[发明专利]一种基于球形跨尺度结构阵列的葡萄糖酶电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微传感技术领域，主要应用于电化学、生物、医学、食品加工、环境监测等领域，特别涉及一种基于球形跨尺度结构阵列的葡萄糖酶电极及其制备方法，用于人体血液和尿液中葡萄糖浓度的检测。

背景技术

糖尿病是一种内分泌代谢疾病，经常伴随心脑血管疾病、肾衰竭等各种并发症，严重威胁人体健康。第三代葡萄糖传感器以GOD与基底电极间的直接电子转移为主要特征，其灵敏度高、响应速度快、检出限低、易于操作，在糖尿病诊断及血糖控制方面正受到越来越广泛的关注。该类葡萄糖传感器的研究重点主要包括GOD与被测葡萄糖之间的化学反应机理分析、酶电极基质材料的选择、基底电极结构的设计、酶电极的小型化等。作为一种宽带隙半导体材料，ZnO纳米线具有比表面积大、等电点高(IEP～9.5ev)、电子迁移率高、无毒、生物兼容性好、热稳定性好、抗氧化能力强等优点，将其作为酶电极的基质材料，不但能有效地吸附低等电点的GOD(IEP～4.2ev)，还可显著提高GOD和基底电极之间电子转移效率。为了进一步提高GOD的吸附面积、增强GOD的吸附效果、实现葡萄糖酶电极的小型化，进而改善葡萄糖酶电极的灵敏度、响应速度、最低检出限、使用寿命，需要对葡萄糖酶电极的基底电极和基质材料的结构进行精细设计、对其制备工艺进行改进，以便能高精度、低成本、批量地制备小型化的葡萄糖酶电极。

基于跨尺度结构的葡萄糖酶电极目前主要有平面形和圆柱形两大类。平面形跨尺度工作电极的微米级电极基底主要包括溅射有Au膜的玻璃基底、硅基底、ITO导电玻璃等，例如中国科学技术大学的Tao Kong等人在溅射有Au膜的硅基底上基于水浴法合成了ZnO纳米线，得到平面形跨尺度结构并用于GOD的吸附和固定，最终制备出相应的葡萄糖传感器。圆柱形跨尺度工作电极的基底主要有键合Au丝、Ag丝、Pt丝、Au-W合金丝、碳纤维等，例如瑞典University的S.M.U.Ali等人在直径为Φ250μm的Ag丝上基于水浴法合成ZnO纳米线，进而得到圆柱形跨尺度结构，最终制备出了基于电位法的葡萄糖传感器。

工作电极的尺度主要由基底电极决定，目前其大小多为毫米级，小型化需要进一步提高。例如德国的J.Perdomo在硅基底上集成了大小为11mm×6mm的乳酸和葡萄糖酶电极芯片；NBIC新药物研究所的Wang Yi-Ting以直径为Φ3mm的热解石墨盘作为酶电极基底；韩国Inha University的Ji Yeong Kim以镀有Au/Cr且尺寸为3mm×2mm的矩形玻璃基底做为酶电极。

上述研究中所提及的跨尺度葡萄糖酶电极没有涉及球形跨尺度结构阵列。和平面形、圆柱形跨尺度结构相比较，在相同的投影区域内，球形跨尺度结构的电极面积分别增加了4倍、1.3倍，不但能有效提高酶电极的灵敏度、降低最低检出限，还能显著减小酶电极的占用空间、实现酶电极的小型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于球形跨尺度结构阵列的葡萄糖酶电极及其制备方法，按本发明的制备方法制成的葡萄糖酶电极，其催化效率高、响应速度快、灵敏度高、检出限低、线性范围大、小型化、对制造设备要求较低、成本低廉。

为达到上述目的，本发明采用的电极：包括塑料滴管以及用环氧树脂胶封装在塑料滴管内的3×3金微球阵列组件，所述的3×3金微球阵列组件包括硅基底以及设置在硅基底上的由金微球和金丝引线构成的复合结构，且在3×3金微球阵列的金微球上合成的ZnO纳米线，基于物理吸附法而固定在ZnO纳米线上的葡萄糖氧化酶。

所述复合结构金丝引线的长度为17mm、直径为Φ50μm，金微球的直径为Φ400μm。

所述的硅基底的长度为8mm、宽度为8mm、厚度为520μm。

所述的3×3金微球阵列的横向节距为625μm，纵向节距为570μm。

用水浴法在金微球表面合成的ZnO纳米线，其端面为正六边形结构，长度为1～2μm，正六边形结构直径为Φ40～60nm。

所述的塑料滴管大端直径为Φ12mm，管身直径为Φ5mm。

本发明的制备方法如下：

1)取九根长度为80mm、直径为Φ50μm的键合金丝，分别熔融至17mm，得到九个包含有金丝引线和直径为Φ400μm的金微球的复合结构材料；

2)从厚度为520μm、直径为Φ100mm的硅片中裁取块长度为8mm、宽度为8mm的硅基底清洗干净；

3)将三根带有金属线和复合金微球的复合结构材料按625μm的节距均匀排列在贴有导电胶带且厚度为520μm的硅基底上形成1×3金微球阵列；