专利名称：一种ZnO/酶生物传感器及制备方法
技术领域：
本发明属于酶生物传感器制备技术领域，特别涉及ー种ZnO/酶生物传感器及制备方法。
背景技术：
ZnO属于宽带隙第三代半导体材料，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，特别是它的等电点高达9. 5，这使得ZnO结构表面的生物分子自组装和修饰更容易操作且可靠。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。这些优点完全符合构建生物传感器对载体材料的特殊要求，使其在生物化学传感器领域的应用上具有很强的吸引力。目前制备ZnO纳米材料的方法有水热、电化学、热蒸、溶胶凝胶等，这些方法エ艺复杂，对试验环境要求苛刻，重复性差，并且产量小不适合批量生产，难以满足ZnO纳米材料和器件的迅速实用化的需要，另外敏感性能差也是制约实用化的另ー障碍。多孔的ー维纳米材料相对于无孔的ー维纳米材料具有更大的比表面，因此更有利于生物传感性能的提高，目前，还没有多孔ー维ZnO纳米材料用于生物传感器的制作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现存技术的不足，提供ー种ZnO/酶生物传感器及制备方法。ー种ZnO/酶生物传感器，包括衬底、导电薄膜层、绝缘包裹层、ZnO纳米材料层、生物酶分子；
衬底上蒸镀导电薄膜层形成基片，基片一端面积为a X b的矩形I上生长ZnO纳米材料层，生物酶分子固定在ZnO纳米材料层内，基片另一端面积为c X d的矩形II保留，绝缘包裹层将基片中间段包裹；
所述的a、b为矩形I相邻的两条边，a为为所述的c、d为矩形II相邻的两条边，c为为所述的中间段的一端与ZnO纳米材料层相接，即矩形I相接；另一端与矩形II相接。ー种ZnO/酶生物传感器制备方法，包括如下步骤
步骤(I).将ニ氧化硅片或者玻璃片切成eXf 的衬底，并将衬底先用无水酒精超声清洗30 ~ 50分钟，再用蒸馏水超声清洗30 - 50分钟，然后放入烘干箱备用；
所述的e、f为衬底相邻的两条边，e为为IOmm ；
步骤(2).将干燥的衬底用电子束蒸发或者磁控溅射镀ー层导电薄膜层形成基片，导电薄膜层厚度为50 ~ 200nm。步骤(3).将基片用于高压静电纺丝，基片一端暴露面积为a X b的矩形I，其余部分暂时遮�。哐咕驳绶乃繀⑹乘嵝咳苡谂ǘ任�10 15被％聚こ烯醇水溶液形成混合溶液，其中聚こ烯醇与こ酸锌质量比为0. 8 I. 2 ;并将该混合溶液于40°C 60°C加热搅拌10 30min，加热搅拌期间逐滴滴加无水酒精，酒精与混合溶液体积比为I :8 I : 12 ;纺丝距离10 20cm ;直流电压6 IOKV ;纺丝时间为4 8小时；
步骤(4).将电纺沉积复合材料后的基片，在含有空气的石英管中直接加热退火，升温速度为5 10°C每分钟，保温温度为500 700°C，保温时间为I 2小时，最后自然降至室温，即得到生长有ZnO纳米材料层的基片，然后将该基片放入烘干箱备用。步骤(5).用浓度为0. 067 mo I/L的磷酸ニ氢钠和浓度为0. 067 mo I/L的磷酸氢ニ 钠配制成PH值为6. 8 7. 2的磷酸盐缓冲溶液，然后在该磷酸盐缓冲溶液中加入生物酶， 室温搅拌配制成5. 0 15mg mr1的酶溶液，将5 15ml酶溶液滴到ZnO纳米材料层上， 等晾干后，将5 15ml浓度为0. 5 wt%的壳聚糖溶液滴加到ZnO纳米材料层上，然后放入温度为4°C的冰箱过夜干燥，最后将干燥的基片中间段用绝缘包裹层包裹；
所述的绝缘包裹层材料为WAX或者PMMA。本发明有益效果如下
本发明中ZnO—维纳米纤维具有广泛分布的微孔,相对于其它方法制备的ZnO—维纳米材料具有更大的比表面，能为酶分子固定提供更大的表面和更好的保持起活性的微环境。本发明制备的ZnO/酶生物传感器对所测物质表现出很高的灵敏度，很快的反应速度， 较低的探測限度和较宽的线性范围，并且实现了 ZnO/酶生物传感器的快速、低成本、无污染、大批量生产。总之，本发明制备エ艺简单、无污染，原材料丰富、廉价，特别适合制备大批量低成本的ZnO/酶生物传感器。
图I为本发明结构示意图2 Ca)单根ZnO纳米纤维的高倍扫描电子显微镜照片；
图2 (b) ZnO纳米纤维之间的连接点的扫描电子显微镜照片；
图2 (c) ZnO纳米纤维的低倍扫描电子显微镜照片；
图3 ZnO纳米纤维的X射线衍射图谱；
图4加入过氧化氢前后ZnO/过氧化物酶生物传感器的CV循环曲线；
图5 (a)电流随过氧化氢密度变化曲线；
图5 (b)电流随过氧化氢密度变化曲线的线性拟合；
图中，衬底I、导电薄膜层2、绝缘包裹层3、ZnO纳米材料层4、生物酶分子5。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步说明。如图I所示，ー种ZnO/酶生物传感器，包括衬底I、导电薄膜层2、绝缘包裹层3、 ZnO纳米材料层4、生物酶分子5 ；
衬底I上蒸镀导电薄膜层2形成基片，基片一端面积为a X b的矩形I上生长ZnO纳米材料层4，生物酶分子5固定在ZnO纳米材料层内，基片另一端面积为c X d的矩形II保留，绝缘包裹层3将基片中间段包裹；所述的a、b为矩形I相邻的两条边，a为为所述的c、d为矩形II相邻的两条边，c为2mm~3mm,d为所述的中间段的一端与ZnO纳米材料层相接，即矩形I相接；另一端与矩形II相接。ー种ZnO/酶生物传感器制备方法，包括如下步骤
步骤(I).将ニ氧化硅片或者玻璃片切成eXf 的衬底I，并将衬底I先用无水酒精超声清洗30 ~ 50分钟，再用蒸馏水超声清洗30 ~ 50分钟，然后放入烘干箱备用；
所述的e、f为衬底I相邻的两条边，e为为IOmm ；
步骤(2).将干燥的衬底I用电子束蒸发或者磁控溅射镀ー层导电薄膜层2形成基片， 导电薄膜层2厚度为50 ~ 200nm。步骤(3).将基片用于高压静电纺丝，基片一端暴露面积为a X b的矩形I，其余部分暂时遮�。哐咕驳绶乃繀⑹乘嵝咳苡谂ǘ任�10 15被％聚こ烯醇水溶液形成混合溶液，其中聚こ烯醇与こ酸锌质量比为0. 8 I. 2 ;并将该混合溶液于40°C 60°C加热搅拌10 30min，加热搅拌期间逐滴滴加无水酒精，酒精与混合溶液体积比为I :8 I : 12 ;纺丝距离10 20cm ;直流电压6 IOKV ;纺丝时间为4 8小时；
步骤(4).将电纺沉积复合材料后的基片，在含有空气的石英管中直接加热退火，升温速度为5 10°C每分钟，保温温度为500 700°C，保温时间为I 2小时，最后自然降至室温，即得到生长有ZnO纳米材料层4的基片，然后将该基片放入烘干箱备用。ZnO纳米纤维的扫描电镜图片如图2 (a)、图2 (b)、图2 (c)所示，图3所示为ZnO纳米纤维的X射线衍射图谱。步骤(5).用浓度为0. 067 mol/L的磷酸ニ氢钠和浓度为0. 067 mol/L的磷酸氢ニ 钠配制成PH值为6. 8 7. 2的磷酸盐缓冲溶液，然后在该磷酸盐缓冲溶液中加入生物酶， 室温搅拌配制成5. 0 15mg mr1的酶溶液，将5 15ml酶溶液滴到ZnO纳米材料层4上， 等晾干后，将5 15ml浓度为0. 5 wt%的壳聚糖溶液滴加到ZnO纳米材料层4上，然后放入温度为4°C的冰箱过夜干燥，最后将干燥的基片中间段用绝缘包裹层3包裹；
所述的绝缘包裹层3材料为WAX或者PMMA ；
所述的生物酶为过氧化氢酶、葡萄糖氧化物酶或其他酶。ZnO /酶生物传感器的生物传感性能测试如下
针对其中ー种ZnO/过氧化物酶生物传感器，在室温下测试，采用WPGlOOe电化学工作站的三电极测试系统，将ZnO /过氧化物酶生物传感器作为工作电极，Pt电极为对电极， Ag/AgCl电极为參比电极，测试在磷酸盐缓冲溶液中进行。测试结果为ZnO /过氧化物酶生物传感器对过氧化氢表现出的灵敏度较高、响应速度较快、探測限度低、线性范围宽。ZnO/过氧化物酶生物传感器的电化学测试结果如图 4、图5 (a)、图5 (b)所示。实施例I
步骤(I) 将ニ氧化硅片或者玻璃片切成3_X 10 mm的衬底1，并将衬底I先用无水酒精超声清洗50分钟，再用蒸馏水超声清洗50分钟，然后放入烘干箱备用；
步骤(2).将干燥的衬底I用电子束蒸发或者磁控溅射镀ー层导电薄膜层2形成基片， 导电薄膜层2厚度为200nm。步骤(3).将基片用于高压静电纺丝,基片一端暴露面积为3 mm X 3mm的矩形I ,其余部分暂时遮�。哐咕驳绶乃繀⑹乘嵝咳苡谂ǘ任�12被％聚こ烯醇水溶液形成混合溶液，其中聚こ烯醇与こ酸锌质量比为I ;并将该混合溶液于40°C加热搅拌30min，加热搅拌期间逐滴滴加无水酒精，酒精与混合溶液体积比为I :8 ;纺丝距离20cm ;直流电压 8KV ;纺丝时间为8小时；
步骤(4).将电纺沉积复合材料后的基片，在含有空气的石英管中直接加热退火，升温速度10°C每分钟，保温温度为600°C，保温时间为I. 5小时，最后自然降至室温，即得到生长有ZnO纳米材料层4的基片，然后将该基片放入烘干箱备用。步骤(5).用浓度为0.067 mol/L的磷酸ニ氢钠和浓度为0. 067 mol/L的磷酸氢 ニ钠配制成PH值为7的磷酸盐缓冲溶液，然后在该磷酸盐缓冲溶液中加入生物酶，室温搅拌配制成IOmg mr1的酶溶液，将15ml酶溶液滴到ZnO纳米材料层4上，等晾干后，将15ml 浓度为0. 5 wt%的壳聚糖溶液滴加到ZnO纳米材料层4上，然后放入温度为4°C的冰箱过夜干燥，最后将干燥的基片中间段用绝缘包裹层3包裹；
所述的绝缘包裹层3材料为WAX ；
实施例2
步骤(I) 将ニ氧化硅片或者玻璃片切成2_X 10 mm的衬底1，并将衬底I先用无水酒精超声清洗40分钟，再用蒸馏水超声清洗40分钟，然后放入烘干箱备用；
步骤(2).将干燥的衬底I用电子束蒸发或者磁控溅射镀ー层导电薄膜层2形成基片， 导电薄膜层2厚度为lOOnm。步骤(3).将基片用于高压静电纺丝，基片一端暴露面积为2 mm X 2mm的矩形I， 其余部分暂时遮�。哐咕驳绶乃繀⑹乘嵝咳苡谂ǘ任�10被％聚こ烯醇水溶液形成混合溶液，其中聚こ烯醇与こ酸锌质量比为0. 8 ;并将该混合溶液于50°C加热搅拌20min， 加热搅拌期间逐滴滴加无水酒精，酒精与混合溶液体积比为I :10 ;纺丝距离15cm ;直流电压IOKV ;纺丝时间为6小时；
步骤(4).将电纺沉积复合材料后的基片，在含有空气的石英管中直接加热退火，升温速度为7°C每分钟，保温温度为700°C，保温时间为I小时，最后自然降至室温，即得到生长有ZnO纳米材料层4的基片，然后将该基片放入烘干箱备用。步骤(5).用浓度为0. 067 mol/L的磷酸ニ氢钠和浓度为0. 067 mol/L的磷酸氢ニ 钠配制成PH值为6. 8的磷酸盐缓冲溶液，然后在该磷酸盐缓冲溶液中加入生物酶，室温搅拌配制成15mg mr1的酶溶液，将IOml酶溶液滴到ZnO纳米材料层4上，等晾干后，将IOml 浓度为0. 5 wt%的壳聚糖溶液滴加到ZnO纳米材料层4上，然后放入温度为4°C的冰箱过夜干燥，最后将干燥的基片中间段用绝缘包裹层3包裹；
所述的绝缘包裹层3材料为PMMA ；
实施例3
步骤(I) 将ニ氧化硅片或者玻璃片切成1_X 10 mm的衬底1，并将衬底I先用无水酒精超声清洗30分钟，再用蒸馏水超声清洗30分钟，然后放入烘干箱备用；
步骤(2).将干燥的衬底I用电子束蒸发或者磁控溅射镀ー层导电薄膜层2形成基片， 导电薄膜层2厚度为50nm。步骤(3).将基片用于高压静电纺丝，基片一端暴露面积为I mm X Imm的矩形I , 其余部分暂时遮�。哐咕驳绶乃繀⑹乘嵝咳苡谂ǘ任�15被％聚こ烯醇水溶液形成混合溶液，其中聚こ烯醇与こ酸锌质量比为I. 2 ;并将该混合溶液于60°C加热搅拌lOmin， 加热搅拌期间逐滴滴加无水酒精，酒精与混合溶液体积比为I :12 ;纺丝距离IOcm ;直流电压6KV ;纺丝时间为4小时；
步骤(4).将电纺沉积复合材料后的基片，在含有空气的石英管中直接加热退火，升温速度为5°C每分钟，保温温度为500°C，保温时间为2小时，最后自然降至室温，即得到生长有ZnO纳米材料层4的基片，然后将该基片放入烘干箱备用。步骤(5).用浓度为0. 067 mol/L的磷酸ニ氢钠和浓度为0. 067 mol/L的磷酸氢ニ 钠配制成PH值为7. 2的磷酸盐缓冲溶液，然后在该磷酸盐缓冲溶液中加入生物酶，室温搅拌配制成5. 0 mg mr1的酶溶液，将5ml酶溶液滴到ZnO纳米材料层4上，等晾干后，将5ml 浓度为0. 5 wt%的壳聚糖溶液滴加到ZnO纳米材料层4上，然后放入温度为4°C的冰箱过夜干燥，最后将干燥的基片中间段用绝缘包裹层3包裹；
所述的绝缘包裹层3材料为WAX。
权利要求
1.一种ZnO/酶生物传感器，其特征在于包括衬底(I)、导电薄膜层(2)、绝缘包裹层(3)、ZnO纳米材料层(4)、生物酶分子(5)；衬底(I)上蒸镀导电薄膜层(2)形成基片，基片一端面积为a X b的矩形I上生长ZnO纳米材料层(4)，生物酶分子(5)固定在ZnO纳米材料层(4)内， 基片另一端面积为C X d的矩形II保留，绝缘包裹层(3)将基片中间段包裹；所述的a、b为矩形I相邻的两条边，a为Imm 3mm,b为1ι πι·~3πιπι;所述的c、d为矩形II相邻的两条边，c为2mm""3mm,d为所述的中间段的一端与ZnO纳米材料层(4)相接，即与矩形I相接；另一端与矩形II相接。
2.—种ZnO/酶生物传感器制备方法，包括如下步骤步骤(I).将二氧化硅片或者玻璃片切成eXf的衬底(1)，并将衬底(I)先用无水酒精超声清洗30 50分钟，再用蒸馏水超声清洗30 50分钟，然后放入烘干箱备用；所述的e、f为衬底(I)相邻的两条边，e为为IOmm ；步骤(2).将干燥的衬底(I)用电子束蒸发或者磁控溅射镀一层导电薄膜层(2)形成基片，导电薄膜层(2)厚度为50 ~ 200nm ；步骤(3).将基片用于高压静电纺丝，基片一端暴露面积为L X b的矩形I，其余部分暂时遮�。哐咕驳绶乃坎问宜嵝咳苡谂ǘ任�10 15被％聚乙烯醇水溶液形成混合溶液，其中聚乙烯醇与乙酸锌质量比为O. 8 I. 2 ;并将该混合溶液于40°C 60°C加热搅拌10 30min，加热搅拌期间逐滴滴加无水酒精，酒精与混合溶液体积比为I :8 I :12 ; 纺丝距离10 20cm ;直流电压6 IOKV ;纺丝时间为4 8小时；步骤(4).将电纺沉积复合材料后的基片，在含有空气的石英管中直接加热退火，升温速度为5 10°C每分钟，保温温度为500 700°C，保温时间为I 2小时，最后自然降至室温，即得到生长有ZnO纳米材料层(4)的基片，然后将该基片放入烘干箱备用；步骤(5).用浓度为O. 067 mol/L的磷酸二氢钠和浓度为O. 067 mol/L的磷酸氢二钠配制成PH值为6. 8 7. 2的磷酸盐缓冲溶液，然后在该磷酸盐缓冲溶液中加入生物酶，室温搅拌配制成5. O 15mg πιΓ1的酶溶液，将5 15ml酶溶液滴到ZnO纳米材料层(4)上， 等晾干后，将5 15ml浓度为O. 5 wt%的壳聚糖溶液滴加到ZnO纳米纤维层上，然后放入温度为4°C的冰箱过夜干燥，最后将干燥的基片中间段用绝缘包裹层(3)包裹；所述的绝缘包裹层(3)材料为WAX或者PMMA。
全文摘要
本发明公开了一种ZnO/酶生物传感器及制备方法，现有装置方法工艺复杂，对试验环境要求苛刻，重复性差。本发明包括包括衬底、导电薄膜层、绝缘包裹层、ZnO纳米材料层、生物酶分子，首先衬底上蒸镀导电薄膜层形成基片，基片一端面积为ab的矩形Ⅰ上生长ZnO纳米材料层，生物酶分子固定在ZnO纳米材料层内，基片另一端面积为cd的矩形Ⅱ保留，绝缘包裹层将基片中间段包裹。本发明制备工艺简单、无污染，原材料丰富、廉价，特别适合制备大批量低成本的ZnO/酶生物传感器。
文档编号G01N27/26GK102590297SQ201210063188
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者叶志镇, 赵明岗, 黄靖云 申请人:浙江大学
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