專利名稱：ZnO納米線生物傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種ZnO納米線生物傳感器及其制備方法，屬于納米半導(dǎo)體材料技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZnO是一種新型的寬禁帶、直接帶隙II-VI半導(dǎo)體氧化物材料。具有寬的帶隙能 量，室溫下能帶寬度為3. 37eV，具有較大的激子束縛能，達(dá)到60meV，無(wú)毒，具有高的熱穩(wěn)定 性，同時(shí)還具有高的等電點(diǎn)，等電點(diǎn)為9. 5。另外，ZnO還具有良好的生物相容性和電子傳遞 特性，這樣的特性使得ZnO不僅可以很好地保持固定酶的生物活性，還能提高酶的活性中 心和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，從而能夠被用來(lái)制備生物傳感器，如ZnO納米生物傳感器， 應(yīng)用在電化學(xué)工作站中則是一種生物電極。 現(xiàn)有ZnO納米生物傳感器是這樣制備出來(lái)的，將ZnO納米粒子與酶混合，將得到的 溶液旋涂在電化學(xué)電極上，制成酶電極，也就是一種生物傳感器。然而，在將ZnO納米粒子 與酶混合后，ZnO納米粒子完全被不導(dǎo)電的酶包裹起來(lái)，另外，由于ZnO納米粒子的團(tuán)聚等 原因，在電化學(xué)電極表面形成的酶膜不均勻，從而影響了酶的活性中心和電極之間的直接 電子轉(zhuǎn)移，作為生物傳感器，靈敏度降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了改善酶的活性中心和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，提高所制作的生物傳感器的 靈敏度，進(jìn)而提高采用該生物傳感器的化學(xué)測(cè)試裝置的測(cè)試精度，我們發(fā)明了一種ZnO納 米線生物傳感器及其制備方法。 本發(fā)明之ZnO納米線生物傳感器包括襯底、ZnO以及酶，其特征在于，在襯底上有
一層導(dǎo)電層，ZnO納米線生長(zhǎng)在導(dǎo)電層上，ZnO納米線表面附著酶包裹層。 本發(fā)明之ZnO納米線生物傳感器制備方法其特征在于，首先，在襯底上制作導(dǎo)電
層，其次，在導(dǎo)電層上生長(zhǎng)ZnO納米線，第三，在ZnO納米線表面生成酶包裹層。 本發(fā)明其效果在于，叢生在襯底導(dǎo)電層上的ZnO納米線取向良好，并與導(dǎo)電層良
好導(dǎo)通。在ZnO納米線上附著均勻的酶包裹層，在酶的活性中心和ZnO納米線之間形成直
接電子轉(zhuǎn)移。附著酶包裹層的ZnO納米線作為生物電極的觸角，密集、均勻探入被檢溶液。
采用本發(fā)明之生物傳感器的檢測(cè)裝置的檢測(cè)靈敏度和精度得到提高。所述制備方法容易操
作、成本低、環(huán)境友好，適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。


圖1是生長(zhǎng)在ITO玻璃襯底上的ZnO納米線掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。圖2是 附著有葡萄糖氧化酶包裹層的ZnO納米線的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片，該圖兼作為摘要 附圖。圖3是附著有葡萄糖氧化酶包裹層的ZnO納米線的傅立葉變換紅外吸收(FT-IR)譜 圖。圖4是IT0、Zn0-IT0、G0rZn0-IT0的循環(huán)伏安圖。圖5是不同濃度葡萄糖溶液的循環(huán)伏安圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明之Zn0納米線生物傳感器包括襯底、ZnO以及酶。在襯底上有一層導(dǎo)電層。 襯底包括硬性和柔性兩種，前者如玻璃，后者如聚酰亞胺(PI)。柔性襯底能夠滿足使用環(huán) 境對(duì)生物傳感器形狀的要求，如當(dāng)生物傳感器用在人體器官中時(shí)。導(dǎo)電層為ITO(銦錫氧化 物)層或者ZnO籽晶層，優(yōu)選后者。ZnO納米線生長(zhǎng)在導(dǎo)電層上，ZnO納米線表面附著酶包 裹層，如葡萄糖氧化酶。 本發(fā)明之ZnO納米線生物傳感器制備方法具體方案如下
1、在襯底上制作導(dǎo)電層 在襯底上生長(zhǎng)ITO層或者采用磁控濺射的方式生長(zhǎng)ZnO籽晶層。
2、在導(dǎo)電層上生長(zhǎng)ZnO納米線 采用水熱法按以下工藝條件生長(zhǎng)ZnO納米線反應(yīng)溶液組分包括等摩爾的醋酸鋅 和六次甲基四胺，生長(zhǎng)溫度為90°C ，生長(zhǎng)時(shí)間為6h，生長(zhǎng)結(jié)束后取出在6(TC下干燥。
或者采用電化學(xué)沉積法生長(zhǎng)ZnO納米線反應(yīng)溶液組分包括等摩爾的硝酸鋅和六 次甲基四胺，將反應(yīng)溶液攪拌均勻。襯底上的導(dǎo)電層作為三電極體系中工作電極，鉬片作為 輔助電極，Ag/AgCl作為參比電極。生長(zhǎng)溫度為9(TC，生長(zhǎng)時(shí)間為lh，沉積電位為-IV，完成 ZnO納米線的生長(zhǎng)。 3、在ZnO納米線表面生成酶包裹層 采用靜電吸附的方式生成酶包裹層用K2HP04和KH2P04標(biāo)準(zhǔn)溶液配制磷酸鹽緩沖
溶液。在磷酸鹽緩沖溶液中配制酶溶液。將ZnO納米線浸入酶溶液中，在ZnO納米線表面
吸附生成酶包裹層。之后取出并用去離子水沖掉ZnO納米線表面沒(méi)有吸附的酶，放在容器
內(nèi)慢慢蒸發(fā)以形成均勻的包裹層，干燥之后冷藏于冰箱內(nèi)以保持酶的活性。 下面舉例說(shuō)明本發(fā)明之方法。 實(shí)施例1 : 1、在襯底上制作導(dǎo)電層 在玻璃襯底上生長(zhǎng)ITO層，獲得ITO玻璃襯底。
2、在導(dǎo)電層上生長(zhǎng)ZnO納米線 采用水熱法按以下工藝條件生長(zhǎng)ZnO納米線采用0. 01M的醋酸鋅和0. 01M六次 甲基四胺配制反應(yīng)溶液，生長(zhǎng)溫度為90°C ，生長(zhǎng)時(shí)間為6h，生長(zhǎng)結(jié)束后取出在6(TC下干燥， 所生長(zhǎng)的ZnO納米線具有納米尺度和理想的長(zhǎng)徑比，形貌趨于一致，密集、均勻叢生于導(dǎo)電 層上，見(jiàn)圖l所示。 3、在ZnO納米線表面生成酶包裹層 采用靜電吸附的方式生成酶包裹層用K2HP04和KH2P04標(biāo)準(zhǔn)溶液配制0. 01M磷酸 鹽緩沖溶液，Ph值為6. 86。在磷酸鹽緩沖溶液中配制葡萄糖氧化酶溶液，濃度為2mg/mL。 將ZnO納米線浸入葡萄糖氧化酶溶液中，在ZnO納米線表面吸附生成葡萄糖氧化酶包裹層。 之后取出并用去離子水沖掉ZnO納米線表面沒(méi)有吸附的葡萄糖氧化酶，放在容器內(nèi)慢慢蒸 發(fā)以形成均勻的包裹層，干燥之后冷藏于冰箱內(nèi)以保持葡萄糖氧化酶的活性。所生成的葡 萄糖氧化酶包裹層均勻覆蓋于ZnO納米線表面，見(jiàn)圖2所示。傅立葉變換紅外吸收(FT-IR)譜圖表明在Zn0納米線表面分布著葡萄糖氧化酶基團(tuán)(G0X)，見(jiàn)圖3所示。 采用循環(huán)伏安法分別研究ITO導(dǎo)電層、生長(zhǎng)有ZnO納米線的導(dǎo)電層、ZnO納米
線表面覆蓋了葡萄糖氧化酶包裹層的導(dǎo)電層的導(dǎo)電情況，三者分別簡(jiǎn)稱ITO、 ZnO-ITO、
GO,-ZnO-ITO，作為三電極體系中工作電極，ITO的響應(yīng)電流較小，ZnO-ITO的響應(yīng)電流明顯
增加，GOx-ZnO-ITO的響應(yīng)電流相比ZnO-ITO有所減小，見(jiàn)圖4所示，驗(yàn)證了本發(fā)明之方法三
個(gè)步驟的結(jié)果。 將實(shí)施例1獲得的生物傳感器作為電化學(xué)工作站中的工作電極，鉑片作為輔助電極，Ag/AgCl作為參比電極，采用循環(huán)伏安法檢測(cè)葡萄糖溶液中葡萄糖的濃度。初始偏壓和終止電壓為-IV，最高電壓為1. 2 1. 5V，最低電壓為0. 5 0. 6V，掃描速率10 lOOmV/S。電解液為0. OIM磷酸鹽緩沖溶液，Ph值為6. 86，含有30mM的K3[Fe(CN)6]和30mM的K4[Fe(CN)6] *3H20。向溶液中滴加不同濃度的葡萄糖溶液，得到不同的循環(huán)伏安曲線，見(jiàn)圖5所示。如果滴加未知濃度的葡萄糖溶液，則根據(jù)已知的循環(huán)伏安曲線得到溶液中葡萄糖的濃度。該方法在醫(yī)療領(lǐng)域用于檢測(cè)血糖濃度，診斷人體疾病。
實(shí)施例2 :
1、在襯底上制作導(dǎo)電層 在聚酰亞胺襯底上采用磁控濺射的方式生長(zhǎng)ZnO籽晶層，獲得ZnO籽晶層聚酰亞胺襯底。 2、在導(dǎo)電層上生長(zhǎng)ZnO納米線 采用電化學(xué)沉積法生長(zhǎng)ZnO納米線采用0. 005M的硝酸鋅和0. 005M六次甲基四
胺配制生長(zhǎng)液，攪拌均勻。襯底上的導(dǎo)電層作為三電極體系中工作電極，鉬片作為輔助電極，Ag/AgCl作為參比電極。生長(zhǎng)溫度為9(TC，生長(zhǎng)時(shí)間為lh，沉積電位為-lV，完成ZnO納米線的生長(zhǎng)。 3、在ZnO納米線表面生成酶包裹層 采用靜電吸附的方式生成酶包裹層用K2HP04和KH2P04標(biāo)準(zhǔn)溶液配制0. 01M磷酸鹽緩沖溶液，Ph值為6. 86。在磷酸鹽緩沖溶液中配制葡萄糖氧化酶溶液，濃度為2mg/mL。將ZnO納米線浸入葡萄糖氧化酶溶液中，在ZnO納米線表面吸附生成葡萄糖氧化酶包裹層。之后取出并用去離子水沖掉ZnO納米線表面沒(méi)有吸附的葡萄糖氧化酶，放在容器內(nèi)慢慢蒸發(fā)以形成均勻的包裹層，干燥之后冷藏于冰箱內(nèi)以保持葡萄糖氧化酶的活性。
權(quán)利要求
ZnO納米線生物傳感器包括襯底、ZnO以及酶，其特征在于，在襯底上有一層導(dǎo)電層，ZnO納米線生長(zhǎng)在導(dǎo)電層上，ZnO納米線表面附著酶包裹層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO納米線生物傳感器，其特征在于，襯底包括硬性和柔性兩種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO納米線生物傳感器，其特征在于，導(dǎo)電層為ITO層或者 ZnO籽晶層。
4. 一種ZnO納米線生物傳感器制備方法，其特征在于，首先，在襯底上制作導(dǎo)電層，其 次，在導(dǎo)電層上生長(zhǎng)ZnO納米線，第三，在ZnO納米線表面生成酶包裹層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的ZnO納米線生物傳感器制備方法，其特征在于，在襯底上生長(zhǎng) ITO層或者采用磁控濺射的方式生長(zhǎng)ZnO籽晶層作為導(dǎo)電層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的ZnO納米線生物傳感器制備方法，其特征在于，采用水熱法或 者電化學(xué)沉積法生長(zhǎng)ZnO納米線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的ZnO納米線生物傳感器制備方法，其特征在于，采用靜電吸附 的方式生成酶包裹層。
全文摘要
ZnO納米線生物傳感器及其制備方法屬于納米半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)將ZnO納米粒子與酶混合溶液旋涂在電化學(xué)電極上制成酶電極。ZnO納米粒子完全被不導(dǎo)電的酶包裹起來(lái)，另外，在電化學(xué)電極表面形成的酶膜不均勻，從而影響了酶的活性中心和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，作為生物傳感器，靈敏度降低。本發(fā)明之ZnO納米線生物傳感器包括襯底、ZnO以及酶，在襯底上有一層導(dǎo)電層，ZnO納米線生長(zhǎng)在導(dǎo)電層上，ZnO納米線表面附著酶包裹層。本發(fā)明之方法首先在襯底上制作導(dǎo)電層，其次在導(dǎo)電層上生長(zhǎng)ZnO納米線，第三在ZnO納米線表面生成酶包裹層。本發(fā)明之生物傳感器作為工作電極用于作為化學(xué)測(cè)試裝置的電化學(xué)工作站，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)試。
文檔編號(hào)C01G9/02GK101776639SQ20101003082
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者方鉉, 李金華, 李靜, 王曉華, 趙東旭, 魏志鵬 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)