光电化学生物传感器平台简单且经济，并且对于psa检测具有高灵敏度，选择性和可靠性，这项工作是一种新的通用pec适体传感器，可以扩展用于探测其他感兴趣的生物相互作用。

附图说明

图1、本发明实施例1中所制备的cds-cu2o/tm纳米棒阵列用于检测psa的光电化学生物传感器的示意图；

图2、cds-cu2o/tm纳米棒阵电荷-载流子转移过程的示意图；

图3、（a）实施例1中制备的cds/tm和cds-cu2o/tm的x射线衍射谱(xrd)；实施例1制备的cds-cu2o/tm的x射线光电子能谱分析图(xps);（b）cds-cu2o/tm总谱图；（c）cd3d；（d）s2p；（e）cu2p；（f）o1s区域的高分辨率xps光谱；

图4、（a）实施例1制备的cds/tm和（b）cds-cu2o/tm的扫描电镜图（sem）；（c）实施例1制备的cds和（d）cds-cu2o纳米复合材料的透射电镜图（tem）；插图分别是cds（插图c）和cds-cu2o（插图d）的高分辨率透射电镜图(hrtem)；

图5、光电化学生物传感器中，（a）在0.01mtris-hcl缓冲液中的光电流响应，（a）cds/tm，（b）cds-cu2o/tm，（c）适体/cds-cu2o/tm，（d）bsa/适体/cds-cu2o/tm和（e）psa/bsa/适体/cds-cu2o/tm；（b）在5.0mm[fe（cn）6]^3-/4-中的电化学阻抗光谱（eis），以下为各工作电极：（a）cds/tm，（b）cds-cu2o/tm，（c）适体/cds-cu2o/tm和（d）bsa/适体/cds-cu2o/tm；

图6、实施例1制备的光电化学生物传感器用于检测不同浓度的psa的电流响应（a），和与之相对应的校正曲线（b）；

图7、（a）实施例1制备的光电化学生物传感器用于检测psa选择性的对照图；（b）用光开和关测量适体/cds-cu2o/tm电极的稳定性和重现性。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，一下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

（1）将0.35gcd（no3）2·4h2o，0.08gch4n2s和0.20g谷胱甘肽溶解在40ml去离子水中并搅拌12分钟。将上述混合物转移到50ml高压釜中，并将清洁的钛网（tm）置于其中。反应在200℃下进行8小时。最后，将所得样品冷却，用去离子水和乙醇洗涤，并自然干燥，得到cds/tm。

（2）将合成的cds/tm浸入含有na2s2o3（1.0m）和cuso4（1.0m）的25℃水溶液中2秒，然后用去离子水冲洗。其次，将纳米棒阵列在65℃下浸入naoh水溶液（0.45m）中4秒，用去离子水冲洗。

实施例2

（1）将0.4gcd（no3）2·4h2o，0.10gch4n2s和0.25g谷胱甘肽溶解在45ml去离子水中并搅拌8分钟。将上述混合物转移到50ml高压釜中，并将清洁的钛网（tm）置于其中。反应在220℃下进行8小时。最后，将所得样品冷却，用去离子水和乙醇洗涤，并自然干燥，得到cds/tm。

（2）将合成的cds/tm浸入含有na2s2o3（1.0m）和cuso4（1.0m）的25℃水溶液中2秒，然后用去离子水冲洗。其次，将纳米棒阵列在75℃下浸入naoh水溶液（0.55m）中2秒，用去离子水冲洗。

实施例3

（1）将0.38gcd（no3）2·4h2o，0.09gch4n2s和0.22g谷胱甘肽溶解在40ml去离子水中并搅拌10分钟。将上述混合物转移到50ml高压釜中，并将清洁的钛网（tm）置于其中。反应在200℃下进行9小时。最后，将所得样品冷却，用去离子水和乙醇洗涤，并自然干燥，得到cds/tm。

（2）将合成的cds/tm浸入含有na2s2o3（1.0m）和cuso4（1.0m）的25℃水溶液中2秒，然后用去离子水冲洗。其次，将纳米棒阵列在70℃下浸入naoh水溶液（0.5m）中3秒，用去离子水冲洗。

光电化学生物传感器

本发明所述的光电化学生物传感器，包括和电化学工作站连接的工作极、参比电极（ag|agcl|cl^-）、对电极（铂电极），采用氙灯照射为模拟光源，工作电极为钛网（tm），在工作电极为钛网（tm）上修饰有实施例1制备的cds-cu2o/tm纳米棒阵列，tm在修饰之前，在超纯水中超声清洗15min，tm电极的面积为0.5*0.5cm²。

实施例1所述的光电化学生物传感器在tm工作电极上直接水热生成cds纳米棒阵列，然后通过连续离子层吸附反应将cu2o附着在cds纳米棒阵列上。

实施例1所述光电化学生物传感器对psa检测时，将光电极cds-cu2o/tm在含有n-（3-二甲基氨基丙基）-n'-乙基-碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺的溶液中活化1小时，并用tris-hcl冲洗。随后，将20μl适体固定在cds-cu2o/tm电极上，并使电极在4℃下静置16小时。用tris-hcl冲洗电极以洗去未固定的适体，并用n2吹干。之后，将制备的适体传感器与20μlbsa（1％）在室温下孵育1小时以阻断非特异性位点。然后用缓冲溶液彻底冲洗bsa/适体/cds-cu2o/tm电极以洗去过量的bsa并在4℃下储存以备后用。最后，将制备的传感器与20μl的psa在37℃下孵育20分钟。之后，pec测量在0.01mtris-hcl缓冲液中进行，在300w氙灯下照射，根据光电化学生物传感器光电信号变化对psa进行检测。

如图1所示，基于bsa/适体/cds-cu2o/tm光电极建立了一个新的平台用于psa的超灵敏检测；

如图2所示，示出了所提出的pec生物传感器的光生电子-空穴转移机制；

如图3所示，通过xrd和xps图像研究了cds和cds/cu2o的形态。图3a显示纯cds/tm和cds-cu2o/tm的xrd谱图。纯cds/tm的衍射峰可以指向六方相cds晶体。至于cds-cu2o/tm，24.8^o，26.5^o，28.2^o，36.6^o，43.7^o，47.8^o，51.8^o和52.8^o的衍射峰可以分别指向（100），（002），（101），（102），（110），（103），（112）和（201）晶面，为六方相cds晶体（jcpdsno.41-1049）。与纯cds相比，cds-cu2o/tm的xrd图谱中没有观察到其他cu2o衍射峰，表明cu2o纳米粒子的负载量小且分散性高。图3b显示了cds-cu2o/tm的xps光谱，进一步表明存在cd，s，cu和o元素。cd3d的高分辨率xps光谱如图3c所示。以405.2ev和412.0ev的结合能为中心的两个峰可以分别指向cd3d的cd3d5/2和cd3d3/2。此外，图3d显示了s2p区域，峰值在161.5ev和162.8ev分别对应于s^2-状态的s2p3/2和s2p1/2。cu2p的光谱如图3e所示，两个峰位于932.0ev和951.9ev，对应于cu2p3/2和cu2p1/2。图3f中的o1s的高分辨率光谱具有531.4ev的特征峰，对应于cu2o的氧物种，532.2ev的弱峰可能来自表面羟基或h2o2。xps结果与xrd分析一致，进一步证实了cds-cu2o/tm的成功制备。

图4a显示纯cds的sem图像，其显示具有纳米棒阵列的裸tm的完全覆盖。如图4b所示，非均相cds-cu2o/tm的sem图像显示，在涂覆cu2o纳米颗粒后，cds的表面变得粗糙，表明复合材料的成功制备。所得纯cds的tem图像进一步证实了其纳米棒形态（图4c）。图4c插图中的hrtem图像表明cds的晶面间距为0.32nm，对应于cds的（101）面。图4d显示了非均相cds-cu2o纳米粒子的tem图像，表明cds纳米粒子的表面在吸附cu2o纳米粒子后变得粗糙，这与sem的分析一致。图4d插图显示从单个cds-cu2o纳米棒获得的hrtem图像显示具有0.25nm的晶面间距的晶格条纹，对应于cu2o晶相的（111）晶面。

如图5a，为了进一步研究逐步制造过程，还通过pec方法表征电极。使用通过用间歇可见的入射光照射改性的tm电极产生的光电流来表征制备的纳米材料的pec特性。对于纯cds/tm电极，观察到14μa的光电流强度（曲线a）。另外，cds-cu2o/tm电极的光电流强度显着增强到116μa（曲线b），为cds/tm电极的大约8.3倍。在引入适体（曲线c）后，光电流显着降低，这可归因于适体产生的空间位阻效应。当bsa在适体/cds-cu2o/tm电极上组装时，光电流强度进一步降低（曲线d）。在用psa孵育bsa/适体/cds-cu2o/tm后，光电流显着增强（曲线e），这意味着适体特异性地捕获psa分子作为被光生孔氧化的电子供体并消耗空穴然后阻碍电子-空穴对的重组。为了评估传感器组件的电极表面的电子转移，使用[fe（cn）6]^3-/4-作为氧化还原探针，通过奈奎斯特图的半圆直径测量eis（图5b）。cds-cu2o/tm的奈奎斯特图（曲线b）显示出比cdsnas/tm（曲线a）小得多的半圆直径，cu2o的引入可以加速电极上的电子转移和导致阻抗降低。此外，由于它们的绝缘性质，适体可以导致电子转移电阻的进一步增加（曲线c）。在适体/cds-cu2onas/tm上涂覆bsa（曲线d）也阻碍电极表面上的电子交换，导致阻抗增加。这些结果证明了不同组分在tm电极上的连续固定。

如图6所示，配置不同浓度的psa水溶液，测试光电化学生物传感器对不同浓度psa的电流响应曲线，看以看出，psa浓度之间呈现较好的相关性，线性回归方程为a=64.24+0.73cpsa(r²=0.9907)，在s/n=3时检测下限为0.026ng·ml^-1。

对于新制备的传感体系，需要在分析实际样品时对目标分析物具有良好的选择性，为了验证本发明制备的光电化学生物传感器对psa信号放大的特异性，我们使用其他肿瘤标志物和一些潜在的干扰来评估选择性，包括癌胚抗原（cea），甲胎蛋白（afp），免疫球蛋白g（igg），牛血清白蛋白（bsa），人血清白蛋白（hsa）和碳水化合物抗原125（ca125）的比较进行光电流响应评估，在相同的条件下，测试该传感器对psa的选择性。由图7c可以看出，与其他几种干扰物相比，psa具有最好的选择性，这表明该生物检测的选择性良好，具有高度特异可用于实际样本的检测。另外，当重复打开可见光照射时，pec探针的光电流强度几乎保持恒定（图7d）。这些结果支持该适体传感器用于敏感pec测定的可行性，表明该方法对于检测psa具有良好的选择性和稳定性。

为了进一步证明实用性，进行人血清测定以评估本发明的pec免疫测定。结果表明，psa的回收率为95.2％~107.5％。所构建的pec适体传感器具有很大的生物样品定量测量潜力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。