CN108007990A - 一种基于Au@WO3核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器及其制备方法，包括导电衬底、ZnO纳米柱、Au@WO₃核壳结构量子点，通过在所述的导电衬底上生长一层ZnO薄膜，并在腐蚀ZnO薄膜上需要腐蚀的图案，从而得到ZnO纳米柱，并在ZnO纳米柱的表面上依次溅射WO₃薄膜与Au薄膜，得到Au@WO₃核壳结构量子点；本发明通过Au@WO₃核壳结构量子点增强ZnO纳米柱生物传感器的性能，其中，Au纳米粒子具有高效的局域表面等离子体增强效应，而WO₃薄膜具有优异量子效应，二者共同作用可以有效提高传感器的性能；并且本发明制备的Au@WO₃核壳结构量子点尺寸可控性好、质量均一性好，可以满足不同的需求，适合工业化生产需求，适用范围广，同样可以在其它半导体生物传感器和化学传感器中应用。

Description

一种基于Au@WO3核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器及其 制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物传感器技术领域，尤其是一种基于Au@WO3核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器及其制备方法。

背景技术

ZnO属于宽带隙第三代n型半导体材料，对于生物传感应用方面，ZnO纳米材料具有很多优势：高的比表面、良好的电传导能力、良好的生物兼容性、无毒、化学稳定性、环境友好等，而且在空气中有良好稳定性便于长期保存。ZnO纳米材料异常丰富的形貌也为其在传感器领域的应用提供了更灵活的设计思路，使其在生物化学传感器领域的应用上具有很强的吸引力。

生物传感器一般通过负载生物识别单元(比如：酶、抗体、DNA等)来实现传感，但是由于这些生物识别单元价格昂贵，易变质，使得储存和输运困难，大大增加了成本。而无生物识别单元的生物传感器克服了以上缺点，制备简单，成本低，寿命长，由于ZnO具有非常好的生物兼容性，而且无毒无污染，因而在生物传感器领域当中具有重要的地位，现有的基于ZnO纳米柱/纳米线构建生物传感器已经成为生物传感器主流发展方向之一，它可以在环境保护、医疗、生物、DNA检测等方面发挥积极的作用，但是其性能较低，为了提高ZnO基生物传感器的性能，通常采用掺杂或者使用金属纳米粒子如Au、Ru等进行增强，但是性能提高程度不理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO 纳米柱生物传感器及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器，包括导电衬底、ZnO纳米柱、Au@WO₃核壳结构量子点，所述的导电衬底上生长有ZnO纳米柱，所述ZnO纳米柱的表面上均匀分布有Au@WO₃核壳结构量子点；

进一步的，所述的导电衬底为ITO导电玻璃衬底或FTO导电玻璃衬底或AZO 导电玻璃衬底中的任意一种。

本发明还提供一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1)、在导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜；

S2)、在ZnO薄膜上旋涂光刻胶，并利用掩膜板和曝光机进行曝光，获得需要腐蚀的图案；

S3)、利用醋酸或草酸或盐酸腐蚀ZnO薄膜上待腐蚀的图案，从而获得ZnO 纳米柱；

S4)、去除光刻胶，并清洗干净，然后放入干燥箱，在70-100℃烘干；

S5)、在室温、真空为0.01Pa的条件下，利用溅射仪在ZnO纳米柱上溅射 WO₃薄膜，然后接着溅射Au薄膜；

S6)、然后，将上述步骤制备得到的材料转移至真空退火炉，在真空条件下， 600-900℃快速退火，从而得到在ZnO纳米柱上均匀分布的Au@WO3核壳结构量子点；

S7)、Au@WO₃修饰的ZnO纳米柱上涂覆生物酶，得到生物传感器。

进一步的，上述技术方案中，步骤S1)中，所述的导电衬底为ITO导电玻璃衬底或FTO导电玻璃衬底或AZO导电玻璃衬底中的任意一种。

进一步的，上述技术方案中，步骤S1)中，制备高质量的ZnO薄膜具体为：采用磁控溅射系统在清洗干净的导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜，其中，生长温度为350-600℃，Ar气压强为0.001-10Pa，氧气分压为0.1-10Pa，溅射功率为350-550W，靶材为99.99％的ZnO陶瓷靶。

进一步的，上述技术方案中，步骤S5)中，所述的WO₃薄膜的厚度为4-8nm，所述的Au薄膜的厚度为2-4nm。

更进一步的，本发明还提供另外一种制备基于Au@WO₃核壳结构量子点的 ZnO纳米柱生物传感器的方法，具体包括以下步骤：

A1)、在导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜，并利用PECVD在ZnO薄膜上沉积一层SiO₂掩膜层；

A2)、在SiO₂掩膜层上旋涂光刻胶，并利用掩膜板和曝光机进行曝光，获得需要腐蚀的图案；

A3)、利用ICP刻蚀机进行刻蚀，从而得到ZnO纳米柱；

A4)、去除光刻胶，并清洗干净，然后利用甩干机甩干；

A5)、在室温、真空为0.01Pa的条件下，利用溅射仪在ZnO纳米柱上溅射 WO₃薄膜，然后接着溅射Au薄膜；

A6)、然后，将上述步骤制备得到的材料转移至真空退火炉，在真空条件下， 600-900℃快速退火，从而得到在ZnO纳米柱上均匀分布的Au@WO₃核壳结构量子点；

A7)、Au@WO₃修饰的ZnO纳米柱上涂覆生物酶，即可获得生物传感器。

上述技术方案中，步骤A1)中，所述的导电衬底为ITO导电玻璃衬底或FTO 导电玻璃衬底或AZO导电玻璃衬底中的任意一种。

上述技术方案中，步骤A1)中，所述的SiO₂掩膜层的厚度为5-10nm。

进一步的，上述技术方案中，步骤A1)中，制备高质量的ZnO薄膜具体为：采用磁控溅射系统在清洗干净的导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜，其中，生长温度为350-600℃，Ar气压强为0.001-10Pa，氧气分压为0.1-10Pa，溅射功率为350-550W，靶材为99.99％的ZnO陶瓷靶。

上述技术方案中，步骤A5)中，所述的WO₃薄膜的厚度为4-8nm，所述的 Au薄膜的厚度为2-4nm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过Au@WO₃核壳结构量子点增强ZnO纳米柱生物传感器的性能，其中，Au纳米粒子具有高效的局域表面等离子体增强效应，而WO₃薄膜具有优异量子效应，二者共同作用可以有效提高传感器的性能；

(2)本发明制备的Au@WO₃核壳结构量子点尺寸可控性好、质量均一性好，可以满足不同的需求，适合工业化生产需求；

(3)本发明制备的Au@WO₃核壳结构量子点适用范围广，同样可以在其它半导体生物传感器和化学传感器中应用。

附图说明

图1为本发明生物传感器的截面示意图。

图中，1-导电衬底，2-ZnO纳米柱，3-Au@WO₃核壳结构量子点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器，包括导电衬底1、ZnO纳米柱2、Au@WO₃核壳结构量子点3，在所述的导电衬底1上生长ZnO纳米柱2，在所述ZnO纳米柱2的表面上均匀分别有Au@WO₃核壳结构量子点3；

进一步的，所述的导电衬底1为ITO导电玻璃衬底或FTO导电玻璃衬底或 AZO导电玻璃衬底中的任意一种。

本发明还提供一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1)、采用磁控溅射系统在清洗干净的ITO导电玻璃衬底上制备高质量的ZnO 薄膜，其中，生长温度为350-600℃，Ar气压强为0.001-10Pa，氧气分压为0.1-10Pa，溅射功率为350-550W，靶材为99.99％的ZnO陶瓷靶；

S2)、在ZnO薄膜上旋涂光刻胶，并利用掩膜板和曝光机进行曝光，获得需要腐蚀的图案；

S3)、利用醋酸或草酸或盐酸腐蚀ZnO薄膜上待腐蚀的图案，从而获得ZnO 纳米柱；

S4)、去除光刻胶，并清洗干净，然后放入干燥箱，在70-100℃烘干；

S5)、在室温、真空为0.01Pa的条件下，利用溅射仪在ZnO纳米柱上溅射一层厚度为4-8nm的WO₃薄膜，然后接着溅射一层厚度为2-4nm的Au薄膜；

S6)、然后，将上述步骤制备得到的材料转移至真空退火炉，在真空条件下， 600-900℃快速退火，从而得到在ZnO纳米柱上均匀分布的Au@WO3核壳结构量子点；

S7)、在Au@WO₃修饰的ZnO纳米柱上涂覆生物酶，即可获得生物传感器。

本发明还提供另外一种制备基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的方法，具体包括以下步骤：

A1)、采用磁控溅射系统在清洗干净的ITO导电玻璃衬底上制备高质量的ZnO 薄膜，其中，生长温度为350-600℃，Ar气压强为0.001-10Pa，氧气分压为0.1-10Pa，溅射功率为350-550W，靶材为99.99％的ZnO陶瓷靶，然后利用PECVD在ZnO 薄膜上沉积一层厚度为5-10nm的SiO₂掩膜层；

A2)、在SiO₂掩膜层上旋涂光刻胶，并利用掩膜板和曝光机进行曝光，获得需要腐蚀的图案；

A3)、利用ICP刻蚀机进行刻蚀，从而得到ZnO纳米柱；

A4)、去除光刻胶，并清洗干净，然后利用甩干机甩干；

A5)、在室温、真空为0.01Pa的条件下，利用溅射仪在ZnO纳米柱上溅射一层厚度为4-8nm的WO₃薄膜，然后接着溅射一层厚度为2-4nm的Au薄膜；

A6)、然后，将上述步骤制备得到的材料转移至真空退火炉，在真空条件下， 600-900℃快速退火，从而得到在ZnO纳米柱上均匀分布的Au@WO₃核壳结构量子点；

A7)、在Au@WO₃修饰的ZnO纳米柱上涂覆生物酶，即可获得生物传感器。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器，其特征在于：包括

导电衬底、ZnO纳米柱、Au@WO₃核壳结构量子点，在所述的导电衬底上生长ZnO纳米柱，Au@WO₃核壳结构量子点均匀分布在ZnO纳米柱的表面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器，其特征在于：所述的导电衬底为ITO导电玻璃衬底或FTO导电玻璃衬底或AZO导电玻璃衬底中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)、在清洗干净的导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜；

S2)、在ZnO薄膜上旋涂光刻胶，并利用掩膜板和曝光机进行曝光，获得需要腐蚀的图案；

S3)、利用醋酸或草酸或盐酸腐蚀ZnO薄膜上待腐蚀的图案，从而获得ZnO纳米柱；

S4)、去除光刻胶，并清洗干净，然后利用甩干机甩干；

S5)、在室温、真空为0.01Pa的条件下，利用溅射仪在ZnO纳米柱上溅射WO₃薄膜，然后接着溅射Au薄膜；

S6)、然后，将上述制备得到的材料转移至真空退火炉，在真空条件下，600-900℃快速退火，从而得到在ZnO纳米柱上均匀分布的Au@WO₃核壳结构量子点；

S7)、在Au@WO₃修饰的ZnO纳米柱上涂覆生物酶，得到生物传感器。

4.根据权利要求3所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，所述的导电衬底为ITO导电玻璃衬底或FTO导电玻璃衬底或AZO导电玻璃衬底中的任意一种。

5.根据权利要求3所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，制备高质量的ZnO薄膜具体为：采用磁控溅射系统在清洗干净的导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜，其中，生长温度为350-600℃，Ar气压强为0.001-10Pa，氧气分压为0.1-10Pa，溅射功率为350-550W，靶材为99.99％的ZnO陶瓷靶。

6.根据权利要求3所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤S5)中，所述的WO₃薄膜的厚度为4-8nm，所述的Au薄膜的厚度为2-4nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1)、在导电衬底上制备高质量的ZnO薄膜，并利用PECVD在ZnO薄膜上沉积一层SiO₂掩膜层；

A2)、在SiO₂掩膜层上旋涂光刻胶，并利用掩膜板和曝光机进行曝光，获得需要腐蚀的图案；

A3)、利用ICP刻蚀机进行刻蚀，从而得到ZnO纳米柱；

A4)、去除光刻胶，并清洗干净，然后放入干燥箱，在70-100℃烘干；

A5)、在室温、真空为0.01Pa的条件下，利用溅射仪在ZnO纳米柱上溅射WO₃薄膜，然后接着溅射Au薄膜；

A6)、然后，将上述步骤制备得到的材料转移至真空退火炉，在真空条件下，600-900℃快速退火，从而得到在ZnO纳米柱上均匀分布的Au@WO₃核壳结构量子点；

A7)、在Au@WO₃修饰的ZnO纳米柱上涂覆生物酶，即可获得生物传感器。

8.根据权利要求7所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤A1)中，所述的导电衬底为ITO导电玻璃衬底或FTO导电玻璃衬底或AZO导电玻璃衬底中的任意一种。

9.根据权利要求7所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤A1)中，所述的SiO₂掩膜层的厚度为5-10nm。

10.根据权利要求7所述的一种基于Au@WO₃核壳结构量子点的ZnO纳米柱生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤A5)中，所述的WO₃薄膜的厚度为4-8nm，所述的Au薄膜的厚度为2-4nm。