基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器及其制备方法与应用

本发明涉及电化学分析，具体是指一种基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、电化学(ec)分析由于其具有较高的时空分辨率和良好的灵敏度等优点，是一种很有前途的分析工具。但是，用ec传感器检测非电化学活性物质仍然是相当大的挑战。并且，当面临许多结构相似的物质时，ec传感的特异性不足。光电化学(pec)分析作为ec分析的一个分支，近年来得到了快速的发展。与ec分析方法相比，由于利用光而不是偏置电压作为激发源，它与活体具有更高的相容性。但pec传感同样面临着特异性不足的问题，所以在复杂环境中，pec传感的应用并不广泛。

2、次氯酸作为活性氧的一种，在体内参与多种生理和病理过程，对次氯酸水平的实时检测，有助于研究多种疾病的发生机理，达到预防和治疗的目的。但次氯酸作为非电化学活性物质，很难通过直接氧化还原的方法进行光电化学检测，一种稳定可靠的次氯酸检测方法还有待被开发。

技术实现思路

1、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，具有普适性的基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器，通过有机小分子探针与目标物之间的结合达到检测的目的，大大提高了光电化学传感器的特异性，并且解决了传统光电化学传感器无法检测非电化学活性物质的问题；同时，比率信号可以更好地应用于复杂环境，使整个体系具有较强的抗干扰能力。

2、为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器，其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，碲化镉量子点和有机小分子探针复合修饰在电极上形成比率型光电化学微传感器；其中，碲化镉量子点和有机小分子探针二者之间在双激发光源的照射下能够发生竞争吸收，有机小分子探针能够对目标物发生特异性识别反应而改变光吸收强度引起光电流信号的变化，从而实现目标物的检测。

4、按上述方案，碲化镉量子点和有机小分子探针对激发光的吸收能力相当，即摩尔吸收系数相差不超过两个数量级。

5、进一步地，所述有机小分子探针为：(e)-o-(4-(2-(3-(二氰基亚)-5,5-二甲基环己-1-烯-1-基)乙烯基)苯基)二甲基氨基硫酸盐(可缩写为cn-mtc)，化学结构式为：此时目标物为次氯酸。

6、本发明的另一个目的在于提供一种上述基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将碲化镉量子点溶于水制成水溶液；

8、(2)将有机小分子探针溶于二甲基亚砜的水溶液，得到有机小分子探针溶液；

9、(3)将有机小分子探针溶液与碲化镉量子点水溶液混合，获得复合物；

10、(4)通过自组装方式将复合物修饰到电极表面，所得修饰复合物的电极即为竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器。

11、按上述方案，步骤(3)中，碲化镉量子点水溶液的浓度在0.2～1mg/ml范围内；有机小分子探针溶液的浓度在20～100μm范围内，溶剂为体积浓度不超过5％的二甲亚砜水溶液；小分子探针溶液与碲化镉量子点水溶液按体积比1:(0.8～1.2)混合。

12、按上述方案，步骤(4)中，通过自组装方式将复合物修饰到电极表面的具体过程为：将为电极倒置插在泡沫板上，取复合物的溶液滴于电极末端，烘干即可。其中，滴加量为1～2μl/mm2。电极采用微电极，如金属针等，一般尖端直径小于200μm。

13、本发明的最后一个目的在于，提供上述基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器的应用。在双激发光源的照射下，碲化镉量子点和有机小分子探针，二者之间能够发生竞争性光吸收，引起目标物的水平波动带来的有机小分子探针光吸收强度变化，以双激发光下的光电流信号的比率与目标物水平(浓度、含量等)的线性关系实现对目标物的检测。其中，所述双激发光源的波长对应碲化镉量子点和有机小分子探针的吸收光谱重合位置的波长。优选地，双激发光源的波长分别为395～415nm和510～540nm。

14、本发明以可以与次氯酸特异性结合的小分子探针cn-mtc为例，具体提供一种上述基于竞争吸收调控的比率型光电化学微传感器检测次氯酸的方法：采用三电极系统，包括工作电极、参比电极、以及对电极，以所述比率型光电化学微传感器为工作电极，以磷酸缓冲溶液作为电解质，激发光为波长为395～415nm和510～540nm的双光源；然后将工作电极与不同浓度的次氯酸通过浸泡孵育后，采用三电极系统进行测试，记录双波长光源下的光电流变化，得到双波长光源下的光电流强度的比率信号，建立次氯酸浓度与双波长光源下的光电流比率信号的标准曲线，从而利用标准曲线实现次氯酸的检测。其中，标准曲线的线性关系范围为0～10μm。

15、本发明上述技术方案的技术原理为：在该光电化学微传感器中，碲化镉量子点与有机小分子探针由于光谱匹配，当处于吸收光谱重合位置的激发光照射时，两者之间会产生竞争吸收，导致光电流信号下降。而有机小分子探针是一种结构灵活的小分子，可以特异性识别目标物，包括活性氧、活性硫、生物酶和其他生物活性物质。本发明选用了一种可以与次氯酸特异性结合的小分子探针cn-mtc为例，其与次氯酸结合后，转变为cn-oh，吸收光谱发生了明显的变化。将光电材料碲化镉量子点与有机小分子探针一同修饰到微电极上，特定波长的激发光照射下，由于光电材料与有机小分子探针的竞争吸收作用，以及目标物次氯酸水平波动带来的光吸收强度的变化，得到不同的光电流信号。有机小分子探针与次氯酸的特异性化学反应，一定程度上解决了传统光电化学传感器特异性和普适性不足的问题。

16、由于次氯酸本身作为非电活性物质，并且h2o2、oh-等物质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，本发明将其选为概念验证目标物。当有机小分子探针为cn-mtc时，碲化镉量子点与有机小分子探针之间的竞争吸收导致光电流信号减弱。目标物次氯酸与cn-mtc发生特异性化学反应后，有机小分子探针的光吸收性质改变，竞争吸收作用改变，最终表现为光电流强度的变化。基于此原理，本发明所提出的基于竞争吸收调控的比率型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。

17、在pec传感中很少采用比率信号。而本发明为了进一步提升传感器在复杂环境中的可靠性，增加抗干扰能力，本发明选择采用比率信号来记录次氯酸水平的波动，通过建立双激发光下的光电流信号的比率与目标物水平(浓度、含量等)的线性关系，可以一定程度内消除环境因素和传感器本身性能因素带来的影响，不仅实现了自校准测量，而且简化了光电极的控制，大大提高了传感器的可靠性。

18、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

19、(1)本发明基于竞争吸收设计，依靠有机小分子探针与目标物次氯酸之间的特异性结合来实现检测，大大提高了光电化学传感器的特异性，相比于传统的光电化学检测方法，不仅具有更高的特异性，并且解决了传统光电化学传感器无法检测非电化学活性物质的问题；

20、(2)相比起其他检测次氯酸的方法，比如色谱分析、荧光成像等，本发明具有抗干扰性强、特异性高、灵敏度高、操作简单方便等优点；并且采用比率信号，可以在一定程度内消除环境因素和传感器本身性能因素带来的影响，更适用于复杂环境的检测，使整个体系具有较强的抗干扰能力；

21、(3)本发明具有普适性，可以应用于其他非电化学活性物质的检测，只需将目标物次氯酸特异性结合的有机小分子探针更换为其他符合条件的小分子，一定程度上降低了光电化学传感方法的局限性，提高了光电化学检测的应用范围，为光电化学检测方法提供了新的思路。