TWI631330B - 非酶葡萄糖感測器及其製造方法與金屬奈米觸媒的製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種非酶葡萄糖感測器及其製造方法與金屬奈米觸媒的製造方法。此非酶葡萄糖感測器包含電壓源與工作電極。工作電極電性連接電壓源，其中工作電極包含基材以及金屬奈米觸媒。金屬奈米觸媒沉積於基材上且包含多角形塊狀奈米結構，其中金屬奈米觸媒催化葡萄糖的氧化反應。
Description
本發明是有關於一種非酶葡萄糖感測器及其製造方法與金屬奈米觸媒的製造方法，且特別是有關於一種使用金屬奈米觸媒的非酶葡萄糖感測器及其製造方法與該金屬奈米觸媒的製造方法。
電化學感測器主要是透過電極表面的活性感測材料和待測物反應，再藉由傳感器輸出電位或電流信號供使用者判別待測物的含量。由於仰賴電極作為主要的偵測工具，因此電極材料的選擇十分地重要。一般來說，依據是否與酵素結合，電化學感測器可區分為非酶型電化學感測器及酵素型電化學感測器。其中，由於對於酵素的保存環境存在較嚴格的條件，諸如4℃以下的低溫，使得酵素型電化學感測器的發展受到限制。
本發明提供一種非酶葡萄糖感測器，使用金屬奈米觸媒催化葡萄糖的氧化反應，具有優異的靈敏度與線性區間。
本發明另一種提供金屬奈米觸媒的製造方法，具有製程簡易與儀器要求度低的優點。
本發明又提供一種非酶葡萄糖感測器的製造方法，具有製程簡易與儀器要求度低的優點，且利於商品化量產。
本發明的非酶葡萄糖感測器，包含電壓源以及工作電極。工作電極電性連接電壓源，包含基材以及金屬奈米觸媒，其中金屬奈米觸媒沉積於基材上且包含多角形塊狀奈米結構，金屬奈米觸媒用以催化葡萄糖的氧化反應。
在本發明的一實施例中，上述的多角形塊狀奈米結構的寬度介於50nm至100nm之間。
在本發明的一實施例中，上述的金屬奈米觸媒具有面心立方晶系的單晶結構。
在本發明的一實施例中，上述的金屬奈米觸媒的材料包含鉑。
在本發明的一實施例中，上述的金屬奈米觸媒更包含針葉狀奈米結構。
在本發明的一實施例中，上述的基材的材料包含軟性可撓材料。
在本發明的一實施例中，上述的非酶葡萄糖感測器更包括相對電極與參考電極，分別電性連接電壓源。
本發明提供一種金屬奈米觸媒的製造方法，包含：提供導電材料；使導電材料與電鍍液接觸，電鍍液包含：硫酸、氯鉑酸或其組合；以及在電壓為0.6V至-0.5V的條件下進行微型電鍍。
在本發明的一實施例中，上述的微型電鍍製程使用的電鍍液的pH值介於1~2之間。
本發明提供一種非酶葡萄糖感測器的製造方法，包含：提供電壓源；以及提供與電壓源電性連接的工作電極，其中工作電極包含金屬奈米觸媒，金屬奈米觸媒藉由如上所述的金屬奈米觸媒的製造方法所製造。本發明的非酶葡萄糖感測器並未使用酵素催化葡萄糖的氧化反應，而是使用金屬奈米觸媒催化葡萄糖的氧化反應，故具有優異的線性區間。此外，本發明的金屬奈米觸媒的製造方法具有製程簡易且儀器要求度低的優點，故有利於應用其的非酶葡萄糖感測器的商品化量產。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是本發明之一實施例的非酶感測器的示意圖。圖2的(a)至(d)是本發明之一實施例的金屬奈米觸媒在掃描式電子顯微鏡下測得的圖像。請參照圖1，在本實施例中，非酶葡萄糖感測器100包含電壓源102、參考電極104、相對電極106以及工作電極108。其中，參考電極104、相對電極106以及工作電極108分別電性連接電壓源102，電壓源102將給定的電壓與電流分別施加至參考電極104、相對電極106以及工作電極108。
在本實施例中，參考電極104具有一參考電位，藉由此參考電位，可以準確地設定工作電極108的電位。參考電極104例如是甘汞電極(Calomel electrode)或銀/氯化銀電極(Ag/AgCl electrode)。相對電極106的主要作用為維持溶液的電中性，且相對電極106所發生的電極反應不會影響工作電極106。相對電極106例如是白金絲。相對電極106至少環繞部分的工作電極108，以提升相對電極106與工作電極108之間的電流密度及均勻度，進而增加非酶葡萄糖感測器100的靈敏度與準確度，但本發明不以此為限。也就是說，在其他實施例中，相對電極106與工作電極108亦可以藉由其他相對位置方式配置。再者，雖然本實施例的非酶葡萄糖感測器100是以包括參考電極104、相對電極106以及工作電極108的三電極系統為例，但本發明不以此為限。在其他實施例中，非酶葡萄糖感測器100中的參考電極104、相對電極106以及工作電極108亦可以具有其他配置方式，或者是可以省略配置參考電極104與相對電極106中至少一者。
在本實施例中，工作電極108包含基材110以及金屬奈米觸媒112，其中金屬奈米觸媒112沉積於基材110上且包含多角形塊狀奈米結構，金屬奈米觸媒112用以催化葡萄糖的氧化反應。在本實施例中，本發明的基材的材料包含軟性可撓材料，例如是聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。在本實施例中，金屬奈米觸媒112例如是沉積於部分基材110上，但本發明不以此為限。也就是說，在其他實施例中，本發明的金屬奈米觸媒112亦可以是沉積於整個基材110上。再者，在本實施例中是以金屬奈米觸媒112於基材110上沉積成一圓形區域為例，但本發明不以此為限。也就是說，在其他實施例中，本發明的金屬奈米觸媒112也可以於基材110上沉積成具有其他適當構型的區域。
在本實施例中，金屬奈米觸媒112可具有多角形塊狀奈米結構，其具體的構型如圖2的(a)、(b)、(c)所示。其中，圖2的(a)與(c)所示的金屬奈米觸媒112具有爆米花形(popcorn-shaped)的塊狀奈米結構，圖2的(b)所示的金屬奈米觸媒112具有諸如花朵形或雲朵形的塊狀奈米結構。在其他實施例中，除了具有前述的塊狀奈米結構以外，金屬奈米觸媒112可以更同時具有針葉狀奈米結構，其具體的構型如圖2(d)所示。
在本實施例中，金屬奈米觸媒112的多角形塊狀奈米結構的寬度例如是50nm至100nm之間。在本實施例中，金屬奈米觸媒112可具有單晶結構，其晶系為面心立方晶系。面心立方晶系的主要晶體晶面為(111)、(200)、(220)面，可由穿透式電子顯微鏡去觀察金屬奈米觸媒的晶體間距方位。在本實施例中，金屬奈米觸媒112的材料包含鉑。
在本實施例中，金屬奈米觸媒112的製造方法例如是微型電鍍製程。在本實施例中，金屬奈米觸媒112的製造方法例如是包含以下步驟。首先，提供導電材料。在本實施例中，導電材料可為鈦、鋁或鉑。
接著，使導電材料與電鍍液接觸。在本實施例中，電鍍液例如是硫酸、氯鉑酸或其組合。
而後，進行微型電鍍。在本實施例中，例如是在電壓為0.6V至-0.5V的條件下進行微型電鍍。在本實施例中，進行電鍍時，電鍍液的pH值介於1~2之間。在本發明中，例如是藉由將電鍍液的pH值、各化合物濃度、電流、電壓調控至特定範圍，以得到具有特定構型的金屬奈米觸媒。
在本實施例中，是以微型電鍍製程形成金屬奈米觸媒112為例，但本發明不限於此。也就是說，在其他實施例中，也可以藉由諸如真空濺鍍製程等其他方法製作金屬奈米觸媒112。
在本實施例中，非酶葡萄糖感測器的製造方法例如是包含以下步驟。首先，提供電壓源102。接著，提供與電壓源102電性連接的工作電極108，其中工作電極108包含金屬奈米觸媒112，金屬奈米觸媒112藉由如上所述的金屬奈米觸媒的製造方法所製造。
在本實施例中，參考電極104、相對電極106以及工作電極108分別與檢體接觸。詳細來說，參考電極104、相對電極106以及工作電極108的部分面積分別與檢體接觸，但本發明不以此為限。在不影響測量的準確度及再現性的情形下，參考電極104、相對電極106以及工作電極108可分別以任何適當的面積與檢體接觸。在本實施例中，金屬奈米觸媒催化葡萄糖的氧化反應，使檢體中的葡萄糖氧化成葡萄醣酸，從而產生一反應電流。藉由測量該反應電流的大小，以測得檢體中的葡萄糖濃度。
圖3是本發明之一實施例的非酶感測器的電流密度與葡萄糖濃度的關係圖。
在本實施例中，非酶感測器的金屬奈米觸媒材料是以鉑為例。請參照圖3，本實施例的非酶感測器的電流密度與葡萄糖濃度具有正相關，且線性回歸線的線性區間為約0.5mM至4mM，其範圍寬廣。其中，線性回歸線的斜率為約97至113，顯示本發明的非酶感測器具有良好的靈敏度。
在本實施例中，由於金屬奈米觸媒112具有形貌多樣的奈米結構，故非酶葡萄糖感測器100的靈敏度與線性感應區間可被更靈活地調控。此外，由於金屬奈米觸媒112具有高反應面積，故本發明的非酶葡萄糖感測器100具有優異的靈敏度。也就是說，本實施例的非酶葡萄糖感測器100並未使用酵素催化葡萄糖的氧化反應，而是使用金屬奈米觸媒112催化葡萄糖的氧化反應，故具有優異的線性區間。
綜上所述，相較於使用酵素催化葡萄糖的氧化反應原理來偵測葡萄糖濃度的習知葡萄糖感測器，本發明的非酶葡萄糖感測器是利用金屬奈米觸媒催化葡萄糖的氧化反應原理來偵測葡萄糖濃度，因此具有優異的線性區間。此外，由於金屬奈米觸媒具有反應面積高的優點，故非酶葡萄糖感測器亦具有優異的靈敏度。特別一提的是，由於本發明的金屬奈米觸媒可以藉由簡易的製程步驟與儀器製造，因此將其應用於製作非酶葡萄糖感測器時，有利於非酶葡萄糖感測器的商品化量產。此外，由於可以藉由調整電鍍液的pH值、各化合物濃度、電流、電壓等參數，以獲得具有所需構型的金屬奈米觸媒，因此可以靈活地調控非酶葡萄糖感測器的靈敏度與線性感應區間，以廣泛地應用非酶葡萄糖感測器。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧非酶葡萄糖感測器
102‧‧‧電壓源
104‧‧‧參考電極
106‧‧‧相對電極
108‧‧‧工作電極
110‧‧‧基材
112‧‧‧金屬奈米觸媒
圖1是本發明之一實施例的非酶感測器的示意圖。 圖2是本發明之一實施例的金屬奈米觸媒在掃描式電子顯微鏡下測得的圖像。 圖3是本發明之一實施例的非酶感測器的電流密度與葡萄糖濃度的關係圖。
Claims (9)
- 一種非酶葡萄糖感測器，包含：電壓源；以及工作電極，電性連接所述電壓源，其中所述工作電極包含：基材；以及彼此分離的多個金屬奈米觸媒，沉積於所述基材上且各所述金屬奈米觸媒包含多角形塊狀奈米結構，其中各所述金屬奈米觸媒用以催化葡萄糖的氧化反應，其中所述多角形塊狀奈米結構的寬度介於50nm至100nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的非酶葡萄糖感測器，其中所述金屬奈米觸媒具有面心立方晶系的單晶結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的非酶葡萄糖感測器，其中所述金屬奈米觸媒的材料包含鉑。
- 如申請專利範圍第1項所述的非酶葡萄糖感測器，其中所述金屬奈米觸媒更包含針葉狀奈米結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的非酶葡萄糖感測器，其中所述基材的材料包含軟性可撓材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的非酶葡萄糖感測器，更包括相對電極與參考電極，分別電性連接所述電壓源。
- 一種金屬奈米觸媒的製造方法，包含：提供導電材料； 使所述導電材料與電鍍液接觸，所述電鍍液包含硫酸、氯鉑酸或其組合；以及在電壓為0.6V至-0.5V的條件下對所述導電材料進行微型電鍍，以形成彼此分離的多個金屬奈米觸媒，其中各所述金屬奈米觸媒的形狀為多角形塊狀奈米結構，其中所述多角形塊狀奈米結構的寬度介於50nm至100nm之間。
- 如申請專利範圍第7項所述的金屬奈米觸媒的製造方法，其中所述電鍍液的pH值介於1~2之間。
- 一種非酶葡萄糖感測器的製造方法，包含：提供電壓源；以及提供與所述電壓源電性連接的工作電極，其中所述工作電極包含金屬奈米觸媒，所述金屬奈米觸媒藉由如申請專利範圍第7項所述的金屬奈米觸媒的製造方法所製造。
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