CN101776637B

CN101776637B - 一种光电化学生物传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN101776637B
Application number: CN 200910076671
Authority: CN
Inventors: 周惠琼; 唐智勇; 江雷
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-01-13
Also published as: CN101776637A

Abstract

本发明提供一种光电化学生物传感器及其制备方法，该生物传感器以具有粗糙表面的金电极作为导电电极，所述导电电极的表面具有光敏剂，所述光敏剂为具有生物分子识别基团的导电聚合物。其中粗糙金表面与光敏剂，即具有生物分子识别基团的导电聚合物复合后，不仅有利于光的捕获，而且可以促进导电聚合物的光生载流子在电极表面的传输，从而提高光电转换率，增强体系产生的光电流，达到提高光电化学生物传感器检测灵敏度的效果。该制备方法包括采用无模板，无表面活性剂参与的电化学沉积方法制备金电极的步骤。该方法简单易行，进一步提高了光电化学生物传感器制备效率。

Description

一种光电化学生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光电化学生物传感器及其制备方法，特别涉及一种利用粗糙金表面增强光电信号的光电化学生物传感器及其制备方法。

背景技术

众所周知，材料的性质尤其是界面性质，是由材料的物质组成与表面结构共同决定的。粗糙表面的纳米结构对其界面性质有很重要的影响。具有合理纳米结构的粗糙表面在很多领域都有应用，比如，1)改进光学器件的性能，包括表面扩大的拉曼散射，表面等离子体共振，减反性质等；2)显著地提高光电器件的转化效率，纳米结构表面不仅可以提供更大的表面积，还能够增强光散射，更有利于太阳光的捕获与利用；3)更容易调控表面的浸润性，例如制备超疏水的材料，单独的表面化学修饰改变了材料的物质组成，改变了其表面张力，最多只能使水滴的接触角达到120°；而材料表面的纳米结构可以促使疏水的表面更疏水，从而获得实际接触角达到接近180°的超疏水状态。另外，将纳米结构引入生物传感器的表面可以扩大响应信号的检测限以及提高检测的敏感度。

很多方法可以用来控制粗糙表面的纳米结构，如化学刻蚀，电喷技术，自组装技术(Layer-by-Layer)，电化学沉积和化学气相沉积等等。其中，电化学沉积由于其方便和简单的优点，成为最有用的在导电表面上制备纳米结构的方法之一。模板辅助电化学沉积利用模板的空间限域功能，可以直接制备形貌可控的纳米结构。然而，这种方法相对比较麻烦，需要预先制备简单廉价的模板，沉积完成后还须选择合适的方法除去模板，尽量避免破坏所得的纳米结构。为了控制产物的形貌，人们还常常在电化学沉积过程中加入添加剂。这些添加剂优先吸附于某些晶面，改变了电化学沉积过程中晶体生长的方向与速度，从而导致最终产物的不同相貌。这些添加剂有半胱氨酸、I^-，Pb⁴⁺和PVP等，分别得到了针状、球状、花状、多孔等各种不同的形貌。此外，基底的性质也是影响沉积产物形貌的重要因素。层层自组装高分子电解质多层、导电聚合物膜、溅射Au膜等都被用于修饰导电基底，得到各种形貌的产物。

光电化学生物传感器是一种便宜，具有潜在应用前景的光电器件。相对于传统的分析方法，光电化学生物传感器具有更高的灵敏度，有望实现阵列分析等优点。在这种分析方法中，导电高分子，过渡金属配合物，半导体纳米粒子及其它纳米结构广泛应用于光敏剂。光照情况下，光敏剂的电子由基态跃迁至激发态，生成电子-空穴对。如果电极具有与光敏剂导带或价带相匹配的能级，则光生电子或光生空穴转移至电极，产生光电流。这个过程中，如果待测生物分子可以特定地改变光生电流的强度，这个生物传感器就能有效地探测该生物分子。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种检测灵敏度更高的光电化学生物传感器及其制备方法。

用于实现本发明上述目的的技术方案如下：

一种光电化学生物传感器，该生物传感器以具有粗糙表面的金电极作为导电电极，所述导电电极的表面具有光敏剂，所述光敏剂为具有生物分子识别基团的导电聚合物。

在上述光电化学生物传感器中，导电聚合物优选为聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔和聚苯胺中的一种或多种。生物分子识别基团优选为生物素分子。优选地，金电极的粗糙表面具有纳米结构；更优选地，金电极粗糙表面上的纳米结构具有垂直取向，并且为单晶结构。光敏剂优选为带有生物素分子的聚噻吩。

一种上述生物传感器的制备方法，其中包括采用无模板，无表面活性剂参与的电化学沉积方法制备金电极的步骤。

具体来说，上述方法包括以下步骤：

(1)在溅射的金纳米颗粒薄膜上通过电化学沉积形成粗糙金表面；

(2)使导电聚合物复合到粗糙金表面上。

上述方法包括调节电化学沉积方法中使用的沉积电压与沉积时间以获得具有不同纳米结构的金电极粗糙表面。上述方法还包括封闭金电极表面上未复合导电聚合物的部分。

根据国内外的研究现状，本发明提出了一种利用简单的电化学沉积方法制备具有纳米结构的准一维金粗糙表面，再与具有生物素基团(biontin)的导电聚合物配合制备而成的光电化学生物传感器。粗糙金表面与光敏剂，即具有生物分子识别基团的导电聚合物复合后，不仅有利于光的捕获，而且可以促进导电聚合物的光生载流子在电极表面的传输，从而提高光电转换率，增强体系产生的光电流，达到提高光电化学生物传感器检测灵敏度的效果。本发明采用无模板、无表面活性剂参与的电化学沉积方法，在溅射的金纳米颗粒薄膜上沉积粗糙金表面，通过调节不同的沉积电压与沉积时间，得到具有不同纳米结构的金电极表面，该方法简单易行，进一步提高了光电化学生物传感器制备效率。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明，其中：

图1为溅射Au纳米粒子膜的原子力显微镜图像A)和扫描电镜图像B)，刻度尺为500纳米。

图2为在不同沉积电势和沉积时间下得到的粗糙Au表面的SEM图像。沉积电势为-0.2V，沉积时间分别为A)400s，B)800s，C)1200s；沉积时间为800s，沉积电势分别为D)-0.1V，E)-0.3V，F)-0.4V；B)中的内插图为90°侧台SEM图像，其它的均为45°斜台SEM图像。所有图片的刻度尺均为500nm。

图3为Au纳米枝表面的XRD图谱。

图4为磷酸缓冲溶液中四种PTBL/Au纳米结构电极的光电流-时间曲线，光强为110mW·cm^-2，偏压为0V。A)NPs；B)、C)、D)在沉积电势为-0.2V下分别沉积400s，800s，1200s。

图5为Au电极上光电流降低的数值与链霉亲和素浓度的关系图。实线代表PTBL/Au纳米枝复合电极，虚线代表PTBL/Au纳米粒子复合电极。内插图是在空白磷酸缓冲溶液中的对比实验结果。

具体实施方式

实施例1

光电化学生物传感器的制备及工作步骤如下：

(1)将玻璃基底置于浓硫酸和双氧水(体积比＝7∶3)的混合溶液中，加热至80℃保持5分钟(有大量气泡产生)，取出用大量二次去离子水冲洗干净，N₂气吹干。先在玻璃基底溅射上一层大约0.1～10nm厚的铬层，随后再溅射一层金膜，利用原子力显微镜(AFM)和电子扫描显微镜(SEM)观测所得的金电极形貌，如图1所示。电化学沉积实验在经典的三电极电解池中进行。以1g/L HAuCl₄和0.1M H₂SO₄的水溶液为电解液，工作电极为溅射得到的金膜电极，对电极为铂片，参比电极为标准饱和甘汞电极(SCE)，电解池是一个Teflon池子。电化学沉积前，把预先配好的电解液转移到电解池中，进行恒压电化学沉积。在-0.1～-2V沉积电势下，沉积时间0～5000s。沉积完毕后，将工作电极从电解池中取出，用二次水冲洗数次后，N₂吹干，所得粗糙金电极形貌如图2所示。

(2)把导电聚合物溶液滴到具有不同纳米结构的粗糙金电极表面(15×15mm)，然后在空气中自然晾干。光电流测试在带有石英窗口的传统三电极电解池中进行。以0.1M磷酸缓冲溶液(pH＝7.4)为电解液，工作电极为修饰了导电聚合物薄膜的粗糙金电极，对电极为铂丝，参比电极为标准饱和甘汞电极(SCE)，照射光源是CMH-250太阳光模拟器。实验中的光强是110mW/cm²。导电聚合物与不同纳米结构粗糙金表面的复合电极具有不同的光电流值，其中，导电聚合物可以为聚苯胺，聚乙炔，聚噻吩，聚吡咯等导电高分子的生物素取代衍生物，如图4所示(导电聚合物选为具有生物素侧链的聚噻吩衍生物，PTBL)。

(3)将由5％(w/v)的牛血清蛋白和0.1M的磷酸缓冲液组成的封闭液滴到导电聚合物/粗糙金电极上，在4℃下放置两个小时以阻止链霉亲和素与电极表面的非特异性吸附。用磷酸缓冲液将解冻的链霉亲和素水溶液配置成不同浓度的链霉亲和素溶液。随后把修饰上生物素膜的电极放入50μL含有不同浓度链霉亲和素的磷酸缓冲溶液中静置30分钟，用磷酸缓冲液冲洗干净，在-75mV的偏压下测量光电流。在对比实验中，重复上述过程，不同之处在于用磷酸缓冲溶液替换了链霉亲和素溶液。

在上述过程中，电化学沉积时，沉积电势为-0.2V，沉积时间为800s得到相互分离的垂直于基底的Au纳米枝结构。Au纳米枝的直径和高度分布分别为50-500nm和100-2000nm。约有超过80％的Au纳米枝垂直于基底，与基底法线方向成10°范围以内的角度。Au纳米枝的茎和分枝之间的夹角约为45°。图3为Au纳米枝电极的X射线衍射谱图，由此图可以看到Au的(111)衍射峰强度远大于(200)，(220)，(311)等，这说明了在基底上垂直取向的Au纳米枝沿着[111]方向上有择优生长。这种单晶的性质有利于载流子沿着Au纳米枝传输，因此可以改善其作为生物传感器的性能。将一定量的PTBL溶液滴到Au纳米枝表面，得到了相对均一的PTBL膜，厚度约为200nm。以磷酸缓冲溶液为电解液，PTBL/Au纳米枝复合电极的平均光电流为24.72nA·cm^-2(图4)。随后利用光电化学方法来检测PTBL/Au纳米枝复合电极与链霉亲和素的键合作用。同时，PTBL/Au纳米粒子电极被用在对比实验的研究中。光电流强度随着链霉亲和素浓度的增加呈近乎线性降低的趋势(图5)。与PTBL/Au纳米粒子复合电极比较，相同浓度的链霉亲和素所导致的PTBL/Au纳米枝复合电极的光电流降低更加显著，这也说明了PTBL/Au纳米枝复合电极对链霉亲和素具有更高的灵敏性。从光电流降低值与链霉亲和素浓度关系图上进行线性拟合，可以分别得到两条直线，从而得到PTBL/Au纳米枝复合电极和PTBL/Au纳米粒子复合电极两个体系中的斜率，前者为0.085，是后者的2.5倍。相应的对比实验显示，PTBL/Au电极在磷酸缓冲液中几乎没有光电流降低的现象(图5内插图)。这表明光电流的降低是由于链霉亲和素与电极表面的PTBL膜键合所导致的。

Claims

1.一种光电化学生物传感器，该生物传感器以具有粗糙表面的金电极作为导电电极，所述导电电极的表面具有光敏剂，所述光敏剂为带有生物素分子的导电聚合物，其中，所述金电极的粗糙表面具有纳米结构，所述金电极粗糙表面上的纳米结构具有垂直取向，并且为单晶结构。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述导电聚合物为聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔和聚苯胺中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的生物传感器，其特征在于，所述光敏剂为带有生物素分子的聚噻吩。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物传感器的制备方法，其中包括采用无模板，无表面活性剂参与的电化学沉积方法制备金电极的步骤。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）在溅射的金纳米颗粒薄膜上通过电化学沉积形成粗糙金表面；

（2）使导电聚合物复合到粗糙金表面上。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括调节电化学沉积方法中使用的沉积电压与沉积时间以获得具有不同纳米结构的金电极粗糙表面。

7.根据权利要求4或5所述的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述方法还包括封闭金电极表面上未复合导电聚合物的部分。