CN101271078B - 一种生物化学传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种生物化学传感器的制备方法是一种用简单的液相方法在经过处理的金或铂丝/片上生长氧化锌纳米结构，进而通过生物分子的多层组装构建生物/化学传感器的方法。该方法首先以锌或氧化锌作原料在水中直接将氧化锌纳米结构生长在导电衬底上，构成生物/化学传感器的电极，经生物分子多层组装建立生物/化学传感器。这种液相合成方法配方简单，制备的氧化锌纳米结构形貌均一，尺度均匀，与衬底材料结合牢固，且可以在氧化锌纳米结构表面进行多层生物分子的组装，为利用简单方法构建生物/化学传感器提供了一条可行的途径。用此方法制得的生物/化学传感器工艺简单，操作方便，且灵敏度、检测限和稳定性明显高于传统的传感器。

Description

一种生物化学传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用锌或氧化锌粉末为原料在水中进行简单的化学反应在经过处理的金、铂等导电材料表面生长氧化锌纳米结构的方法，以及用这种方法制得的电极经过单层或多层生物分子组装后构建生物/化学传感器的方法。

背景技术

纳米结构氧化锌除了独特的半导体光电特性之外，还具有对生物安全无毒、能与蛋白质等生物分子以氢键或其他方式螯合并能很好的保持其生物活性、具有较高等电点等优异的性能，这使其在生物/化学传感器方面具有重要的应用。

目前，利用纳米材料构建生物/化学传感器的方法主要有聚合物膜包埋法、聚合物自组装与接枝共聚法等，这些方法的共同之处是利用导电聚合物(如萘酚)将预先制得的纳米材料粘接于电极之上，其工艺复杂，对导电聚合物要求较高。

目前纳米氧化锌的合成主要有气相传输法、水热法等。气相传输法温度高，形貌和尺寸不易控制，一般的电极材料难以直接生长纳米氧化锌。水热法需加入锌盐、碱、氨或铵化合物等，且得到的纳米氧化锌与衬底材料结合不牢固。

这些都是纳米材料生物/化学传感器发展中存在的关键问题。

因此，在电极材料上低温可控的直接生长出形貌均匀、尺度均一、没有杂质且与电极材料结合牢固的纳米氧化锌，并进一步开发性能稳定的，高灵敏度、低检测限的生物/化学传感器就具有非常重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种生物化学传感器的制备方法，该传感器的检测限低、灵敏度高、稳定性好。

技术方案：在本发明中，利用简单的化学反应把纳米氧化锌直接生长在经过处理的电极表面，得到了形貌均匀，尺度均一且与电极材料结合牢固的纳米氧化锌电极，成功解决了纳米材料与电极材料的结合问题。在这种电极上进行单层或多层生物分子的组装，形成生物/化学传感器。

附图为本发明的技术流程图。具体制备方法详述如下：

第一步：在金丝或铂丝一端烧熔成一个小球，再在该小球表面蒸镀一层180～220纳米厚的锌，加温至280～320℃氧化0.5～1.5小时，取出后用1.5～2.5M KOH煮沸1.5～2.5小时，取出后用去离子水清洗，按体积比再放置于含25～35％H₂O₂的H₂SO₄中25～35分钟后取出，再用去离子水清洗，常温干燥；

第二步：将锌或氧化锌粉末和去离子水混合超声波处理、静置后，倾去水，按重量比，把锌或氧化锌和水按1∶100混合转移至高压釜中，静置至无悬浮颗粒，将第一步处理过的金丝或铂丝浸入水中，不触及底部的锌或氧化锌粉末；密封，加热至85～95℃，保持10～14小时；自然冷却至室温，取出，用去离子水清洗，室温干燥，得到生长有纳米氧化锌的电极；

第三步：利用氧化锌IEP＝9.4的高等电点的特性把第二步制得的电极在PH＝7条件下浸入IEP≤5.5的生物分子溶液中8～12小时，取出用去离子水清洗，室温干燥，即得单层修饰的电极；单层修饰的电极再置于0.5％聚赖氨酸溶液中浸泡10～20分钟，再次浸入上述生物分子溶液中8～12小时，取出用去离子水清洗，即可得两层组装电极，重复上述步骤，得到多层组装电极；

第四步：用第三步组装好的多层组装电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，组成三电极体系，用PH＝7的0.01～0.1M磷酸氢钠、磷酸二氢钠缓冲溶液作为电解液构建生物/化学传感器，连接电化学工作站，对相应的目标分子进行电化学测定。

所述IEP≤5.5的生物分子为酪氨酸酶、尿酸酶或葡萄糖氧化酶。

所述正电性聚合物稀溶液为聚赖氨酸溶液。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明氧化锌纳米材料电极制备工艺及设备简单，只需要普通的100mL聚四氟乙烯高压釜即可。生长温度低，温度低于95℃。没有异种杂质离子，整个反应体系只有锌或氧化锌和水，不会引入异种杂质缺陷。

2.本发明制备的纳米氧化锌尺寸均一，形貌均匀，条件可控，可重复性强。

3.本发明制备的纳米氧化锌与衬底结合牢固，不易脱落，不需要借助其他分子固定，可进行多层生物分子组装，组装后可直接用于构建纳米氧化锌生物/化学传感器。

4.本发明以所制备的纳米氧化锌电极为基础，采用了生物分子的多层组装技术，构建的生物化学传感器灵敏度高，检测限低，时间响应快，稳定性好。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方法

第一步：在金丝或铂丝一端烧熔成一个小球，再在小球表面蒸镀一层约200纳米厚的锌，放在管式炉里在300℃左右氧化1小时，取出后用2M KOH煮沸2小时，取出后用去离子水清洗，再放置于含30％H₂O₂的H₂SO₄(体积比)中30分钟后取出，再用去离子水清洗，常温干燥。

第二步：将锌或氧化锌粉末和去离子水混合超声20分钟，静置30分钟，倾去水，把锌或氧化锌和水按1∶100(w)混合转移至高压釜中，静置至无悬浮颗粒，将第一步处理过的金或铂浸入水中，不触及源材料。密封，加热至90℃，保持12小时。自然冷却至室温，取出，用去离子水清洗，室温干燥，得到生长有纳米氧化锌的电极。

第三步：利用氧化锌的高等电点(PI＝9.4)把第二步制得的电极在中性条件下浸入低等电点生物分子，如酪氨酸酶(TYR)，葡萄糖氧化酶等溶液中10小时，取出用去离子水清洗，室温干燥，即得单层修饰的电极，单层电极再置于正电性聚合物稀溶液(如0.5％聚赖氨酸(PLL))中浸泡15分钟，再次浸入原酶溶液中10小时，取出用去离子水清洗，即可得两层组装电极，重复上述步骤，得到多层组装电极。此电极在不用时放置冰箱中4℃保存。

第四步：用第三步组装好的电极构建生物/化学传感器，进行电化学测量。利用组装有多层生物分子(如多层酪氨酸酶、葡萄糖氧化酶等)的电极构建的生物/化学传感器对相应的检测目标(如苯酚，邻苯二酚、葡萄糖等)进行测定，建立浓度，时间，灵敏度等传感特性。

在金丝上生长氧化锌，组装酪氨酸酶(TYR)，并测定苯酚具体实施例，详细描述如下：

第一步：把金丝一端烧熔成为一个小球，在其表面蒸镀一层约200纳米厚的锌，在中温管式炉中300℃氧化1小时，取出置2MKOH中煮沸回流2小时，取出用去离子水清洗，置含体积比30％H₂O₂的H₂SO₄溶液中30分钟，取出用去离子水清洗。

第二步：将锌或氧化锌粉末悬浮在去离子水中超声20分钟，静置30分钟，倾去水，再按锌或氧化锌与去离子水质量比1∶100混合置于高压釜中，静置5小时。

第三步：小心将第一步处理过的金丝垂直悬浮于水中(不接触底部锌或氧化锌粉末)，将容器密闭，放置衡温炉中保持90℃12小时。自然降温至室温，取出金丝用去离子水清洗，室温干燥。

第四步：将第三步得到的电极浸入2mg/mL酪氨酸酶(TYR)溶液中，4℃10小时，取出放入0.5％聚赖氨酸(PLL)溶液中15分钟，再取出放入原酪氨酸酶溶液中4℃10小时，取出用去离子水清洗，室温干燥，得两层组装酪氨酸酶的电极。

第五步：用第四步制得的电极构建三电极体系生物化学传感器，进行电化学测量。获得该传感器对苯酚的检测结果：检测限为0.8μM，灵敏度为50μA/mM，达到95％稳定电流值的响应时间小于5s。

Claims (2)

1.一种生物化学传感器的制备方法，其特征在于该制备方法为：

第一步：在金丝或铂丝一端烧熔成一个小球，再在该小球表面蒸镀一层180～220纳米厚的锌，加温至280～320℃氧化0.5～1.5小时，取出后用1.5～2.5M KOH煮沸1.5～2.5小时，取出后用去离子水清洗，再放置于按体积比含25～35％H₂O₂的H₂SO₄中25～35分钟后取出，再用去离子水清洗，常温干燥；

第二步：将锌或氧化锌粉末和去离子水混合超声波处理、静置后，倾去水，按重量比，把锌或氧化锌和水按1∶100混合转移至高压釜中，静置至无悬浮颗粒，将第一步处理过的金丝或铂丝浸入水中，不触及底部的锌或氧化锌粉末；密封，加热至85～95℃，保持10～14小时；自然冷却至室温，取出，用去离子水清洗，室温干燥，得到生长有纳米氧化锌的电极；

第三步：利用氧化锌IEP＝9.4的高等电点的特性把第二步制得的电极在PH＝7条件下浸入IEP≤5.5的生物分子溶液中8～12小时，取出用去离子水清洗，室温干燥，即得单层修饰的电极；单层修饰的电极再置于0.5％聚赖氨酸溶液中浸泡10～20分钟，再次浸入上述生物分子溶液中8～12小时，取出用去离子水清洗，即可得两层组装电极，重复上述步骤，得到多层组装电极；

第四步：用第三步组装好的多层组装电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，组成三电极体系，用PH＝7的0.01～0.1M磷酸氢钠、磷酸二氢钠缓冲溶液作为电解液构建生物/化学传感器，连接电化学工作站，对相应的目标分子进行电化学测定。

2.根据权利要求1所述的生物化学传感器的制备方法，其特征在于所述IEP≤5.5的生物分子为酪氨酸酶、尿酸酶或葡萄糖氧化酶。

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