[发明专利]一种缺陷调控半导体的光电化学核酸分析方法

说明书

本发明公开了一种缺陷调控半导体的光电化学核酸分析方法，可用于多种核酸目标物的定量分析。本发明首先依次将富含缺陷的二氧化钛和核酸捕获探针修饰到电极构成生物传感界面。利用结合有激元金属纳米结构的核酸探针与目标物杂交引起构像变化，在剪切酶的作用下，产生大量含有激元金属纳米结构的核酸残余片段，通过该片段与电极上的捕获探针杂交，将激元金属纳米结构锚定于电极界面。在一定波长光激发下，激元金属纳米结构产生局域表面等离子共振从而显著改变传感器光电流信号。该方法操作简单，灵敏度高，选择性好，同时也为光电化学生物传感信号转导提供了新模式。

技术领域

本发明属于分析化学领域，具体涉及一种缺陷调控半导体的光电化学核酸分析方法。

背景技术

开发新型的，具有高灵敏和高选择性的核酸检测方法对环境监测，食品安全和疾病诊断都显得尤为重要，因此一直是定量检测分析中的热点研究之一。光电化学核酸分析是一种基于核酸分子特异性识别作用结合光电活性物质的光致电转换特性而发展起来的新兴检测技术。由于其具有不同能量形式的激发信号和检测信号，相较于传统的电化学和光谱检测手段展现出独特的优势，近年来得到广泛关注。然而作为一种新型检测方法，其信号转导模式多局限于空间位阻效应，能量转移效应和原位生成电活性物质，他们的可操作性，稳定性，成本有待进一步的提高。发展新型信号传感模式对于扩大其应用范围和高效的分析体系具有重要意义。

物理化学和材料化学领域取得的巨大进展为光电化学信号传感模式的开发提供了重要的参考。被广泛应用于光催化和太阳能电池领域，能够有效提高半导体材料对可见光活性的表面等离子体共振（SPR）效应，逐步开始应用于光电化学生物传感界面的构建即是一个典型的实例。将激元金属纳米结构固定到半导体表面影响电磁能量的分布，提高可见光激发下的光催化活性和光电流响应。然而，在当前的这类光电生物传感体系中，激元金属纳米结构作为光电复合材料的一部分事先结合到半导体表面，然后通过生物分子之间的作用引起电极材料或者电解液溶发生一定的变化，从而改变检测信号。在这种模式中，虽然这些复合材料相较于单一成分表现出许多的优点，如提高了光子吸收范围，增强光电转换效率，同时提供了具有良好的生物相容性的界面，但是激元金属纳米结构通过这一系列作用以及SPR效应在增强光电响应信号的同时也提高了背景信号。这种固有的缺陷严重阻碍了灵敏度的提高进一步。

此外，光电化学生物传感性能很大程度上取决于所用的光电活性材料的性质。氧空位作为一种广泛存在于金属氧化物中的缺陷，理论和实验的研究结果证实其可以作为一种重要手段调控金属氧化物半导体光谱吸收、电子能带结构及光催化性能。然而，基于氧空位缺陷调控来提高光电化学生物分析性能的方法还鲜有研究。

发明内容

为克服以上的不足，本发明的目的在于提供一种基于目标物引入激元金属纳米结构结合缺陷调控的二氧化钛半导体为基础的低背景信号核酸分析方法。其技术原理是在没有目标物条件下，电极界面修饰的宽带隙缺陷型二氧化钛不足以被可见光子激发产生电子空穴对，仅有非常弱的光电流背景信号。当目标物存在的时候，大量的激元金属纳米结构被引入到电极界面，在一定频率的波长光激发下发生局域表面等离子体共振效应，激发电子注入到传感器金属氧化物半导体基底，从而显著地增强传感器光电流信号，信号的变化量与目标物浓度在一定范围内成正相关关系。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种缺陷调控半导体的光电化学核酸分析方法，包含以下步骤：

(1)缺陷调控二氧化钛纳米块的制备：以铁离子作为掺杂剂调控二氧化钛中缺陷浓度，将5-15 mg的六水合三氯化铁固体溶解在油酸（7-11 mL）、油胺（4-7 mL）和乙醇（5mL）混合溶剂中，随后加入5 mmol酞酸丁酯搅拌10分钟，转移至35 mL的敞口玻璃瓶，最后将该玻璃瓶放入到100 mL的装有20 mL乙醇溶液的聚四氟乙烯反应釜，130-160℃反应14-20个小时；冷却后用乙醇离心洗涤两次，收集固体成分，制得缺陷型二氧化钛；