用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器及其制备方法及食品过敏原的检测方法与流程

本发明涉及电化学生物传感器技术领域，具体涉及一种用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器及其制备方法及食品过敏原的检测方法。

背景技术：

食品过敏没有治愈的方法，仅能依靠避免食品过敏原的摄入，因此对食品过敏原的快速检测对于食品过敏群体来说至关重要。

为了实现对食品过敏原的快速、灵敏检测，目前采用的方法有实时质谱分析法、免疫学方法和核酸检测等技术。但这些方法的应用却受到了极大的限制，其主要原因有以下几点：①质谱法对样品要求较高，处理费时；②免疫学方法抗体制备繁琐，且病原蛋白易受食品加工过程影响，特异性差；③核酸检测方法包括dna探针、pcr技术等虽然具有简单快速的特点，但是需要昂贵的仪器设备和专业人员进行复杂操作。

纸基生物传感器设备继承了低成本，批量生产，便于功能化和具有较大的表面积和多孔性的优点，同时具有制作过程简单、生物相容性和生物降解能力好等优点。迄今为止，纸基生物传感器在实时疾病诊断、环境监测、食品安全等方面具有很好的应用。然而现有的纸基生物传感器常用抗体作为作为识别分子，抗体价格昂贵且不稳定，很大程度上限制了其现实应用。

技术实现要素：

为了解决现有存在的问题，本发明的目的是提供一种用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器及其制备方法及食品过敏原的检测方法，其设计合理、成本低廉、操作简便且灵敏度高。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器的制备方法，包括：

(1)在纸基上建立三电极体系；

(2)用黑磷/多聚赖氨酸复合液修饰三电极体系的工作电极；

(3)在工作电极上固定与食品抗原对应的适配子，制得用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器。

本发明在纸基上建立三电极体系其制备过程简单，以黑磷/多聚赖氨酸复合液修饰工作电极，一方面通过黑磷提高导电能力从而增强电化学信号，另一方面利用黑磷纳米材料的高比表面积将与食品抗原对应的适配子进行固定，由于黑磷纳米材料比表面积高，其能够明显增加作为探针的适配子的数量，从而提高检测灵敏度。

本发明的食品抗原包括：花生中的过敏原arah1、牛奶中的过敏原β-乳球蛋白、鸡蛋中的过敏原卵白蛋白、虾中的过敏原虾原肌球蛋白。

在本发明未特别说明的其他实施例中，还可以用二硫化钼纳米材料、石墨烯纳米材料等二维片状纳米材料进行代替。本发明所指的“纳米”是指纳米片的厚度为纳米级。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(1)包括以下具体步骤：

(1.1)在纸张上打印出微流控通道图案并将图案剪裁下来，中间区域为反应检测区，以中间区域向外发散的三条分支为三电极体系；

(1.2)将分支远离检测反应区的尾部分别进行疏水处理后干燥；用碳浆采用丝网印刷方法分别制得工作电极和对电极，用银/氯化银油墨采用丝网印刷方法制得参比电极，然后干燥。

本发明在纸张构建微流控通道摒弃了现有的喷蜡打印技术，通过普通的打印方式将设计好的微流控通道图案打印在纸张上(可选择常用的a4纸)，然后按照图案形状剪裁下来，图案的中间区域为反应检测区，向外发散的三条分支为电极，以此作为构建三电极体系的基础。本发明通过打印然后剪裁的方式建立三电极体系，省去了喷蜡打印设备的投入，极大节约了生产升本，而且制备过程也更加方便简单，工艺难度低。

本发明三个电极的三个分支，通过对其进行疏水处理，避免电极因水浸润而容易损坏，从而导致信号不稳定。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(1.2)中，干燥条件为：50℃～70℃下干燥0.5h～1.5h。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(2)包括以下具体过程：将黑磷纳米材料加入至多聚赖氨酸溶液中震荡，将得到的黑磷/多聚赖氨酸复合液滴加在工作电极表面然后常温干燥，冲洗，再常温干燥。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述黑磷纳米材料通过液相剥离法制得，具体过程为：按照(80～120)mg:(8～12)ml的料液比将黑磷加入去离子水中，然后采用140w～160w超声处理18h～20h，在3000r/min～4000r/min的转速下离心10min～20min，取上清液。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述述黑磷/多聚赖氨酸复合液通过以下过程制得：向上清液中加入浓度为0.5～1.5mg/ml的多聚赖氨酸溶液震荡25min～40min，然后于惰性气氛且密闭的环境中常温保存11h～13h；其中，上清液与多聚赖氨酸溶液的体积比为1：(0.8～1.2)。

本发明通过控制多聚赖氨酸浓度、加量以及其与上清液的混合条件，得到的复合液更容易检测表征，表征效果好。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)包括以下具体过程：在工作电极上滴加与食品抗原对应的适配子溶液，静置，清洗，再在工作电极上滴加牛血清蛋白溶液，清洗。

本发明用pbs缓冲液清洗电极其目的是去除未结合的适配子，滴加牛血清蛋白溶液在工作电极上其目的是减少非特异性吸附，最后再次用用pbs缓冲液清洗，以洗净残留的牛血清蛋白溶液。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)中，适配子溶液的浓度为3mm～6mm，静置条件为：在2℃～6℃静置60min～150min，牛血清蛋白溶液的浓度为0.5wt％～1.2wt％。

上述制备方法制备得到的用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器。

一种食品过敏原检测方法，采用上述纸基电化学生物传感器进行检测，其包括以下具体过程：

采用标准浓度的食品过敏原液制作标准曲线；

将待检测食品过敏原的食物样品进行预处理，得到待检测液，将待检测液加在纸基电化学生物传感器上，孵育，利用电化学工作站检测电流信号值，将得到的信号值与标准曲线对照，得到待检测液的浓度。

本发明具有以下有益效果：

本发明的传感器通过适配子捕获目标食品过敏原进行检测，同时通过黑磷本身良好的导电能力来增强电化学信号，并且二维的黑磷纳米材料修饰电极从而增加固定的适配子数量，提高检测灵敏度。本发明的纸基电化学生物传感器装置成本低，具有定量、高精度的检测能力，纳米材料黑磷用于传感机理提供了高灵敏度，适配子生物传感器在微生物检测方面具有成本低、分析速度快、灵敏度高、特异性强等特点。本发明突破了目前食源性过敏原快速检测难以实现微型化和便携化的瓶颈。

附图说明

图1为本发明实施例打印出的微流控通道图案的示意图；

图2为本发明实施例制备用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器的原理图；

图3为本发明实施例的用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器的实物图；

图4为本发明采用液相剥离方法得到的黑磷纳米片的微观形貌图；

图5为本发明对黑磷、黑磷/多聚赖氨酸以及黑磷/多聚赖氨酸/适配子的电位检测结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

图1为本发明实施例设计的微流控通道图案，该图案不包括图1中的导电胶带和玻璃片。按照图1中所示的图案，将其打印在纸张上(具体选用哪种纸张本领域技术人员可以按照常用手段进行选择)，然后剪裁下来。图1中，中间区域为反应检测区，三个分支分别对三个电极，由此构建出三电极体系的基础。

实施例1：

一种用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器的制备方法，包括：

(1)在纸基上建立三电极体系；

(1.1)在纸张上打印出如图1所示的微流控通道图案并将图案剪裁下来，中间区域为反应检测区，以所述中间区域向外发散的三条分支为三电极体系；

(1.2)将所述分支远离所述检测反应区的尾部分别进行疏水处理后干燥；用碳浆采用丝网印刷方法分别制得工作电极和对电极，用银/氯化银油墨采用丝网印刷方法制得参比电极，然后在50℃下干燥1.5h。

(2)用黑磷/多聚赖氨酸复合液修饰所述三电极体系的工作电极；

(2.1)液相剥离黑磷纳米材料：按照80mg:8ml的料液比将黑磷加入去离子水中，然后采用140w超声处理20h，在3000r/min的转速下离心20min，取上清液。

(2.2)黑磷/多聚赖氨酸复合液制备：向所述上清液中加入浓度为0.5mg/ml的多聚赖氨酸溶液震荡40min，然后于惰性气氛且密闭的环境中常温保存11h；其中，所述上清液与所述多聚赖氨酸溶液的体积比为1：0.8。

(2.3)将黑磷/多聚赖氨酸复合液滴加在所述工作电极表面然后常温干燥，冲洗，再常温干燥。冲洗方法为先用pbs溶液冲洗然后用超纯水冲洗。

(3)在所述工作电极上固定与食品抗原对应的适配子，制得所述用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器。

在所述工作电极上滴加与食品抗原对应的浓度为3mm的适配子溶液，在2℃静置150min，清洗，再在工作电极上滴加浓度为0.5wt％的牛血清蛋白溶液，清洗。两次清洗均先用pbs溶液冲洗然后用超纯水冲洗。

实施例2：

一种用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器的制备方法，包括：

(1)在纸基上建立三电极体系；

(1.1)在纸张上打印出如图1所示的微流控通道图案并将图案剪裁下来，中间区域为反应检测区，以所述中间区域向外发散的三条分支为三电极体系；

(1.2)将所述分支远离所述检测反应区的尾部分别进行疏水处理后干燥；用碳浆采用丝网印刷方法分别制得工作电极和对电极，用银/氯化银油墨采用丝网印刷方法制得参比电极，然后在70℃下干燥0.5h。

(2)用黑磷/多聚赖氨酸复合液修饰所述三电极体系的工作电极；

(2.1)液相剥离黑磷纳米材料：按照120mg:12ml的料液比将黑磷加入去离子水中，然后采用160w超声处理18h，在4000r/min的转速下离心10min，取上清液。

(2.2)黑磷/多聚赖氨酸复合液制备：向所述上清液中加入浓度为1.5mg/ml的多聚赖氨酸溶液震荡25min，然后于惰性气氛且密闭的环境中常温保存13h；其中，所述上清液与所述多聚赖氨酸溶液的体积比为1：1.2。

(2.3)将黑磷/多聚赖氨酸复合液滴加在所述工作电极表面然后常温干燥，冲洗，再常温干燥。冲洗方法为先用pbs溶液冲洗然后用超纯水冲洗。

(3)在所述工作电极上固定与食品抗原对应的适配子，制得所述用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器。

在所述工作电极上滴加与食品抗原对应的浓度为6mm的适配子溶液，在6℃静置60min，清洗，再在工作电极上滴加浓度为1.2wt％的牛血清蛋白溶液，清洗。两次清洗均先用pbs溶液冲洗然后用超纯水冲洗。

实施例3：

一种用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器的制备方法，包括：

(1)在纸基上建立三电极体系；

(1.1)在纸张上打印出如图1所示的微流控通道图案并将图案剪裁下来，中间区域为反应检测区，以所述中间区域向外发散的三条分支为三电极体系；

(1.2)将所述分支远离所述检测反应区的尾部分别进行疏水处理后干燥；用碳浆采用丝网印刷方法分别制得工作电极和对电极，用银/氯化银油墨采用丝网印刷方法制得参比电极，然后在60℃下干燥1h。

(2)用黑磷/多聚赖氨酸复合液修饰所述三电极体系的工作电极；

(2.1)液相剥离黑磷纳米材料：按照100mg:10ml的料液比将黑磷加入去离子水中，然后采用150w超声处理19h，在3500r/min的转速下离心15min，取上清液。

(2.2)黑磷/多聚赖氨酸复合液制备：向所述上清液中加入浓度为1mg/ml的多聚赖氨酸溶液震荡30min，然后于惰性气氛且密闭的环境中常温保存11h～13h；其中，所述上清液与所述多聚赖氨酸溶液的体积比为1：(0.8～1.2)。

(2.3)将黑磷/多聚赖氨酸复合液滴加在所述工作电极表面然后常温干燥，冲洗，再常温干燥。冲洗方法为先用pbs溶液冲洗然后用超纯水冲洗。

(3)在所述工作电极上固定与食品抗原对应的适配子，制得所述用于食品过敏原检测的纸基电化学生物传感器。

在所述工作电极上滴加与食品抗原对应的浓度为5mm的适配子溶液，在4℃静置90min，清洗，再在工作电极上滴加浓度为1wt％的牛血清蛋白溶液，清洗。两次清洗均先用pbs溶液冲洗然后用超纯水冲洗。

实施例4：

一种食品过敏原检测方法，采用本发明实施例的纸基电化学生物传感器进行检测，其包括以下具体过程：

采用标准浓度的食品过敏原液制作标准曲线；

将待检测食品过敏原的食物样品进行预处理，得到待检测液，将所述待检测液加在纸基电化学生物传感器上，孵育，利用电化学工作站检测电流信号值，将得到的信号值与标准曲线对照，得到待检测液的浓度。

制作标准曲线的具体过程为：将标准浓度的食品过敏原液按浓度梯度稀释成不同浓度50ng/ml，100ng/ml，200ng/ml，400ng/ml，800ng/ml的标准液，将5ul不同浓度的标准液分别加在纸基电化学生物传感器上，孵育，利用电化学工作站分别dpv检测，根据得到的电流信号值与标准液浓度的线性关系描绘出标准曲线。

上述孵育的条件均为：37℃下孵育10～15min。

试验例：液相剥离后的黑磷以及黑磷/多聚赖氨酸表征

图4为本发明采用液相剥离方法得到的黑磷纳米片的微观形貌图，从图4中可以确认该黑磷片的厚度尺寸为纳米级，剥离成功。

图5是本发明对黑磷、黑磷/多聚赖氨酸以及黑磷/多聚赖氨酸/适配子的zeta电位检测结果。如图5所示，由于黑磷本身带负电荷，多聚赖氨酸(pll)本身带正电荷，在加了pll后电位为正，说明溶液里面的粒子表面带正电荷，说明本申请成功把黑磷表面修饰上了pll。适配子本身负电荷，与上述表面带正电荷的黑磷/多聚赖氨酸粒子通过静电作用相互吸引，所以能更好地把适配子固定到电极表面，而且结合良好。由从图5可以看出，加入适配子后，电位变成负电位，说明适配子固定成功。

能够适用于本发明进行检测的食品过敏原包括但不限于如下食品过敏原：含谷蛋白的谷物及其制品、甲壳类动物(虾、螃蟹等)及其制品、蛋类及其制品、蛋类及其制品、软体动物(贝类、章鱼、蜗牛等)及其制品、花生及其制品、大豆及其制品、乳及乳制品、坚果类及其制品(包括杏仁、榛子、桃、腰果、山核桃、巴西坚果、阿月浑子坚果、澳大利亚坚果、昆士兰坚果、坚果油等)、芹菜及其制品、芥末及其制品、芝麻籽及其制品、羽扇豆及其制品等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。