[发明专利]一种基于双信号放大的用于重金属铅离子检测的生物传感器

说明书

本发明涉及重金属铅离子检测的电化学传感器的制备方法及应用，属于电化学检测技术领域。其特征在于：首先合成得到NG‑PTCA纳米材料，然后将HAuCl₄通过Thi还原为金纳米粒子(AuNPs)并修饰在NG‑PTCA纳米材料，得到NG‑PTCA‑Thi‑Au纳米复合物，再将发夹状DNA信号探针与该复合材料混合，制得生物信号探针；构建传感器前，在Pb²⁺存在下体外切割8‑17 DNAzyme；然后通过金沉积电极，固定发夹状DNA捕获探针；引入被切割片段S₁后，开启了催化发夹组装过程并固定了生物信号探针，从而实现了双信号大检测重金属铅离子，该传感器成功的用于环境中铅离子的检测。本发明的优点在于灵敏度高，特异性强，检测方便。本发明为铅离子检测技术的研发提供实验依据，为环境中铅离子的监测提供新思路和新技术平台。

技术领域：

本发明涉及一种在环境中定量检测重金属铅离子的电化学传感器的制备方法及应用，尤其是基于催化发夹组装和修饰硫堇和金纳米粒子的苝-3，4，9，10-四甲酸分散的氮掺杂石墨烯被作为信号探针制备的双信号放大生物传感器，并利用8-17 DNAzyme特异催化功能用于检测重金属铅离子，属于电化学检测领域。

背景技术：

铅离子(Pb²⁺)被认为是一种重金属污染物，对人类和生态系统的可持续性构成威胁。它可以在体内积聚，并引起各种疾病，包括神经，生殖，心血管等方面的疾病。即使低剂量的Pb²⁺也具有强烈的毒性，影响婴儿和儿童的成长，智力发育。美国环境保护署(EPA)已将饮用水中Pb²⁺的最大污染水平降至72.4nM。因此，监测低浓度Pb²⁺具有重要意义。传统检测Pb²⁺的方法包括原子吸收光谱法(AAS)，原子荧光光谱法(AFS)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，它们已被广泛用于分析和检测Pb²⁺。然而，这些方法复杂的设备或样品制备限制了它的广泛应用。因此，有必要开发一种方便且高度灵敏检测和分析Pb²⁺的方法。

近年来，电化学方法由于灵敏度高，选择性好，成本低，响应时间短而备受关注。然而，许多研究致力开发高灵敏度的电化学传感器。比如基于催化发夹组装(CHA)的信号放大策略由于其操作简单和无酶策略被广泛应用。在CHA过程中，具有发夹捕获探针互补序列的单链DNA(ssDNA)通过打开和杂交两个发夹探针触发此过程，同时释放ssDNA以启动下一个循环。在这种情况下，CHA通过循环ssDNA并有效放大电流响应来增强灵敏度。此外，各种具有优异性能的纳米材料也已应用于信号放大策略，以提高传感器的性能。本课题组开发了结合前两种提到的放大策略，实现双信号放大，有效提高传感器的灵敏度。

氮掺杂石墨烯(NG)是在石墨烯中掺杂氮，被认为是具有良好导电性和高比表面积的候选材料，可用作纳米材料负载的平台。然而，NG分散性差并易聚集，这限制了它在生物传感器中的应用。报道过的提高NG分散性的文献是通过添加NaOH调节NG溶液的pH至碱性，但这可能会破坏其结构及降低电子传导性。为了避免以上问题，本实验使用苝-3，4，9，10-四甲酸(PTCA)，它是一种具有丰富多羧酸位点的水溶性苝衍生物，具有大的比表面积，优异的稳定性和理想的导电性。通过π-π堆积和疏水相互作用修饰NG来提高其分散性，且不破坏NG的共轭π-体系。从而使得到的NG-PTCA显示出高分散性和优异的导电性。此外，NG-PTCA的活性位点和有效区域也增加，可以通过π-π堆积充分负载电活性物质硫堇(Thi)，同时有利于金纳米颗粒(AuNPs)的生长。Thi作为电活性材料用于后续的电化学检测，也作为还原剂用于还原HAuCl4为AuNPs。本课题组成功设计了NG-PTCA-Thi-Au纳米复合材料并通过Au-S共价键组装发夹信号探针(H₂)，获得新的NG-PTCA-Thi-Au-H₂纳米复合材料(示踪标记)，并应用于电化学检测中的信号产生和放大。