專利名稱：用于檢測食品添加劑谷氨酸一鈉的具有納米線的生物傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于檢測谷氨酸鹽的使用納米線的生物傳感器及其制造方
法；更具體地，涉及通過使用具有極好電特性的納米線和通過在置于納米 線與其它納米線之間的基底上固定待檢測的谷氨酸鹽的受體而能夠增加 目標物質谷氨酸鹽的檢測靈敏度的生物傳感器及其制造方法。
背景技術：
由于納米尺寸材料極好的電學、光學和機械性能，所以它們近來成為 關注的焦點。迄今為止關于納米結構進^f于的研究顯示納米結構能夠作為用 于基于新現(xiàn)象如量子尺寸效應的光學器件的先進材料。特別地，在納米線 的情況下，其尤其是作為新型光學器件材料以及單電子隧道器件受到關 注。
作為納米線典型實例的碳納米管處于管狀形式并且具有一個碳原子共 價鍵結合于六方形蜂巢狀結構中的其它碳原子的結構。碳納米管的直徑非 常小直至納米尺度。尤其是，碳納米管被稱為是在現(xiàn)有材料中幾乎沒有任 何缺陷的并且在機械性能、電學選擇性、場發(fā)射或高效儲氫方面具有優(yōu)異 的性能的完美材料。
近來，已經通過使用納米線諸如碳納米管開發(fā)高效生物分子傳感器。 納米線如碳納米管用于生物傳感器的原因是不需要用于光學測量的標 記，和可以在水相中產生反應而沒有蛋白質的變形。即，在常規(guī)的生物分 子檢測方法中已經使用熒光材料、同位素等檢測反應結果；然而，諸如熒 光物質或同位素等的材料對人體非常有害，并且檢測過程也是復雜的。如 果在檢測時使用納米線的電特性，那么其具有對健康無害并且可以精確檢 測反應結果的優(yōu)勢。
然而，在使用現(xiàn)有納米線或碳納米管的常規(guī)生物傳感器中，存在電阻 增加、電特性降低和檢測靈敏度也因此降低的問題，特別是在將可以直接在納米線或碳納米管上反應的物質結合到生物材料方面存在問題。此外，
存在以下問題在納米線的表面上,聚合物層或通過連接分子在納米線 的表面上直接固定生物材料時，每種納米線的電特性都發(fā)生變化。
因此，增加了對于電特性不降低的具有納米線的極好并方便的電特性 的高靈朝:度生物傳感器的需要。
同時，隨著食品工業(yè)的t艮，近來出現(xiàn)許多種加工食品。因此，用于 食品的添加劑的種類和消耗量也日益增多。食品添加劑不可避免地用于加 工和保存食品；然而，應該以高度的信譽嚴格確保安全，這是由于嚴格來 說食品添加劑本身不是食品成分，而且人們一生都會通過食品連續(xù)地攝入 少量的食品添加劑。即使一般消費者對于食品添加劑具有疑問或憂慮，他 們中的多數(shù)人并不知道何種食品具有食品添加劑，和多少添加劑對于健康 是安全的。因此，逐漸需要用于容易地證實食品中是否存在食品添加劑的 方法
發(fā)明內容
技術問題
本發(fā)明的一個實施方案涉及提供具有極好電特性和在檢測谷氨酸鹽尤 其是L-谷氨酸一鈉的食品添加劑中具有高的檢測靈^:度的生物傳感器。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點可以通過以下描述來理解，并且參考本發(fā)明 的實施方案變得明顯。而且，對于本領域技術人員而言，很明顯本發(fā)明的 目的和優(yōu)點可以通過要求保護的裝置/方法及其組合來實現(xiàn)。
技術方案
才艮據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器，包括 固體基底；布置在基質中的并且具有兩端附著有電極的納米線的至少一個 信號轉換器；和設置在固體基底表面上納米線附近、并且連接有催化谷氨 酸鹽的氧化反應的谷氨酸氧化酶的至少 一個信號感測部。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供制造用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器 的方法，包括以下步驟在固體基底的表面上結合納米線；在每個納米線的兩端形成電極之后，用聚合物涂敷電極；在固體基底表面上的納米線之 間連接官能團；將戊二醛連接至固體基底表面上的官能團；和將能夠催化 谷氨酸一鈉的氧化反應的谷氨酸氧化酶固定至戊二醛。
此外，根據(jù)本發(fā)明的其它實施方案，提供基于生物傳感器檢測谷氨酸 鹽的方法。
在本發(fā)明中，"納米線"包括中空型納米管、內部填充的納米線與納米棒。
有益效果
才艮據(jù)本發(fā)明的用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器可以制造為具有納米線 選擇性地布置在差^質中的固體基底上的布置。由于該生物傳感器可以防止 納米線的電特性降低，所以即使食品中包含少量的谷氨酸鹽也可以靈敏地 檢測谷氨酸鹽，使得該生物傳感器可以有效地用于檢測在加工食品中存在 的食品添加劑。此外，由于能夠最小化生物傳感器的尺寸，所以該生物傳 感器可以結合于個人數(shù)字助理、手持電話或便攜式食品添加劑檢測器。


圖l是說明根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器的示意圖。
圖2是說明才艮據(jù)本發(fā)明的生物傳感器的結構的示意圖。
圖3是說明對常規(guī)生物傳感器施加L-谷氨酸一鈉之后的電導率改變的圖。
圖4是顯示對4艮據(jù)本發(fā)明的固定谷氨酸氧化酶的生物傳感器施加L-谷 氨酸一鈉之后的電導率變化的圖。
本發(fā)明最優(yōu)才莫式
以下，將詳細地描述本發(fā)明。
使用常規(guī)納米線的生物傳感器具有在納米線上直接固定能夠結合目標 物質的受體的結構。然而，根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器的特征在于受體固定 在納米線附近，即在一個納米線與另一納米線之間的基底表面上。根據(jù)本發(fā)明的用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器包括固體基底；布置 在基質中的并且具有兩端粘附有電極的納米線的至少一個信號轉換器；和 設置在固體基底表面上納米線附近、并且連接有催化谷氨酸鹽的氧化反應 的作為受體的谷氨酸氧化酶的至少一個信號感測部。
在本發(fā)明中，谷氨酸鹽是L-谷氨酸一鈉和L-谷氨酸鹽。在本發(fā)明中待 檢測的L-谷氨酸一鈉稱作谷氨酸一鈉。在水溶液中溶解L-谷氨酸一鈉4吏得 其分離為鈉離子和L-谷氨酸根。因此，根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器可以通過 使用僅與L-谷氨酸根選擇性反應的物質來最終檢測食品添加劑L-谷氨酸 一鈉。
上述固體基底優(yōu)選是具有絕緣表面的基底諸如硅基底或玻璃基底，并 且在本發(fā)明中所述硅基底通常包括但不限于二氧化珪膜(Si02 )。
根據(jù)本發(fā)明用于檢測谷氨酸一鈉的生物傳感器包括設置在固體基底表 面上的信號感測部和信號轉換器。信號感測部是由具有檢測目標物質能力 的受體或生化物質的反應引起物理或化學變化的部分，信號轉換器是通過 使用具有電極等的物理或化學轉化設備進行來自信號感測部的信號的定 量分析的部分。
根據(jù)本發(fā)明的用于檢測谷氨酸一鈉的生物傳感器的信號轉換器由布置 在基質中固體基底表面上的納米線制成，該納米線的兩端附著有電極。將
信號轉換器連接至外部供^Hf號的電路(signal supplying circuit)和感測 電路的電極作為使得能夠觀測電特性的接觸接頭。在信號感測部中引起的 物理和化學反應導致信號轉換器的電特性改變，并且在外部通過粘合性接 頭能夠感測該改變。每個電極均由導電金屬和粘合性金屬的雙結構構成， 并且電極可以通過諸如熱蒸發(fā)器、濺散器或電子束蒸發(fā)器等的設備連續(xù)沉 積。粘合性金屬首先與納米線接觸，并且當粘合性金屬與表面具有強的結 合力時，導電金屬可以附著于粘合性金屬。優(yōu)選將與納米線具有極好電接
用作粘合性金屬。導電金屬可使用高電導率金屬而沒有任何限制，在本發(fā) 明的優(yōu)選實施方案中尤其是Au。
此外，根據(jù)本發(fā)明的用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器的信號感測部設 置在包括納米線和電極的信號轉換器附近，并且能夠結合目標物質谷氨酸 鹽并催化谷氨酸鹽的氧化反應的作為受體的谷氨酸氧化酶連接于信號感
7測部。
作為受體的谷氨酸氧化酶通過戊二醛連接至固體基底表面上的官能 團。然而，所述酶的連接不限于該方法。所述酶用作催化劑以通過促進谷 氨酸鹽的氧化來產生反應物。由于>^應物的氨改變了碳納米管的電導率， 所以可以將酶固定在基底的表面上、直接固定至納米線或固定在電極上。
將戊二醛連接至固體基底的官能團可以是但不限于選自胺基、羧基和 石克醇基中的至少一種。
沉積在根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器的信號轉換器上的納米線可以是但不 限于選自碳納米管、珪納米線和氧化鋅納米線以及氧化釩納米線中的至少
一種o
更具體地，以下將參考圖2描述根據(jù)本發(fā)明的用于感測谷氨酸鹽的生 物傳感器。
首先，在固體基底107上存在一個或更多個信號轉換器102，信號轉 換器102包括碳納米管104和設置在碳納米管104兩端的電極105。電極 105涂敷有聚合物106。信號轉換器102布置在基質中的固體表面上，信號 感測部101由未形成碳納米管104的部分即信號轉換器102之間的部分提 供。谷氨酸氧化酶103通過連接至官能團的戊二醛連接到信號轉換器102。
同時，本發(fā)明提供制造生物傳感器的方法。該制造生物傳感器的方法 包括以下步驟在固體基底的表面上結合納米線；在每個納米線的兩端形 成電極之后用聚合物涂敷該電極；在納米線之間的固體基底表面上連接官 能團；將作為連接物的戊二醛連接至固體基底表面上的官能團；和將能夠 與谷氨酸鹽結合并且催化谷氨酸鹽的氧化反應的谷氨酸氧化酶固定至戊 二醛。
為制造根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器，首先，在固體基底諸如二氧化硅膜 或玻璃基底的表面上結合納米線?；妆砻嫔系募{米線的結合可以通過本 領域技術人員熟知的常規(guī)方法實施。特別地，在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案 的用于結合納米線的方法中，用滑動(slippery)分子層使固體基底的表面 圖案化，并且然后將待結合的納米結構材料從所述滑動分子層滑動到固體 基底的表面上，使得納米線直接結合在固體基底的表面上。
然后，在每個納米線的兩端沉積電極。電極的沉積通過通常用于制造 半導體器件的電極的熱蒸發(fā)器、電子束蒸發(fā)器或濺散器進行。用聚合物涂敷沉積的電極以降低泄漏電流。形成由納米線和電極制成的信號轉換器之 后，在固體基底的表面上在一個納米線與相鄰納米線之間連接官能團，然 后將作為連接物的戊二醛連接至官能團。最后，固定作為能夠與目標物質 谷氨酸鹽結合并且催化谷氨酸鹽的氧化反應的受體的谷氨酸氧化酶。
作為解離谷氨酸鹽的酶的谷氨酸氧化l^到催化劑的作用但其自身不
發(fā)生化學變化，而是使得谷氨酸鹽分解為副產物、a-酮戊二酸鹽、過氧化 氫和氨。此時，尤其是在不同副產物中的氨使得納米線的電特性變化并且 通過這樣的變化檢測谷氨酸鹽。
和常規(guī)生物傳感器不同，根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器的特征在于將官 能團選擇性地連接在其上未結合納米線的固體基底的表面上。在本發(fā)明 中，為了選擇性地將官能團連接到其上未結合納米線的固體基底的表面 上，使用具有硅烷基團的化合物。尤其是，在本發(fā)明中使用3-氨基丙基三 乙氧基硅烷(APTES)。如果硅烷基團內乙氧基化的基團與二氧化硅膜或 玻璃表面上的-OH相遇，則該乙lL^化的基團從硅烷基團脫離并且其以強 的共價鍵與i^面結合。在清洗過程中，沒有以共價鍵結合的分子全部洗 去。因此，官能團連接至其中沒有選擇性地結合納米線的表面。具體地， 優(yōu)選將其上結合納米線的基底浸于具有硅烷基團的化合物中5~20分鐘。 如果基底浸漬上述時間，那么官能團可以更選擇性地和更有效地連接至其 上沒有結合納米線的表面。
通常，納米線分類為各種種類的表面化學結構，并且這些化學結構彼 此完全不同。例如，碳納米管由六邊形的碳晶格結構構成，硅納米線由硅 晶體結構構成。此外，每種納米線諸如氧化鋅納米線、氧化釩納米線等具
有不同的表面化學性質。在固體表面上結合不同種類的納米線之后，在固 定能夠另外結合目標物質的受體時，必須對每種納米線應用不同的化學方 法并且該方法必須滿足復雜的條件。即，在碳納米管的情況下使用通過 基于苯基或烷基與碳納米管之間的疏水性相互作用的非共價鍵或通過共 價鍵進攻碳納米管表面上的羧基來固定受體的受體固定技術。在硅納米線 的情況下，使用硅烷基團。這具有如下問題在以大量納米線產品形式的 結合電路處理之后，需要花費大量時間固定受體，并且該過程非常復雜。 此外，具體納米線的方法對于其它納米線可能是非常有害的。然而，在本 發(fā)明中，能夠與待檢測目標物質結合的受體不是直接連接至納米線，但是 固定在納米線附近，使得能夠與納米線的種類無關地固定受體。結果，本發(fā)明在時間和資源方面具有成本有效的優(yōu)勢。
以下，用一個實施方案示例性i兌明本發(fā)明。
然而，以下實施方案示例性說明本發(fā)明并且本發(fā)明不限于以下實施方案。制造用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器
通過使用光刻工藝，在二氧化硅基底表面上形成光刻膠圖案。此后，
將其浸在十八坑基三氯珪烷(以下稱為OTS)( Sigma )和乙醇以1:500 (體 積比)的混合比例混合的溶液中，在基底表面上形成OTS分子層。
然后，將其上形成分子單層的基底浸在丙酮溶液中，移除光刻膠圖案。 將基底浸在鄰二氯苯的碳納米管溶液中，在基底表面上自組裝碳納米管。
在基底的碳納米管上沉積鈥膜，然后沉積Au膜，通過剝離方法移除 電極區(qū)域之外的金屬。然后用聚合物如SU-8涂覆電極。
然后，將其上結合碳納米管的基底浸在3-氨基丙基三乙氧基硅烷 (APTES ) ( sigma )溶液中5分鐘，將胺基選擇性地連接到硅基底上的碳 納米管。
將作為連接物的戊二醛連接至連接有胺基的基底之后，將基底浸在谷 氨酸氧化酶溶液中，使得通過結合胺基至谷氨酸氧化酶受體最終制造用于 檢測谷氨酸鹽的生物傳感器。更具體地，首先通過使用3-氨基丙基三乙氧 M烷在基底的表面上產生胺基，然后將該基底浸在2.5%戊二醛水'溶液中 1 ~3小時。此時，戊二醛的-CHO基團和胺基通過共價鍵結合。如此，CHO 基團變化為官能團或可以直接固定而無需胺基的功能化過程。此時，使用 三甲氧^^烷搭(trimethoxysilane aldehyde )。
此后，將谷氨酸氧化酶溶解在pH7.4的磷酸鹽緩沖鹽水中，將所述酶 溶液滴在固定有CHO基團的樣品上，所述反應持續(xù)進行12小時。在該過 程中，酶的M^^列中的胺基和CHO基團通過共價鍵結合。
生物傳感器的制造方法如圖1所示，最終制造的生物傳感器的結構如 圖2所示。檢測谷氨酸鹽
進行在實施方案1中生產的用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器的性能試驗。
在將緩沖溶液(PBS pH 7.4)滴在未固定谷氨酸氧化酶的常規(guī)生物傳 感器(對比組)上和根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案1的固定有谷氨酸氧化酶的 生物傳感器上之后，對在基底的每個電極的兩端設置的電極施加0.01V的 電壓，并且隨時間對電流取樣。注入和沒有注入谷氨酸鹽(L-谷氨酸一鈉) 的電流變化的結果分別如圖3和4中所示。
參考圖3 ，即使對沒有固定谷氨酸氧化酶的常規(guī)生物傳感器施加L-谷 氨酸一鈉并且保持足夠的時間，該未固定谷氨酸氧化酶的常規(guī)生物傳感器 也具有恒定的電流。
然而，參考圖4,根據(jù)本發(fā)明的固定有谷氨酸氧化酶的生物傳感器在 施加5 mM的L-谷氨酸一鈉的情況下在約20秒鐘之后就顯示出電流的減 小。即，用少量的谷氨酸鹽即可有效地檢測谷氨酸鹽。因此，通過圖4可 以證實本發(fā)明生物傳感器的高靈敏度。
ii
權利要求
1. 一種用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器，包括固體基底；布置在基質中并且具有在其兩端附著有電極的納米線的至少一個信號轉換器；和至少一個信號感測部，該至少一個信號感測部設置在所述固體基底的表面上的所述納米線附近，并且該至少一個信號感測部連接有結合谷氨酸鹽并催化谷氨酸鹽的氧化反應的谷氨酸氧化酶。
2. 根據(jù)權利要求1所述的生物傳感器，其中谷氨酸鹽是谷氨酸一鈉和L-谷氨酸鹽。
3. 根據(jù)權利要求1所述的生物傳感器，其中所述固體基底是硅基底或玻 璃基底。
4. 根據(jù)權利要求1所述的生物傳感器，其中谷氨酸氧化酶通過戊二醛連 接至所述信號感測部上的官能團。
5. 根據(jù)權利要求4所述的生物傳感器，其中所述官能團是選自胺基、羧 基和硫醇基中的至少 一種。
6. 根據(jù)權利要求1所述的生物傳感器，其中所述納米線是選自碳納米管、 硅納米線、和氧化鋅納米線以及氧化釩納米線中的至少一種。
7. —種制造用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器的方法，包括以下步驟 將納米線結合在固體基底的表面上；在每個所述納米線的兩端形成電極之后，用聚合物涂敷所述電極；在所述納米線之間在所述固體基底的表面上連接官能團；將戊二醛連接至所述固體基底表面上的所述官能團；和將能夠結合谷氨酸一鈉并且催化谷氨酸鹽的氧化反應的谷氨酸氧化酶 固定至戊二醛。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中谷氨酸鹽是谷氨酸一鈉和L-谷氨酸 鹽。
9. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述固體基底是硅基底或玻璃基底。
10. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述官能團是選自胺基、羧基和硫醇基中的至少一種。
11. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述納米線是選自碳納米管、硅納 米線、和氧化鋅納米線以及氧化釩納米線中的至少一種。
12. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中在所述納米線之間在所述固體基底 表面上連接官能團的所述步驟通過在具有硅烷基團的化合物中浸漬所述 基底5 ~ 20分鐘來進行。
13. —種使用根據(jù)權利要求1~6中任一項所述的生物傳感器檢測待結合 至受體的目標物質的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供生物傳感器及其制造方法，該生物傳感器通過使用具有極好電特性的納米線和通過在置于納米線與其它納米線之間的基底上固定待檢測谷氨酸鹽的受體，能夠增加目標物質谷氨酸鹽的檢測靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的用于檢測谷氨酸鹽的生物傳感器可以制造為具有納米線選擇性地布置在基質中的固體基底上的布置。由于該生物傳感器可以防止納米線電特性的降低，所以即使食品中包含少量的谷氨酸鹽也可以靈敏地檢測谷氨酸鹽，使得可以有效地用于檢測在加工食品中存在的食品添加劑。
文檔編號G01N33/53GK101438157SQ200780016189
公開日2009年5月20日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權日2006年4月4日
發(fā)明者李東埈, 李炳洋, 洪承焄 申請人:財團法人首爾大學校產學協(xié)力財團;美泰克公司