H 2S是继NO和CO人们发现的第三种内源性气体信号分子,在生物体的很多生理过程中表现出非常重要的生物学活性,尤其在高血压、心脑系统疾病、2型糖尿病、结肠癌等疾病的诊断和治疗方面起着重要的作用。由于生物体内H 2S的浓度会随着某些慢性疾病病变程度不同而发生相应变化,因此生物体内H 2S的浓度可以看作这些疾病诊断与治疗的标志物,所以实现生物体内H 2S浓度的快速检测对人类健康具有重要的意义。本研究利用电化学原位组装方法,构建基于氧化亚铜和氧化锌的特殊纳微有序阵列材料,基于异质界面的电导调控、以及材料表面硫化反应,该纳微结构表现出优异的生物H 2S传感特性。因此提出一种生物H 2S标志物的快速检测方案,实现相关疾病的诊断与实时监测的目的。实验结果证实,基于该研究体系的生物H 2S检测范围为1~1000 μmol/L,且具有良好的线性关系,达到了人体实际检测的应用要求,在相关疾病的家庭式监测应用方面具有巨大的潜力。 H 2S is the third endogenous gas signaling molecule discovered after NO and CO, showing very important biological activities in many physiological processes of organisms, especially in the diagnosis and treatment of hypertension, cardio-brain diseases, type 2 diabetes, colon cancer and other diseases. Since the concentration of H 2S in organisms will change with some chronic diseases, the H 2S in organisms can be regarded as a marker for these diseases, so the rapid detection of H 2S concentration in organisms is of great significance to human health. Cuprous oxide and zinc oxide based nano-micro ordered arrays were prepared by an in situ electrodeposition method. Based on the conductance modulation of the heterointerface and the surface vulcanization reaction of the material, the heterostructure shows excellent biological H 2S sensing characteristics. Therefore, a rapid detection scheme of biological H 2S markers is proposed to realize the diagnosis and real-time monitoring of related diseases. The experimental results confirm that the biological H 2S detection range based on this heterostructure is 1~1000 μmol/L with good linear relationship. It meets the practical application requirements of human detection, has a great potential in the application of home monitoring of related diseases. It meets the application requirements of human body, and has great potential in the application of home monitoring of related diseases.
H2S是继NO和CO人们发现的第三种内源性气体信号分子,在生物体的很多生理过程中表现出非常重要的生物学活性,尤其在高血压、心脑系统疾病、2型糖尿病、结肠癌等疾病的诊断和治疗方面起着重要的作用。由于生物体内H2S的浓度会随着某些慢性疾病病变程度不同而发生相应变化,因此生物体内H2S的浓度可以看作这些疾病诊断与治疗的标志物,所以实现生物体内H2S浓度的快速检测对人类健康具有重要的意义。本研究利用电化学原位组装方法,构建基于氧化亚铜和氧化锌的特殊纳微有序阵列材料,基于异质界面的电导调控、以及材料表面硫化反应,该纳微结构表现出优异的生物H2S传感特性。因此提出一种生物H2S标志物的快速检测方案,实现相关疾病的诊断与实时监测的目的。实验结果证实,基于该研究体系的生物H2S检测范围为1~1000 μmol/L,且具有良好的线性关系,达到了人体实际检测的应用要求,在相关疾病的家庭式监测应用方面具有巨大的潜力。
H2S,生物传感器,电沉积
Wenhao Di1, Guangliang Cui1, Pinhua Zhang1, Kaifeng Xue2
1School of Physics and Electrical Engineering, Linyi University, Linyi Shandong
2School of Mechanical and Vehicle Engineering, Linyi University, Linyi Shandong
Received: Jan. 5th, 2021; accepted: Feb. 18th, 2021; published: Feb. 24th, 2021
H2S is the third endogenous gas signaling molecule discovered after NO and CO, showing very important biological activities in many physiological processes of organisms, especially in the diagnosis and treatment of hypertension, cardio-brain diseases, type 2 diabetes, colon cancer and other diseases. Since the concentration of H2S in organisms will change with some chronic diseases, the H2S in organisms can be regarded as a marker for these diseases, so the rapid detection of H2S concentration in organisms is of great significance to human health. Cuprous oxide and zinc oxide based nano-micro ordered arrays were prepared by an in situ electrodeposition method. Based on the conductance modulation of the heterointerface and the surface vulcanization reaction of the material, the heterostructure shows excellent biological H2S sensing characteristics. Therefore, a rapid detection scheme of biological H2S markers is proposed to realize the diagnosis and real-time monitoring of related diseases. The experimental results confirm that the biological H2S detection range based on this heterostructure is 1~1000 μmol/L with good linear relationship. It meets the practical application requirements of human detection, has a great potential in the application of home monitoring of related diseases. It meets the application requirements of human body, and has great potential in the application of home monitoring of related diseases.
Keywords:H2S, Biosensor, Electrodeposition
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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H2S是第3种被发现的重要的内源性气体信号分子,广泛参与机体内多种生理和病理过程,具有重要的生物学活性。其在许多疾病和机体保护方面具有重要的应用,例如:1) 治疗高血压,外源性H2S同道复合体ruSUR1亚基细胞外N末端的两种残基Cys6和Cys26相互作用,增加KATP通道开放概率,产生血管舒张作用,可以降低机体血压约1.4~4.0 kPa [
H2S作为极易分解的气体分子,其在生物体内的浓度持续变化,因而难于准确检测。目前国内外检测生物H2S的方法主要包括:高效液相色谱法、电化学法、气相色谱法、及荧光法等 [
哺乳类动物体内的H2S生理含量约为20~160 μmol/L,其中1/3以气体形式存在,其余2/3以HS-形式存在。HS−与体内的H+结合可以生成H2S,从而维持H2S气体和HS−的动态平衡 [
Cu2O是一种能带间隙为2.17 eV的P型半导体材料,因其毒性低、良好的压电性和催化性等优点,被广泛的应用在光催化、气敏检测和电化学储能、光电转化等领域。Lee等人证实了CuO-ZnO异质结构纳米材料对H2S具有优异的敏感特性,200℃时5 ppm浓度的H2S的敏感度可以达到83.84%。Hien等人利用射频磁控溅射技术构建的棒状和树枝状的纳微氧化亚铜材料对H2S呈现出优秀的气敏特性 [
本文提出了一种可用于生物H2S快速检测的Cu2O-ZnO纳微异质结构阵列材料,并对其电化学原位组装过程和构建原理作了详尽描述。此外,对生物H2S的检测性能表征证实,Cu2O-ZnO纳微异质结构对生物H2S浓度的响应范围为1~1000 μmol/L,完全覆盖人体血液H2S的浓度(20~160 μmol/l)范围,其响应度可以达到4个数量级,且具有良好的线性关系。本文还进一步阐述了Cu2O-ZnO纳微异质结构检测生物H2S的原理和反应过程,并对其检测结果做了讨论与分析。
实验试剂包括硝酸锌(Zn(NO3)2)、硝酸铜(Cu(NO3)2)和硝酸(HNO3)。配制电解液时,首先在超净烧杯中加入40 mL去离子水,并精确称量Zn(NO3)2和Cu(NO3)2各0.3750 g和0.4832 g,并依次加入去离子水中,再滴加20 μL的HNO3,经过超声处理使其完全溶解,形成均匀的电解液。电解液中Zn2+和Cu2+的浓度分别为0.03 mol/L和0.05 mol/L。
在生长室内将两个厚度为20 μm的Cu金属电极平行的放置在硅片上,其平行间隔约为8 mm,滴加少许Zn(NO3)2和Cu(NO3)2电解液,轻轻盖上盖玻片,开始缓慢降温至−1.3℃,在硅片基底和盖玻片之间形成一块单晶冰,保持温度放置40分钟后开始电沉积过程。
沉积开始时,向电极施加频率800 mHz、幅度400 mV、偏置为250 mV的半正弦电压,Cu2+和Zn2+在沉积电场的作用下向阴极迁移,并在沉积界面被还原。后续的Cu2+和Zn2+不断被还原并堆积到沉积物的最前端,使沉积界面不断向阳极移动。Cu2+和Zn2+在半正弦沉积电势的不同振幅位置处被选择性的沉积、组装,最终构建出Cu2O-ZnO纳微异质结构。
通过离子溅射仪,在模版的辅助下对Cu2O-ZnO纳微异质结构表面进行Au金属溅射,将样品连接入电路。随后利用电学测试系统对其性能进行表征,系统地测试样品对生物H2S的探测性能(包括敏感度、线性响应范围、选择性等)。
Cu2O-ZnO纳微异质结构是利用电化学原位组装方法制备的,电沉积过程中通过施加周期性的半正弦波形电势实现Cu2O和ZnO的选择性沉积。由于Cu2+的沉积电压相较于Zn2+沉积电压较小,因此在低电压时Cu2+优先沉淀形成Cu2O纳米颗粒。伴随着电压的增大,Zn2+开始沉淀形成ZnO纳米颗粒,反应过程主要包含以下几个反应过程:
NO 3 − + H 2 O + 2 e − = NO 2 − + 2 OH − (1)
2Cu 2 + + 2 e − + 2 OH − → Cu 2 O + H 2 O (2)
Zn 2 + + 2 OH − → Zn ( OH ) 2 → ZnO + H 2 O (3)
因此基于以上分析,电化学沉积法制备Cu2O-ZnO纳微异质材料的构建过程可分为几步:首先在低电位时 NO 3 − 被还原成 NO 2 − 并产生 OH − ,为后续金属氧化物的生成提供碱性环境;然后Cu2+在电极表面被还原生成Cu2O纳米颗粒附着在电极表面;电压较高时,Zn2+与 OH − 发生电化学反应最终生成ZnO附着在Cu2O周围形成Cu2O-ZnO纳微异质结构,电化学过程如下图1所示。
图1. Cu2O-ZnO纳微异质结构材料形成示意图
本实验利用电化学沉积方法构建特殊Cu2O-ZnO纳微异质结构材料,Cu2O-ZnO纳微异质结构形貌的扫描电子显微镜(SEM)图像如图2所示。图中可以看到样品呈竹节样排列,使得样品具有较大的比表面积和结构重复性,这对于器件的构建与性能标准化具有很大的优势。
利用X射线光电子图谱(XPS)对Cu2O-ZnO纳微异质结构进行表征,分析其表面元素组成以及元素价态情况。图3(a)~(c)为Cu2O-ZnO纳微异质结构中Cu、Zn、O的XPS谱图。在图3(a)可以看出,Cu 2p在950.7 eV和930.7 eV的位置有两个较强的信号峰,分别对应于Cu的Cu 2p1/2和Cu 2p2/3的峰位,对应着Cu2O中的Cu+元素。从图3(b)可以明显地看出Zn在1043.65 eV和1020.55 eV的位置有两个较强的信号峰,分别对应于Zn的Zn 2p1/2和Zn 2p3/2的峰位,与ZnO的结合能相一致。如图3(c)所示,O 1s的特征吸收峰在530.25 eV,表明该纳微异质材料中O的存在形式主要为晶格氧,且存在一定氧空位。由于样品本身电阻较大约为106~107 Ω,电极和材料之间的接触电阻较小约为几百欧姆,相对于我们样品的电阻很小,所以用四电极法和两电极法测量结果无明显区别。因此在室温条件下,利用四探针测试仪对构建出的Cu2O-ZnO纳微有序阵列传感器的生物H2S感知性能进行表征,滴加1000 μmol/LNa2S溶液前后测得的I-V曲线如图3(d)所示。未滴加Na2S溶液时,测得传感器的导电性较差,电阻为106 Ω数量级。这主要是因为半导体纳微异质结构具有许多Cu2O-ZnO的异质界面,界面势垒在载流子输运过程中的阻碍作用使得材料的导电性降低很多。加之Cu2O和ZnO均为半导体,本身导电性就不理想。在滴加Na2S溶液180 s后,传感器的导电性迅速增强,I-V曲线明显变陡,电导率提升了4个数量级。
图2. Cu2O-ZnO纳微异质结构材料的SEM图
图3. Cu2O-ZnO纳微异质结构中。(a) Cu 2p;(b) Zn 2p和 (c) O 1s的XPS谱图;(d) 滴加1000 μmol /L Na2S溶液前后Cu2O-ZnO纳微异质结构的I-V曲线
图4(a)中的曲线关系为硫化钠浓度与响应度的线性关系图。从图4(a)所示,Cu2O-ZnO纳微异质结构对水溶性硫化氢浓度的响应在1~1000 μmol/L范围内呈现线性特点,该浓度完全覆盖了人体正常H2S浓度(20~160 μmol/L)的范围,证明该纳微异质材料可以用于人体生物H2S的检测。Cu2O-ZnO纳微异质结构对可能的干扰物的响应度如图4(b)所示。在溶液浓度为1000 μmol/L、响应时间为180 s的同一条件下,Cu2O-ZnO纳微异质材料为对Na2S的响应度为24558,对碳酸氢钠、柠檬酸钠、硫代硫酸钠、谷胱甘肽及半胱氨酸溶液的响应度在8~72之间。显然Cu2O-ZnO纳微异质材料对生物H2S具有更好的响应度,体现出了优异的选择性。生物H2S检测结果响应度R的定义为:R = I/I0,其中I0和I分别是滴加Na2S溶液前后的电流值。
图4. (a) Cu2O-ZnO纳微异质结构对Na2S溶液的响应度对其浓度的依赖关系;(b) Cu2O-ZnO纳微异质结构的H2S选择性表征
Cu2O-ZnO纳微异质结构对生物H2S的优异敏感特性与材料的表面硫化反应是分不开的。Cu2O-ZnO纳微异质结构与Na2S溶液接触后,Cu2O与溶液中的S2−/HS−发生硫化反应生成Cu2O/CuxSy覆盖在Cu2O的表面形成Cu2O/CuxSy核壳结构,外壳CuxSy进一步反应生成金属性CuS,反应过程如图5所示。
图5. Cu2O-ZnO纳微异质结构表面CuS形成示意图
图6中虚线表示载流子的运动轨迹,由于Cu2O-ZnO异质界面势垒在载流子移动的过程中起到阻碍作用,载流子在Cu2O-ZnO界面处移动受阻,因此材料表现出较差的导电性。当表面发生硫化反应之后,由于金属性质的CuS导电通道的形成,使得载流子的导通性大大增强,材料的导电性能大幅提升,表现出对生物H2S的敏感特性,响应过程示意图如图6所示。
图6. Cu2O-ZnO纳微异质结构的生物H2S敏感机制示意图
我们通过电化学沉积方法构建了基于Cu2O-ZnO纳微异质结构材料,结合对纳微异质材料的结构设计,充分发挥了各组分的敏感特性,结合异质界面电导调控、可逆硫化反应、阵列等优势,得到了高性能的水溶性生物H2S敏感材料,并构建类似血糖测试试纸的快速检测元件,实现了生物H2S的快速检测,获得了相应以生物H2S为标志物的疾病检测技术突破。本研究为获得灵敏、快速、准确的临床及家庭式疾病检测方法提供了新思路。
感谢国家自然科学基金资助项目(项目编号:11704168,11404158)、以及山东省基金项目(项目编号:ZR2016HB59)。
狄文浩,崔光亮,张品华,薛凯峰. Cu2O-ZnO纳微异质结构生物H2S感知特性研究Biological H2S Sensing Characteristics of Cu2O/ZnO Nano-Micro Heterostructure[J]. 凝聚态物理学进展, 2021, 10(01): 25-32. https://doi.org/10.12677/CMP.2021.101004