[发明专利]一种基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖传感器用电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微传感技术领域，主要应用于医学、生物、食品加工、电化学、环境监测等领域，特别涉及一种用于人体血液和尿液中葡萄糖浓度检测的基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖传感器用电极及其制备方法。

背景技术

葡萄糖是生命体非常关键的代谢物。对糖尿病患者来说，精确快速地确定血液和尿液中的葡萄糖浓度一直是很重要的临床检测项目。目前以葡萄糖氧化酶与传感器用电极间的直接电子转移为主要特征的第三代葡萄糖传感器正受到越来越广泛的关注，其研究重点主要包括葡萄糖氧化酶与被测葡萄糖之间的化学反应机理、用于电子直接输运和增大酶吸附面积的材料选择、基底电极结构的精细设计等三方面。在上述材料选择方面，ZnO纳米线具有以下优点而逐渐应用于葡萄糖传感器用电极中，表面体积比大，无毒，具有生物兼容性，电化学特性稳定，电子转移能力很强等。最重要的是，它具有较高的等电点（IEP~9.5ev），可以吸附等电点较低的酶或蛋白质（如葡萄糖氧化酶，IEP~4.2ev）。在pH为7.4时，带正电的ZnO纳米线不仅为固定带负电的葡萄糖氧化酶提供良好的微环境，而且大范围地促进了葡萄糖氧化酶和电极之间的电子转移。

基于ZnO纳米线的葡萄糖传感器用电极，采用ZnO纳米线修饰传感器用电极表面，并依靠带正电的ZnO纳米线将带负电的葡萄糖氧化酶固定在传感器用电极表面，然后利用固定在传感器电极表面的葡萄糖氧化酶作为识别元件，通过测量在酶催化作用下电极表面发生的氧化还原反应产生的电信号，实现对葡萄糖浓度的检测。为了提高该类传感器的灵敏度、响应速度、使用寿命，降低最低检出限等性能，以及防止葡萄糖氧化酶的脱落与流失而降低酶的催化效率，故研究重点主要集中在增大基底电极的吸附面积、葡萄糖氧化酶的可靠吸附等两个方面。

Tao Kong用电化学沉积法在平面金电极上沉积ZnO纳米棒，然后用氢氧化钠溶液将ZnO纳米棒刻蚀成ZnO纳米管，并在ZnO纳米管上固定葡萄糖氧化酶，最后在传感器的金电极表面沉积一层Nafion薄膜，得到相应的葡萄糖传感器用电极；Wei通过水热法先在平面金电极上生长ZnO纳米线，然后在ZnO纳米棒上固定一层葡萄糖氧化酶，最终制备出了需要的葡萄糖传感器用电极。上述基于ZnO纳米线的葡萄糖传感器用电极在不同程度上都增大了传感器用电极的有效作用面积，并提高了葡萄糖氧化酶的固定效率。但是由于该类葡萄糖传感器用电极是平面结构，因此结构尺寸大，不易于微型化，电极吸附面积增加不显著；另外还要在平面基底上溅射一层金膜作为电极，这对加工设备及制备环境要求高，故不宜控制生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖传感器用电极及其制备方法，按本发明的制备方法制成的传感器用电极的催化效率高、响应速度快、对葡萄糖的检出限低、信噪比高、制造工艺简单、设备要求相对较低、成本比较低廉、尺度小。

为达到上述目的，本发明的基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖传感器用电极，包括作为基底的光纤纤芯，以螺旋线方式绕制在光纤纤芯上的键合金丝，其中键合金丝分为螺旋线部分和引线部分，一层沿螺旋线部分的螺旋线表面法线方向生长的ZnO纳米线，一层固定在ZnO纳米线上的葡萄糖氧化酶。

所述的光纤纤芯的长度为30mm，直径为125μm。

所述的键合金丝的长度为80mm，直径为30μm。

所述的ZnO纳米线采用水热法沿键合金丝螺旋线表面的法线方向上生长。

本发明的制备方法包括以下步骤：

1）取长度为30mm的光纤，用丙酮浸泡并剥去光纤包层，抽出直径为125μm的光纤纤芯；

2）取长度为80mm、直径为30μm的键合金丝；

3）将键合金丝以螺旋线方式绕制在光纤纤芯上，形成螺旋线组件，其中键合金丝分为螺旋线部分和引线部分，并对该螺旋线组件进行标准清洗；

4）配制浓度为1mmol/L的ZnO纳米线种子层溶液；

5）将键合金丝螺旋线部分浸入ZnO纳米线种子层溶液，保持2分钟后取出，在键合金丝螺旋线部分上沉积ZnO纳米线种子层；

6）将沉积有ZnO纳米线种子层的螺旋线组件置于150℃的真空干燥机中完成退火处理；

7）配制浓度为0.025mol/L的ZnO纳米线生长液；

8）采用水热法于90℃下沿键合金丝的螺旋线表面法线方向上生长ZnO纳米线，得到微纳米跨尺度结构；

9）超声清洗长有ZnO纳米线的螺旋线组件，并在室温下干燥；