CN103105423B - 带有纳米点阵列的叉指电极及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有纳米点阵列的叉指电极，其是以金属叉指电极阵列为本体，金属叉指电极阵列的间隙中植入有金属纳米点结构阵列。本发明带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，包括以下步骤：首先在玻璃片表面形成单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列；然后在其上沉积金属膜，金属膜的沉积厚度低于纳米球高度的1/2，然后去除纳米球得到金属纳米点阵列；在金属纳米点阵列上沉积金属膜，在金属膜表面上形成光刻胶勾勒的电极图案，再湿法腐蚀，直至金属纳米点阵列重新暴露，制备得到带有纳米点阵列的叉指电极。本发明的叉指电极可用作生物传感器，具有兼容性好、效率高、成本低、灵敏度高等优点。

Description

带有纳米点阵列的叉指电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物分析检测技术领域，尤其涉及一种可用于生物化学物质检测的叉指电极及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着人民生活水平的不断提高，人们对食品安全领域愈加关注，三聚氰胺、瘦肉精、地沟油、瓜果蔬菜的农药残留等食品安全问题也备受瞩目，急需对自身饮食安全进行准确的判别，这就需要一种快速有效的生物化学物质检测手段。此外，在医疗领域中，癌症等疾病的早期诊断、传染病菌的隔离检测；在环境监测领域，江河湖泊的水体污染、生产生活污水的排放监测；在军事反恐领域，对生化战剂的预警防护，对生化恐怖袭击的早期监控，都需要对这些生物化学物质实现超低浓度、快速即时、高稳定性、高准确性和大规模的检测。因此，低浓度生物化学物质的检测和分析在食品安全、临床医学、环境检测、军事反恐等诸多领域具有重要意义。

目前，生物化学物质检测用的叉指电极主要采用湖南大学在“一种酶催化电导免疫传感器及其检测食源性病原体的方法”（参见CN101275950A号中国专利文献）和 “一种酶催化电导免疫传感器及其检测化学残留与毒素的方法”（参见CN101275946A号中国专利文献）中提出的叉指电极结构。这些叉指电极可用作生物传感器，通过在电极间固定生物化学物质，从而在叉指电极间生成银沉淀，再通过叉指电极间电导的变化来实现对生物化学物质的检测。然而，这些叉指电极结构都是采用常规的光刻印刷法制造，电极间隙难以做到很小的尺寸，叉指电极生物传感器的检测灵敏度不够高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种通用性强、适应性广且具有纳米尺度间隙的可用于检测生物化学物质的带有纳米点阵列的叉指电极，还相应提供一种兼容性好、效率高、成本低的带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，还相应提供一种灵敏度更高、检测效果更好的带有纳米点阵列的叉指电极的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种带有纳米点阵列的叉指电极，所述叉指电极是以金属叉指电极阵列为本体，所述金属叉指电极阵列的间隙中植入有金属纳米点结构阵列。

上述的带有纳米点阵列的叉指电极，优选的，所述金属叉指电极阵列的间隙优选为微米级，所述金属纳米点结构阵列均匀分布于所述金属叉指电极阵列的间隙中。

上述的带有纳米点阵列的叉指电极，优选的，所述金属叉指电极阵列与金属纳米点结构阵列之间、以及金属纳米点结构阵列之间形成有多个圆柱形空腔组成的圆柱形间隔阵列。

上述的带有纳米点阵列的叉指电极，优选的，所述金属叉指电极阵列的间隙距离a为1μm～100μm，所述金属纳米点结构阵列的阵列单元间隙b为10nm～200nm，所述圆柱形空腔的底面直径d为100nm～1000nm。

上述的带有纳米点阵列的叉指电极，优选的，所述金属叉指电极阵列和金属纳米点结构阵列均优选为铬-金复合膜层结构，且铬-金复合膜层结构的外层为金膜，内层为与载体进行过渡连接的铬膜。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列：配制聚苯乙烯纳米球悬浮液，将所述聚苯乙烯纳米球悬浮液旋涂于一玻璃片表面，在玻璃片表面形成单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列；优选的，所述聚苯乙烯纳米球的平均粒径范围为100nm～500nm，单分散性小于5%；所述聚苯乙烯纳米球悬浮液的溶剂优选为乙醇或/和去离子水；配制悬浮液时，所述聚苯乙烯纳米球与所述溶剂的体积比优选为0.05～0.4；所述旋涂时的转速优选为1500rpm～6000rpm，旋转时间为1min～20min；

（2）制备金属纳米点阵列：在所述单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列上沉积金属膜，金属膜的沉积厚度低于所述聚苯乙烯纳米球高度的1/2，然后去除（用胶带粘除）玻璃片表面的聚苯乙烯纳米球，在玻璃片表面得到金属纳米点阵列；

（3）制备叉指电极阵列：在所述金属纳米点阵列上沉积金属膜，然后利用光刻工艺在金属膜表面上形成光刻胶勾勒的电极图案，再湿法腐蚀未受光刻胶保护的本步骤沉积的金属，直至上述制备的金属纳米点阵列重新暴露，最后去除表面的光刻胶，制备得到带有纳米点阵列的叉指电极。

上述的带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，所述步骤（2）和步骤（3）中，沉积金属膜的方法优选为真空蒸镀法，所述金属膜优选为铬-金双层复合膜结构，且沉积过程中是先沉积覆盖金属铬膜，再在金属铬膜上沉积覆盖金膜。由于在叉指电极的载体（即衬底）上两次沉积了铬-金双层复合膜结构，因此湿法腐蚀前的金属膜是由四层、两种不同的金属层组成，当上层的金膜被腐蚀时，位于上层的铬膜可以保护下层中的金膜不被腐蚀；当腐蚀上层的铬膜时，下层的金膜则可以保护下层的铬膜不被腐蚀。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种带有纳米点阵列的叉指电极在检测生物化学物质中的应用，所述应用具体是指将所述叉指电极用作生物传感器。

上述的应用中，优选包括以下步骤：将带有纳米点阵列的叉指电极进行清洗，然后对叉指电极的载体表面进行硅烷化处理，将硅烷化处理后的叉指电极浸入戊二醛水溶液中，静置后再添加可与待测目标物特异性结合的捕获抗体，固定完成后制得生物传感器；在所述生物传感器上再滴加待测样品，同时添加碱性磷酸酶标记的可与待测目标物特异性结合的检测抗体，固定后滴加银沉积溶液（含有甘氨酸-氢氧化钠、抗坏血酸磷酸酯和硝酸银），静置反应；最后由该生物传感器获取与待测目标物浓度相关的电导信号，进而对待测样品中待测目标物进行定性或定量检测。

上述的应用中，所述待测目标物优选为促甲状腺激素或金黄色葡萄球菌肠毒素。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明通过改进叉指电极结构，将金属纳米点阵列植入叉指电极的间隙中，这使得叉指电极的间隙由原来的微米级缩小到较小的纳米尺度间隙，由于叉指电极的间隙缩小，便可用于实现更低浓度的生物化学物质的检测，可以显著提升叉指电极用作生物传感器的准确性和灵敏性；

（2）本发明针对带有纳米点阵列的叉指电极结构的制造特点，结合现有的微机电光刻加工技术和纳米球光刻加工技术两种工艺的优势，实现了带有纳米点阵列的叉指电极的批量化制备，而且，通过本发明的方法可制备得到纳米尺度间隙可控的带有纳米点阵列的叉指电极；

（3）本发明的制备过程中通过利用双层铬-金金属复合膜层结构，成功实现了在同一衬底上进行两次金属膜的成型工艺，可以为研究与带有纳米点阵列的叉指电极结构相关的结构提供便利；

（4）本发明采用的主要工艺为现有成熟的微机电系统工艺（例如旋涂工艺、金属淀积工艺、光刻工艺等）的优化组合；而单分散性较好的聚苯乙烯纳米球可以自制，也可以直接外购，本发明的技术方案具有兼容性好、操作方便、效率高、成本低等特点，可以充分利用现有的设备和资源，对从纳米尺度效应向纳米器件的转化也具有重要意义；

（5）本发明的产品用作生物传感器对生物化学物质进行检测时，不仅检测灵敏度高，制作简单，操作方便，而且有望为人体激素、病原体、残留化学毒素等生物化学物质的检测提供便利，尤其是在低浓度生物化学物质检测上，提供快速、实用、高灵敏、高通量的免疫检测技术。

附图说明

图1为本发明实施例中带有纳米点阵列的叉指电极的结构示意图。

图2为本发明实施例中得到的覆有单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列的剖面图（主视方向过任意一排聚苯乙烯纳米球球心的剖面）。

图3为本发明实施例中得到的覆有单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列的结构示意图（俯视方向）。

图4为图3中A-A处的剖面图（以下图5～图11的剖切位置均与图4相同）。

图5为本发明实施例中第一次沉积金属膜后加工状态的剖面图。

图6为本发明实施例中粘除聚苯乙烯纳米球后加工状态的剖面图。

图7为本发明实施例中第二次沉积金属膜后加工状态的剖面图。

图8为本发明实施例中光刻完成后加工状态的剖面图。

图9为本发明实施例中去除二次沉积的金膜后加工状态的剖面图。

图10为本发明实施例中去除二次沉积的铬膜后加工状态的剖面图。

图11为本发明实施例中去除光刻胶后得到的带有纳米点阵列的叉指电极的剖面图。

图12为本发明实施例中带有纳米点阵列的叉指电极用于生物化学物质检测的原理图，其中，连在衬底上的曲线状图形表示硅烷基团；硅烷基团上方的白色圆形代表戊二醛基团，戊二醛基团上方的白色菱形代表捕获抗体，捕获抗体上方的折线代表待测目标物，待测目标物上方的倒Y形线代表检测抗体，检测抗体右侧的六角星形代表碱性磷酸酶，碱性磷酸酶右侧的灰色圆形代表抗坏血酸，硅烷基团下方的点状图形代表银沉淀。

图例说明：

1、金属叉指电极阵列；2、金属纳米点结构阵列；3、圆柱形间隔阵列；4、金膜；5、衬底；6、铬膜；7、聚苯乙烯纳米球；8、光刻胶。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：带有纳米点阵列的叉指电极及其制备和检测促甲状腺素的应用。

一种如图1和图11所示的本发明的带有纳米点阵列的叉指电极，该叉指电极是以金属叉指电极阵列1为本体，金属叉指电极阵列1的间隙中植入有金属纳米点结构阵列2，该金属纳米点结构阵列2呈六方排列。金属叉指电极阵列1的间隙距离a为10μm，金属纳米点结构阵列2均匀分布于金属叉指电极阵列1的间隙中。金属叉指电极阵列1与金属纳米点结构阵列2之间（以及金属纳米点结构阵列2之间）形成有多个圆柱形空腔组成的圆柱形间隔阵列3。金属纳米点结构阵列2的阵列单元间隙b为100nm，圆柱形空腔的底面直径d为400nm。金属叉指电极阵列1和金属纳米点结构阵列2均为铬-金复合膜层结构，且铬-金复合膜层结构的外层为金膜4，内层为与衬底5进行过渡连接的铬膜6。

本实施例的带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，具体包括以下步骤：

1. 制备单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列。

1.1准备玻璃片：首先选取尺寸为30mm×30mm×1mm的玻璃片作为衬底5，并把玻璃片放入丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min，然后将双氧水和98%的浓硫酸配成的洗液加热到80℃，将超声清洗后的玻璃片放入其中浸泡1h，浸泡后反复冲洗去除酸性物质，再将玻璃片放入氨水、双氧水和水配成的80℃的洗液中浸泡1h，取出后反复冲洗，获得清洁的且具有良好亲水性的玻璃片表面，置于无水乙醇中备用。

1.2准备聚苯乙烯纳米球悬浮液体系：取平均粒径为400nm、单分散性小于5%的聚苯乙烯纳米球，并将其超声分散于无水乙醇之中，完全分散后于超净间中室温静置挥发，得到体积比为0.3（聚苯乙烯纳米球与溶剂无水乙醇的体积比）的聚苯乙烯纳米球悬浮液体系。

1.3制备单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列：把上述经过亲水处理的玻璃片用氮气吹干，置于匀胶机吸盘上固定好，再取150μL上述配制好的聚苯乙烯纳米球悬浮液体系均匀滴在玻璃片表面，等候1min，使玻璃片表面完全润湿；然后以3000rpm的转速匀速旋转9min，制备得到如图2所示的单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列。其中，在每三个相邻的聚苯乙烯纳米球7中间，有一个小三角形的间隙，参见图3和图4所示。

2. 制备金属纳米点阵列。

将上述得到的附着有单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列的衬底5放入电子束蒸发镀膜系统的工作腔中，抽真空至1Pa后升温至100℃，继续抽真空至7×10^-4Pa，预热枪灯丝3min后电压升至6000V；先开始镀铬，蒸镀速率保持在0.4                                                /s～0.6/s，膜层厚度达到100时关挡板停止镀膜，在聚苯乙烯纳米球致密排列的间隙中沉积上一层铬膜6；再将电压升至8000V，开始镀金，蒸镀速率保持在2/s～3/s，膜层厚度达到2000时关挡板停止镀膜，在铬膜6上沉积上一层金膜4，镀膜后的加工状态如图5所示。然后用胶带（3M scotch）将衬底5表面的聚苯乙烯纳米球7粘除，在衬底5表面得到如图6所示的金属纳米点阵列。

3. 制备叉指电极阵列。

3.1二次沉积金属膜：将上述制得的具有金属纳米点结构阵列的衬底5放入电子束蒸发镀膜系统的工作腔中，抽真空至1Pa后升温至100℃，继续抽真空至7×10^-4Pa，预热枪灯丝3min后电压升至6000V，开始镀第二层铬，蒸镀速率保持在0.4/s～0.6/s，当膜层厚度达到100时关挡板停止镀膜，在金膜4上再次沉积上一层铬膜6；再将电压升至8000V，开始镀第二层金，蒸镀速率保持在2/s～3/s，膜层厚度达到2000时关挡板停止镀膜，在第二层铬膜6上沉积上第二层金膜4，得到如图7所示的镀有双层铬-金金属膜的衬底5。

3.2光刻：利用光刻工艺在上述沉积的金属膜表面上形成光刻胶勾勒的电极图案，如图8所示。

3.3腐蚀：在光刻胶的保护下，用金腐蚀液先湿法腐蚀最上层的金膜4，腐蚀完成后如图9所示；再用铬腐蚀液湿法腐蚀最上方的铬膜6，腐蚀完成后如图10所示；最后，去除金属膜顶部的光刻胶，制备得到带有纳米点阵列的叉指电极，结构如图11所示。

用本实施例制得的带有纳米点阵列的叉指电极检测促甲状腺激素，具体的检测方法包括以下步骤：

（1）制备生物传感器：将上述制得的带有纳米点阵列的叉指电极先进行彻底清洗，然后放入含氨丙基三甲氧基硅烷5%（体积百分数）的乙醇溶液中，室温下静置24小时，将硅烷基团固定在玻璃衬底表面；将硅烷化后含有纳米点阵列的叉指电极浸入质量分数5%的戊二醛水溶液中，室温下静置1小时，将戊二醛基团固定在硅烷基团上；再滴加与促甲状腺激素可以特异性结合的捕获抗体，在室温下固定1小时，将捕获抗体固定在戊二醛基团上，制备得到叉指电极生物传感器；

（2）生物化学检测：在制得的叉指电极生物传感器上滴加促甲状腺激素，同时滴加碱性磷酸酶标记的可以与促甲状腺激素特异性结合的检测抗体，在室温下固定1小时，捕获抗体、促甲状腺激素、碱性磷酸酶标记的检测抗体形成一个捕获抗体/促甲状腺激素/碱性磷酸酶标记的检测抗体的夹心结构；再在上述叉指电极生物传感器上滴加银沉积溶液（含有甘氨酸-氢氧化钠、抗坏血酸磷酸酯和硝酸银），在室温下静置反应15分钟，固定在基底上的碱性磷酸酶催化抗坏血酸磷酸酯生成抗坏血酸，从而使溶液中的Ag⁺还原形成Ag单质，在衬底上逐渐生成银单质沉淀，如图12所示；再由该叉指电极生物传感器获取与促甲状腺激素浓度相关的电导信号，即可对待测样品中的促甲状腺激素进行定性或定量检测。

实施例2：带有纳米点阵列的叉指电极及其制备和检测金黄色葡萄球菌肠毒素的应用。

本实施例采用实施例1中所述的带有纳米点阵列的叉指电极；其制备工艺与实施例1相同。

用实施例1制得的带有纳米点阵列的叉指电极检测金黄色葡萄球菌肠毒素，具体的检测方法包括以下步骤：

（1）制备生物传感器：将上述制得的带有纳米点阵列的叉指电极先进行彻底清洗，然后放入含氨丙基三甲氧基硅烷5%（体积百分数）的乙醇溶液中，室温下静置24小时；将硅烷化后含有纳米点阵列的叉指电极浸入质量分数5%的戊二醛水溶液中，室温下静置1小时；再滴加与金黄色葡萄球菌肠毒素可以特异性结合的捕获抗体，在室温下固定1小时，制备得到叉指电极生物传感器；

（2）生物化学检测：在制得的叉指电极生物传感器上滴加金黄色葡萄球菌肠毒素，同时滴加碱性磷酸酶标记的可以与金黄色葡萄球菌肠毒素特异性结合的检测抗体，在室温下固定1小时，捕获抗体、金黄色葡萄球菌肠毒素、碱性磷酸酶标记的检测抗体形成一个捕获抗体/金黄色葡萄球菌肠毒素/碱性磷酸酶标记的检测抗体的夹心结构；再在上述叉指电极生物传感器上滴加银沉积溶液（含有甘氨酸-氢氧化钠、抗坏血酸磷酸酯和硝酸银），在室温下静置反应15分钟，固定在基底上的碱性磷酸酶催化抗坏血酸磷酸酯生成抗坏血酸，从而使溶液中的Ag⁺还原形成Ag单质，在衬底上逐渐生成银单质沉淀，如图12所示；再由该叉指电极生物传感器获取与金黄色葡萄球菌肠毒素浓度相关的电导信号，即可对待测样品中的金黄色葡萄球菌肠毒素进行定性或定量检测。

以上实施例仅是本发明技术方案的列举，本领域技术人员根据本发明的技术方案、实施例及现有的知识，在工艺参数上做适当调整后还可以制备出各种尺寸的带有纳米点阵列的叉指电极阵列等，这些在本发明的基本思想及工艺原理基础上作出的任何非实质性改动，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种带有纳米点阵列的叉指电极，所述叉指电极是以金属叉指电极阵列为本体，其特征在于：所述金属叉指电极阵列的间隙中植入有金属纳米点结构阵列；

所述金属叉指电极阵列的间隙为微米级，所述金属纳米点结构阵列均匀分布于所述金属叉指电极阵列的间隙中；

所述金属叉指电极阵列与金属纳米点结构阵列之间、金属纳米点结构阵列之间形成有多个圆柱形空腔组成的圆柱形间隔阵列。

2.根据权利要求1所述的带有纳米点阵列的叉指电极，其特征在于：所述金属叉指电极阵列的间隙距离a为1μm～100μm，所述金属纳米点结构阵列的阵列单元间隙b为10nm～200nm，所述圆柱形空腔的底面直径d为100nm～1000nm。

3.根据权利要求1或2所述的带有纳米点阵列的叉指电极，其特征在于：所述金属叉指电极阵列和金属纳米点结构阵列均为铬-金复合膜层结构，且铬-金复合膜层结构的外层为金膜，内层为与载体进行过渡连接的铬膜。

4.一种带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列：配制聚苯乙烯纳米球悬浮液，将所述聚苯乙烯纳米球悬浮液旋涂于一玻璃片表面，在玻璃片表面形成单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列；

（2）制备金属纳米点阵列：在所述单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列上沉积金属膜，金属膜的沉积厚度低于所述聚苯乙烯纳米球高度的1/2，然后去除玻璃片表面的聚苯乙烯纳米球，在玻璃片表面得到金属纳米点阵列；

（3）制备叉指电极阵列：在所述金属纳米点阵列上沉积金属膜，然后利用光刻工艺在金属膜表面上形成光刻胶勾勒的电极图案，再湿法腐蚀未受光刻胶保护的本步骤沉积的金属，直至上述制备的金属纳米点阵列重新暴露，最后去除表面的光刻胶，制备得到带有纳米点阵列的叉指电极。

5.根据权利要求4所述的带有纳米点阵列的叉指电极的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）和步骤（3）中，沉积金属膜的方法为真空蒸镀法，所述金属膜为铬-金双层复合膜结构，且沉积过程中是先沉积覆盖金属铬膜，再在金属铬膜上沉积覆盖金膜。

6.一种如权利要求1或2所述的或者权利要求4或5所述制备方法得到的带有纳米点阵列的叉指电极在检测生物化学物质中的应用，所述应用具体是指将所述叉指电极用作生物传感器；

所述应用包括以下步骤：将带有纳米点阵列的叉指电极进行清洗，然后对叉指电极的载体表面进行硅烷化处理，将硅烷化处理后的叉指电极浸入戊二醛水溶液中，静置后再添加可与待测目标物特异性结合的捕获抗体，固定完成后制得生物传感器；在所述生物传感器上再滴加待测样品，同时添加碱性磷酸酶标记的可与待测目标物特异性结合的检测抗体，固定后滴加银沉积溶液，静置反应；最后由该生物传感器获取与待测目标物浓度相关的电导信号，进而对待测样品中待测目标物进行定性或定量检测。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述待测目标物为促甲状腺激素或金黄色葡萄球菌肠毒素。