專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微傳感技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物、食品加工、電化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，特別涉及一種用于人體血液和尿液中葡萄糖濃度檢測(cè)的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
葡萄糖是生命體非常關(guān)鍵的代謝物。對(duì)糖尿病患者來(lái)說(shuō)，精確快速地確定血液和尿液中的葡萄糖濃度一直是很重要的臨床檢測(cè)項(xiàng)目。目前以葡萄糖氧化酶與傳感器用電極間的直接電子轉(zhuǎn)移為主要特征的第三代葡萄糖傳感器正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，其研究重點(diǎn)主要包括葡萄糖氧化酶與被測(cè)葡萄糖之間的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、用于電子直接輸運(yùn)和增大酶吸附面積的材料選擇、基底電極結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)等三方面。在上述材料選擇方面，ZnO納米線(xiàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)而逐漸應(yīng)用于葡萄糖傳感器用電極中，表面體積比大，無(wú)毒，具有生物兼容性，電化學(xué)特性穩(wěn)定，電子轉(zhuǎn)移能力很強(qiáng)等。最重要的是，它具有較高的等電點(diǎn)(IEP、. 5ev)，可以吸附等電點(diǎn)較低的酶或蛋白質(zhì)(如葡萄糖氧化酶，IEP 4. 2ev)。在pH為7. 4時(shí)，帶正電的ZnO納米線(xiàn)不僅為固定帶負(fù)電的葡萄糖氧化酶提供良好的微環(huán)境，而且大范圍地促進(jìn)了葡萄糖氧化酶和電極之間的電子轉(zhuǎn)移。基于ZnO納米線(xiàn)的葡萄糖傳感器用電極，采用ZnO納米線(xiàn)修飾傳感器用電極表面，并依靠帶正電的ZnO納米線(xiàn)將帶負(fù)電的葡萄糖氧化酶固定在傳感器用電極表面，然后利用固定在傳感器電極表面的葡萄糖氧化酶作為識(shí)別元件，通過(guò)測(cè)量在酶催化作用下電極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)。為了提高該類(lèi)傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度、使用壽命，降低最低檢出限等性能，以及防止葡萄糖氧化酶的脫落與流失而降低酶的催化效率，故研究重點(diǎn)主要集中在增大基底電極的吸附面積、葡萄糖氧化酶的可靠吸附等兩個(gè)方面。Tao Kong用電化學(xué)沉積法在平面金電極上沉積ZnO納米棒，然后用氫氧化鈉溶液將ZnO納米棒刻蝕成ZnO納米管，并在ZnO納米管上固定葡萄糖氧化酶，最后在傳感器的金電極表面沉積一層Nafion薄膜，得到相應(yīng)的葡萄糖傳感器用電極；Wei通過(guò)水熱法先在平面金電極上生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)，然后在ZnO納米棒上固定一層葡萄糖氧化酶，最終制備出了需要的葡萄糖傳感器用電極。上述基于ZnO納米線(xiàn)的葡萄糖傳感器用電極在不同程度上都增大了傳感器用電極的有效作用面積，并提高了葡萄糖氧化酶的固定效率。但是由于該類(lèi)葡萄糖傳感器用電極是平面結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)尺寸大，不易于微型化，電極吸附面積增加不顯著；另外還要在平面基底上濺射一層金膜作為電極，這對(duì)加工設(shè)備及制備環(huán)境要求高，故不宜控制生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極及其制備方法，按本發(fā)明的制備方法制成的傳感器用電極的催化效率高、響應(yīng)速度快、對(duì)葡萄糖的檢出限低、信噪比高、制造工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備要求相對(duì)較低、成本比較低廉、尺度小。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極，包括作為基底的光纖纖芯，以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯上的鍵合金絲，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分和引線(xiàn)部分，一層沿螺旋線(xiàn)部分的螺旋線(xiàn)表面法線(xiàn)方向生長(zhǎng)的ZnO納米線(xiàn)，一層固定在ZnO納米線(xiàn)上的葡萄糖氧化酶。所述的光纖纖芯的長(zhǎng)度為30mm,直徑為125 μ m。所述的鍵合金絲的長(zhǎng)度為80mm,直徑為30 μ m。所述的ZnO納米線(xiàn)采用水熱法沿鍵合金絲螺旋線(xiàn)表面的法線(xiàn)方向上生長(zhǎng)。本發(fā)明的制備方法包括以下步驟I)取長(zhǎng)度為30mm的光纖，用丙酮浸泡并剝?nèi)ス饫w包層，抽出直徑為125 μ m的光纖纖芯；2)取長(zhǎng)度為80mm、直徑為30 μ m的鍵合金絲；3)將鍵合金絲以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯上，形成螺旋線(xiàn)組件，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分和引線(xiàn)部分，并對(duì)該螺旋線(xiàn)組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；4)配制濃度為lmmol/L的ZnO 納米線(xiàn)種子層溶液；5)將鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分浸入ZnO納米線(xiàn)種子層溶液，保持2分鐘后取出，在鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分上沉積ZnO納米線(xiàn)種子層；6)將沉積有ZnO納米線(xiàn)種子層的螺旋線(xiàn)組件置于150°C的真空干燥機(jī)中完成退火處理；7)配制濃度為O. 025mol/L的ZnO納米線(xiàn)生長(zhǎng)液；8)采用水熱法于90°C下沿鍵合金絲的螺旋線(xiàn)表面法線(xiàn)方向上生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)，得到微納米跨尺度結(jié)構(gòu)；9)超聲清洗長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的螺旋線(xiàn)組件，并在室溫下干燥；10)配制濃度為O. 01mol/L、pH為7. 4的磷酸鹽緩沖液；11)將葡萄糖氧化酶加入到上述磷酸鹽緩沖液中配制濃度為10mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液；12)將生長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分浸入葡萄糖氧化酶溶液中保持15分鐘后取出，并在室溫下干燥，得到一層固定在ZnO納米線(xiàn)上的、用于催化作用的葡萄糖氧化酶；13)將光纖纖芯末端以及鍵合金絲引線(xiàn)部分穿過(guò)塑料吸管的進(jìn)口，并從塑料吸管末端露出，同時(shí)確保鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分處于塑料吸管進(jìn)口的外端面，然后往塑料吸管中注入環(huán)氧樹(shù)脂，并在室溫下使之固化。本發(fā)明將跨尺度微納米結(jié)構(gòu)的思路引入到基于ZnO納米線(xiàn)的葡萄糖傳感器用電極設(shè)計(jì)中，其顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括以下三方面1、將鍵合金絲(電極材料)繞制在圓柱型光纖纖芯上，形成螺旋線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)(低頻空間結(jié)構(gòu)，尺度在微米級(jí)，可擴(kuò)展至其它低頻基底結(jié)構(gòu))，其次在鍵合金絲的螺旋線(xiàn)部分基于水浴法生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)(高頻空間結(jié)構(gòu)，尺度在納米級(jí))，形成微納米跨尺度結(jié)構(gòu)，用來(lái)增大葡萄糖氧化酶的吸附面積；
2、在上述跨尺度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改善ZnO納米線(xiàn)的工藝參數(shù)以形成特定的隨機(jī)粗糙表面(如高斯、非高斯、自仿射分型等高頻結(jié)構(gòu)表面)，用于增強(qiáng)緩沖液在螺旋線(xiàn)形電極上的吸附和葡萄糖氧化酶在電極上的固定等效果，從而大幅提高葡萄糖傳感器用電極的催化效率；3、由于鍵合金絲電極是繞制在光纖纖芯上的，不需用微細(xì)加工設(shè)備，而且光纖纖芯剛度和強(qiáng)度高、尺寸小，這些特點(diǎn)不但使該傳感器電極易于使用、便于檢測(cè)和微型化，另外還降低了對(duì)制備工藝要求。本發(fā)明的有益效果是，將鍵合金絲(電極材料)繞制在圓柱型光纖纖芯上，形成螺旋線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)，其次在鍵合金絲的螺旋線(xiàn)部分基于水浴法生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)，形成微納米跨尺度結(jié)構(gòu)，用來(lái)增大葡萄糖氧化酶的吸附面積；在上述跨尺度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改善ZnO納米線(xiàn)的工藝參數(shù)以形成特定的隨機(jī)粗糙表面，用于增強(qiáng)緩沖液在螺旋線(xiàn)形電極上的吸附和葡萄糖氧化酶在電極上的固定等效果，從而大幅提高葡萄糖傳感器用電極的催化效率；由于鍵合金絲電極是繞制在光纖纖芯上的，不需用微細(xì)加工設(shè)備，而且光纖纖芯剛度和強(qiáng)度高、尺寸小，這些特點(diǎn)不但使該傳感器用電極易于使用、便于檢測(cè)和微型化，另外還降低了對(duì)制備工藝要求。該發(fā)明所制備的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極不僅可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中人體血液和尿液中葡萄糖濃度的檢測(cè)，而且可以應(yīng)用于生物、食品加工、電化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的葡萄糖濃度的檢測(cè)。


圖1是本發(fā)明未經(jīng)封裝的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖生物傳感器電極的示意圖；其中圖1a是固定葡萄糖氧化酶后的螺旋線(xiàn)組件，圖1b為圖1a的局部放大圖；圖2是本發(fā)明將鍵合金絲以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯上形成的螺旋線(xiàn)組件示意圖；圖3是本發(fā)明在鍵合金絲的螺旋線(xiàn)表面沿法線(xiàn)方向生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)以后的示意圖；其中圖3a是長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的螺旋線(xiàn)組件，圖3b是圖3a的局部放大圖；圖4是本發(fā)明在ZnO納米線(xiàn)上固定葡萄糖氧化酶以后的示意圖；圖4a是固定葡萄糖氧化酶后的螺旋線(xiàn)組件，圖4b是圖4a的局部放大圖；圖5是本發(fā)明引線(xiàn)、封裝后的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明如圖1，本發(fā)明包括作為基底的光纖纖芯1(長(zhǎng)度為30mm，直徑為125 μ m)，以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯1上的鍵合金絲(長(zhǎng)度為80mm，直徑為30 μ m)，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分2和引線(xiàn)部分3，一層沿螺旋線(xiàn)部分2的螺旋線(xiàn)表面法線(xiàn)方向生長(zhǎng)的ZnO納米線(xiàn)4，一層固定在ZnO納米線(xiàn)4上的葡萄糖氧化酶5。如圖2、圖3、圖4、圖5所示，上述基于ZnO納米線(xiàn)的葡萄糖傳感器用電極的制備方法包括以下步驟1)取長(zhǎng)度為30mm的光纖,用丙酮浸泡并剝?nèi)ス饫w包層,抽出直徑為125 μ m的光纖纖芯I ;2)取長(zhǎng)度為80mm、直徑為30 μ m的鍵合金絲；3)標(biāo)準(zhǔn)清洗光纖纖芯和鍵合金絲，首先采用丙酮超聲清洗5分鐘，然后用去離子水超聲清洗2分鐘，而后用無(wú)水乙醇超聲清洗2分鐘，再用去離子水超聲清洗2分鐘，最后在真空干燥機(jī)中150°C烘干；4)將鍵合金絲以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯I上，形成螺旋線(xiàn)組件，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分2和引線(xiàn)部分3，首先用丙酮超聲清洗3分鐘，然后用去離子水超聲清洗I分鐘，再用無(wú)水乙醇超聲清洗2分鐘，再用去離子水超聲清洗I分鐘，最后在真空干燥機(jī)中150°C烘干，如圖2 ；5)用電子秤稱(chēng)取O. 06585g乙酸鋅(C4H6O4Zn · 2H20)，放入50mL燒杯中，加入24mL無(wú)水乙醇；將燒杯放在磁力攪拌機(jī)上，以2000r/min的轉(zhuǎn)速邊加熱邊攪拌,直至完全溶解，自然冷卻至室溫；取出4mL乙酸鋅溶液，加入32mL無(wú)水乙醇，用保鮮膜封住燒杯口，放入水浴箱中65°C加熱5分鐘；6)用電子秤稱(chēng)取O. 024g氫氧化鈉(NaOH)，放入50mL燒杯中，加入30mL無(wú)水乙醇；將燒杯放在磁力攪拌機(jī)上，以2000r/min的轉(zhuǎn)速邊加熱邊攪拌,直至完全溶解，自然冷卻至室溫；取4mL氫氧化鈉溶液，加入IOmL無(wú)水乙醇，用保鮮膜封住燒杯口，放入水浴箱中65°C加熱5分鐘；7)將步驟5)和步驟6)分別得到的乙酸鋅溶液和氫氧化鈉溶液混合，用保鮮膜封住燒杯口，放入水浴箱中65°C加熱30分鐘；取出后，自然冷卻至室溫，便可得到濃度為lmmol/L的ZnO納米線(xiàn)種子層溶液；8)用夾具夾持住上述螺旋線(xiàn)組件的光纖纖芯末端，并將鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分浸入ZnO納米線(xiàn)種子層溶液中保持2分鐘，并在150°C氛圍下完成退火處理，重復(fù)三次；9)分別稱(chēng)取3. 71g硝酸鋅(Zn (NO3)2 · 6H20),1. 75g六次甲基四胺(C6H12N4)，放入500mL燒杯中，加入500mL去離子水,在磁力攪拌機(jī)上，以3000r/min的轉(zhuǎn)速邊加熱邊攪拌，加熱至90°C即可，便可得到濃度為O. 025mol/L的ZnO納米線(xiàn)生長(zhǎng)液；10)生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)，將用夾具夾持的上述光纖纖芯放入燒杯中，加入步驟9)所配制的ZnO納米線(xiàn)生長(zhǎng)液，用保鮮膜封住燒杯口，放入水浴鍋中90°C生長(zhǎng)120分鐘，得到微納米跨尺度結(jié)構(gòu)，如圖3 ；11)清洗長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的鍵合金絲，用去離子水超聲清洗長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的鍵合金絲5分鐘，室溫下干燥；12)配制濃度為O. 01mol/L,pH值為7. 4的磷酸鹽緩沖液，稱(chēng)取2. 9009g磷酸氫二鈉(Na2HPO4 · 12H20),0. 2964g 磷酸二氫鈉(NaH2PO4 *2H20),0. 7455g 氯化鉀(KCl)，加去離子水稀釋?zhuān)ＡО魯嚢?，然后定容至IOOOmL ；13)配制濃度為10mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液,稱(chēng)取O. 05g葡萄糖氧化酶,加入5mL的上述磷酸鹽緩沖液，攪拌均勻；14)將長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分浸入磷酸鹽緩沖液(濃度為0. 01M,PH為7. 4)中，先形成親水的表面，再將 其浸入步驟13)所配制的葡萄糖氧化酶溶液中15分鐘，取出后，室溫下干燥20分鐘，如圖4 ；15)將光纖纖芯末端以及鍵合金絲引線(xiàn)部分穿過(guò)塑料吸管7的進(jìn)口，并從塑料吸管末端露出，同時(shí)確保鍵合金絲的螺旋線(xiàn)部分處于塑料吸管進(jìn)口的外端面，然后往塑料吸管中注入環(huán)氧樹(shù)脂6，并在室溫下使之固化；最終得到基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極，如圖5。
權(quán)利要求
1.一種基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極，其特征在于包括作為基底的光纖纖芯(I )，以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯(I)上的鍵合金絲，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分(2)和引線(xiàn)部分(3)，一層沿螺旋線(xiàn)部分(2)的螺旋線(xiàn)表面法線(xiàn)方向生長(zhǎng)的ZnO納米線(xiàn)(4 )，一層固定在ZnO納米線(xiàn)(4 )上的葡萄糖氧化酶(5 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極，其特征在于所述的光纖纖芯(O的長(zhǎng)度為30mm,直徑為125 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極，其特征在于所述的鍵合金絲的長(zhǎng)度為80mm,直徑為30 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極，其特征在于所述的ZnO納米線(xiàn)采用水熱法沿鍵合金絲螺旋線(xiàn)表面的法線(xiàn)方向上生長(zhǎng)。
5.一種基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)取長(zhǎng)度為30mm的光纖,用丙酮浸泡并剝?nèi)ス饫w包層,抽出直徑為125μ m的光纖纖芯(O; 2)取長(zhǎng)度為80mm、直徑為30μ m的鍵合金絲； 3)將鍵合金絲以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯(I)上，形成螺旋線(xiàn)組件，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分(2)和引線(xiàn)部分(3)，并對(duì)該螺旋線(xiàn)組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗； 4)配制濃度為lmmol/L的ZnO納米線(xiàn)種子層溶液； 5)將鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分(2)浸入ZnO納米線(xiàn)種子層溶液，保持2分鐘后取出，在鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分(2)上沉積ZnO納米線(xiàn)種子層； 6)將沉積有ZnO納米線(xiàn)種子層的螺旋線(xiàn)組件置于150°C的真空干燥機(jī)中完成退火處理； 7)配制濃度為O.025mol/L的ZnO納米線(xiàn)生長(zhǎng)液； 8)采用水熱法于90°C下沿鍵合金絲的螺旋線(xiàn)表面法線(xiàn)方向上生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)，得到微納米跨尺度結(jié)構(gòu)； 9)超聲清洗長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的螺旋線(xiàn)組件，并在室溫下干燥； 10)配制濃度為O.Olmol/L、pH為7. 4的磷酸鹽緩沖液； 11)將葡萄糖氧化酶加入到上述磷酸鹽緩沖液中配制濃度為10mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液； 12)將生長(zhǎng)有ZnO納米線(xiàn)的鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分浸入葡萄糖氧化酶溶液中保持15分鐘后取出，并在室溫下干燥，得到一層固定在ZnO納米線(xiàn)上的、用于催化作用的葡萄糖氧化酶； 13)將光纖纖芯末端以及鍵合金絲引線(xiàn)部分穿過(guò)塑料吸管的進(jìn)口，并從塑料吸管末端露出，同時(shí)確保鍵合金絲螺旋線(xiàn)部分處于塑料吸管進(jìn)口的外端面，然后往塑料吸管中注入環(huán)氧樹(shù)脂，并在室溫下使之固化。
全文摘要
一種基于ZnO納米線(xiàn)的跨尺度葡萄糖傳感器用電極及其制備方法，包括作為基底的光纖纖芯，以螺旋線(xiàn)方式繞制在光纖纖芯上的鍵合金絲，其中鍵合金絲分為螺旋線(xiàn)部分和引線(xiàn)部分，采用水熱法沿螺旋線(xiàn)部分的螺旋線(xiàn)表面法線(xiàn)方向生長(zhǎng)的ZnO納米線(xiàn)，固定在ZnO納米線(xiàn)上的葡萄糖氧化酶。本發(fā)明將鍵合金絲繞制在圓柱型光纖纖芯上，形成螺旋線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)，其次在鍵合金絲的螺旋線(xiàn)部分基于水浴法生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)，形成微納米跨尺度結(jié)構(gòu)，用來(lái)增大葡萄糖氧化酶的吸附面積；在上述跨尺度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改善ZnO納米線(xiàn)的工藝參數(shù)以形成特定的隨機(jī)粗糙表面，用于增強(qiáng)緩沖液在螺旋線(xiàn)形電極上的吸附和葡萄糖氧化酶在電極上的固定等效果，從而大幅提高葡萄糖傳感器用電極的催化效率。
文檔編號(hào)G01N27/327GK103063720SQ20131000063
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者景蔚萱, 周帆, 陳路加, 牛玲玲, 王兵, 齊含, 蔣莊德 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)