CN102590306A - 一种基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极 - Google Patents
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Abstract
一种基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极，由硼掺杂金刚石薄膜、氨基单分子层和酶膜层构成；其制备方法是：首先将钽片经表面预处理后，利用热丝CVD设备在钽片上沉积掺硼金刚石薄膜，然后对掺硼金刚石薄膜进行氨基化修饰，最后在氨基化的金刚石薄膜表面采用化学交联法固定抗坏血酸氧化酶；该电极可用于电化学生物传感器。本发明的优点是：该抗坏血酸氧化酶传感器电极检测限达1×10-11mol/L，且由于继承了金刚石耐腐蚀、极高的析氧过电位、宽的电势窗口、较高电化学的稳定性等优点，决定了该电极灵敏度高、重现性好、寿命长。
Description
技术领域
本发明属于电化学生物传感器领域，特别涉及一种基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极。
背景技术
抗坏血酸(维生素C)参与人体内多种代谢过程，是维持人体健康的重要维生素之一，缺乏会导致坏血病和机体抗病能力下降，因此测定血清及尿液中其含量是重要疾病诊断和营养评价指标。目前抗坏血酸的测定有碘量法、伏安法、生物传感器、HPLC、毛细管电泳法及流动注射分析等，大多涉及复杂的操作和贵重仪器。部分测定方法用于测定血清中抗坏血酸含量时，因抗污染能力差，检测灵敏度低，响应速度和重现性比较低。
在对人体血清中抗坏血酸检测时，由于抗坏血酸的氧化产物对电极产生钝化污染，造成电极“中毒”，电流减小，电化学氧化过程无法进行。同时，由于它在一般电极上有较高的过电位，而导致其测定灵敏度低、重现性差。
掺硼金刚石电极具有良好的电化学性能，能够克服一般电极在电化学分析上的不足，具有极高析氧过电位，具备自净化功能，有利于消除电极表面因生成有机物氧化膜而使电极失活的现象，不会产生钝化污染，无论在酸性、碱性或中性水溶液中都有较宽的电压窗口，具有极好的抗污染能力及较长的寿命，是普通电极无法取代的。壳聚糖修饰于电极表面可防止大分子及荷正电物质的干扰，同时对溶液中的抗坏血酸有富集作用，提高分析灵敏度。抗坏血酸氧化酶能够高效催化抗坏血酸的氧化，使电极具有极高检测灵敏度，达到极高的检测限，适合抗坏血酸的微量检测。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极，该传感器电极检测限达1×10-11mol/L，且由于继承了金刚石耐腐蚀、极高的析氧过电位、宽的电势窗口、较高电化学的稳定性等特点，决定了电极寿命更长，重现性更好。
本发明的技术方案：
一种基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极，由硼掺杂金刚石薄膜、氨基单分子层和酶膜层构成。
一种所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，步骤如下：
1)将钽片衬底表面进行预处理；
2)在预处理后的钽片衬底表面利用热丝CVD设备沉积掺硼金刚石薄膜；
3)利用光化学反应对掺硼金刚石薄膜进行氨基化修饰，制得氨基化的掺硼金刚石薄膜；
4)采用化学交联法在氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面固定抗坏血酸氧化酶，即可制得基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极。
所述钽片衬底表面预处理的方法是：先将钽片衬底机械抛光以去除表面的氧化层和污染物；然后进行金刚砂的机械研磨使钽片表面产生划伤和缺陷；最后进行表面超声处理。
所述利用热丝CVD设备沉积掺硼金刚石薄膜的方法是，将预处理后的衬底放入热丝CVD设备的反应室沉积金刚石薄膜，该热丝CVD设备以钽丝作为热源，灯丝温度为2100～2300℃，沉积工艺参数：反应气源为氢气和丙酮混合气，混合气中氢气与丙酮的流量比为100∶25～35，固体三氧化二硼为硼源，反应室的真空度小于1Pa、衬底温度为790～810℃。
所述利用光化学反应对掺硼金刚石薄膜进行氨基化修饰的方法是，将制备的掺硼金刚石薄膜放入质量百分比浓度为25％的氨水中，采用254nm紫外线照射8小时，制得氨基化的掺硼金刚石薄膜。
所述采用化学交联法在氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面固定抗坏血酸氧化酶的方法是，将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中，然后滴加到氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面，接着再滴加40μL质量百分比浓度为1％的戊二醛水溶液，干燥后放在4℃冰箱中保存。
一种所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的应用，用于电化学生物传感器的电极。
本发明的出发点在于掺硼金刚石兼具高抗腐蚀性和良好导电导热性、极好的抗污染能力及较长的寿命，且具有宽的电势窗口、低背景电流、化学和电化学的稳定性高的特点，依此制成的抗坏血酸传感器电极具有极大检测限和检测灵敏度高、抗污染能力强、重复性好等优势。
本发明的创新之处在于，本发明所述抗坏血酸传感器电极采用热丝CVD方法沉积的掺硼金刚石薄膜电极。硼掺杂金刚石膜(BDD)兼具金刚石优异的物理化学性能和较高的导电性，禁带宽度、临界击穿电场强度、载流子的饱和漂移速率以及迁移率都非常大，介电常数小，具有良好的半导体性能；电化学性能稳定，电化学窗口宽，背景电流很低，具有很强的抗污染能力与抗腐蚀能力，使用寿命长。依此制成的抗坏血酸氧化酶传感器兼具高灵敏度和很强抗污染能力，达到极高的检测限和重现性。
本发明与现有技术相比，该抗坏血酸传感器电极具有以下特殊优良性质：
1)金刚石电极具有很宽的电化学势窗，可以避免抗坏血酸的氧化产物对电极产生钝化污染；
2)壳聚糖修饰与电极表面可防止大分子及荷正电物质的干扰，同时对溶液中的抗坏血酸有富集作用，提高分析灵敏度；
3)修饰抗坏血酸氧化酶能够高效催化抗坏血酸的氧化，使电极具有极高检测灵敏度，达到极高的检测限，适合抗坏血酸的微量检测。
附图说明
图1为本发明所述传感器电极在不同浓度抗坏血酸溶液中的循环伏安曲线，图中：1、2、3、4、5表示抗坏血酸溶液的浓度分别为1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L、1×10-7mol/L、1×10-8mol/L。
图2为本发明所述传感器电极的检测线性曲线。
图3为掺硼金刚石薄膜SEM照片。
图4为掺硼金刚石薄膜的拉曼光谱，图中：(a)为1332cm-1处sp3键碳的特征峰，(b)为1556cm-1处sp2键碳的特征峰。
具体实施方式
实施例：
一种所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，步骤如下：
1)将钽片衬底表面进行预处理：先将钽片衬底机械抛光以去除表面的氧化层和污染物，然后进行金刚砂的机械研磨使钽片表面产生划伤和缺陷，最后进行表面超声处理；
2)在预处理后的钽片衬底表面利用热丝CVD设备沉积掺硼金刚石薄膜：将预处理后的衬底放入热丝CVD设备的反应室沉积金刚石薄膜，该热丝CVD设备以钽丝作为热源，灯丝温度为2200℃，沉积工艺参数：反应气源为氢气和丙酮混合气，混合气中氢气与丙酮的流量比为100∶25～35，固体三氧化二硼为硼源，反应室的真空度小于1Pa、衬底温度为790～810℃；通过扫描电子显微镜对金刚石薄膜的表面形貌进行观察，得到掺硼金刚石薄膜SEM照片，如图3所示；使用拉曼光谱来鉴别金刚石薄膜的纯度，如图4所示，(a)为1332cm-1处sp3键碳的特征峰，(b)为1556cm-1处sp2键碳的特征峰，二者谱峰强度对比表明金刚石膜的质量很好；
3)利用光化学反应对掺硼金刚石薄膜进行氨基化修饰，制得氨基化的掺硼金刚石薄膜：将制备的掺硼金刚石薄膜放入质量百分比浓度为25％的氨水中，采用254nm紫外线照射8小时，制得氨基化的掺硼金刚石薄膜；
4)采用化学交联法在氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面固定抗坏血酸氧化酶，将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中，然后滴加到氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面，接着再滴加40μL质量百分比浓度为1％的戊二醛水溶液，干燥后放在4℃冰箱中保存，即为制得的基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极。
将制备的该基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极，应用于电化学生物传感器，采用循环伏安法研究该传感器检测抗坏血酸浓度的电流响应，显示该抗坏血酸氧化酶传感器具有极高的检测限，可达1×10-11mol/L。在不同浓度抗坏血酸溶液中以100mV速度扫描的循环伏安曲线如图1所示，表明该氧化酶传感器对抗坏血酸表现出很好的电催化性能。图2为本发明所述传感器电极的检测线性曲线，表明该传感器在抗坏血酸浓度10-4～10-8范围内具有良好的线性关系。实验表明：该抗坏血酸氧化酶传感器灵敏度高、操作简便、重现性好，同一电极三个月内在1×10-4mol/L的抗坏血酸溶液进行500次重复测定，电流输出稳定。
Claims (7)
1.一种基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极，其特征在于：由硼掺杂金刚石薄膜、氨基单分子层和酶膜层构成。
2.一种如权利要求1所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)将钽片衬底表面进行预处理；
2)在预处理后的钽片衬底表面利用热丝CVD设备沉积掺硼金刚石薄膜；
3)利用光化学反应对掺硼金刚石薄膜进行氨基化修饰，制得氨基化的掺硼金刚石薄膜；
4)采用化学交联法在氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面固定抗坏血酸氧化酶，即可制得基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极。
3.根据权利要求2所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，其特征在于，所述钽片衬底表面预处理的方法是：先将钽片衬底机械抛光以去除表面的氧化层和污染物；然后进行金刚砂的机械研磨使钽片表面产生划伤和缺陷；最后进行表面超声处理。
4.根据权利要求2所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，其特征在于：所述利用热丝CVD设备沉积掺硼金刚石薄膜的方法是，将预处理后的衬底放入热丝CVD设备的反应室沉积金刚石薄膜，该热丝CVD设备以钽丝作为热源，灯丝温度为2100～2300℃，沉积工艺参数：反应气源为氢气和丙酮混合气，混合气中氢气与丙酮的流量比为100∶25～35，固体三氧化二硼为硼源，反应室的真空度小于1Pa、衬底温度为790～810℃。
5.根据权利要求2所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，其特征在于：所述利用光化学反应对掺硼金刚石薄膜进行氨基化修饰的方法是，将制备的掺硼金刚石薄膜放入质量百分比浓度为25％的氨水中，采用254nm紫外线照射8小时，制得氨基化的掺硼金刚石薄膜。
6.根据权利要求2所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的制备方法，其特征在于：所述采用化学交联法在氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面固定抗坏血酸氧化酶的方法是，将500unit抗坏血酸氧化酶溶于100μL质量百分比浓度为1％的壳聚糖醋酸溶液中，然后滴加到氨基化修饰的掺硼金刚石薄膜表面，接着再滴加40μL质量百分比浓度为1％的戊二醛水溶液，干燥后放在4℃冰箱中保存。
7.一种如权利要求1所述基于掺硼金刚石薄膜的抗坏血酸氧化酶传感器电极的应用，其特征在于：用于电化学生物传感器的电极。
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