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

摘要

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，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，采用水热法沿螺旋线部分的螺旋线表面法线方向生长的ZnO纳米线，固定在ZnO纳米线上的葡萄糖氧化酶。本发明将键合金丝绕制在圆柱型光纤纤芯上，形成螺旋线阵列结构，其次在键合金丝的螺旋线部分基于水浴法生长ZnO纳米线，形成微纳米跨尺度结构，用来增大葡萄糖氧化酶的吸附面积；在上述跨尺度结构的基础上，通过改善ZnO纳米线的工艺参数以形成特定的随机粗糙表面，用于增强缓冲液在螺旋线形电极上的吸附和葡萄糖氧化酶在电极上的固定等效果，从而大幅提高葡萄糖传感器用电极的催化效率。

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；

10）配制浓度为0.01mol/L、pH为7.4的磷酸盐缓冲液；

11）将葡萄糖氧化酶加入到上述磷酸盐缓冲液中配制浓度为10mg/mL的葡 萄糖氧化酶溶液；

12）将生长有ZnO纳米线的键合金丝螺旋线部分浸入葡萄糖氧化酶溶液中 保持15分钟后取出，并在室温下干燥，得到一层固定在ZnO纳米线上的、用于 催化作用的葡萄糖氧化酶；

13）将光纤纤芯末端以及键合金丝引线部分穿过塑料吸管的进口，并从塑 料吸管末端露出，同时确保键合金丝螺旋线部分处于塑料吸管进口的外端面， 然后往塑料吸管中注入环氧树脂，并在室温下使之固化。

本发明将跨尺度微纳米结构的思路引入到基于ZnO纳米线的葡萄糖传感器 用电极设计中，其显著结构特点包括以下三方面：

1、将键合金丝（电极材料）绕制在圆柱型光纤纤芯上，形成螺旋线阵列结 构（低频空间结构，尺度在微米级，可扩展至其它低频基底结构），其次在键 合金丝的螺旋线部分基于水浴法生长ZnO纳米线（高频空间结构，尺度在纳米 级），形成微纳米跨尺度结构，用来增大葡萄糖氧化酶的吸附面积；

2、在上述跨尺度结构的基础上，通过改善ZnO纳米线的工艺参数以形成特 定的随机粗糙表面（如高斯、非高斯、自仿射分型等高频结构表面），用于增 强缓冲液在螺旋线形电极上的吸附和葡萄糖氧化酶在电极上的固定等效果，从 而大幅提高葡萄糖传感器用电极的催化效率；

3、由于键合金丝电极是绕制在光纤纤芯上的，不需用微细加工设备，而且 光纤纤芯刚度和强度高、尺寸小，这些特点不但使该传感器电极易于使用、便 于检测和微型化，另外还降低了对制备工艺要求。

本发明的有益效果是，将键合金丝（电极材料）绕制在圆柱型光纤纤芯上， 形成螺旋线阵列结构，其次在键合金丝的螺旋线部分基于水浴法生长ZnO纳米 线，形成微纳米跨尺度结构，用来增大葡萄糖氧化酶的吸附面积；在上述跨尺 度结构的基础上，通过改善ZnO纳米线的工艺参数以形成特定的随机粗糙表面， 用于增强缓冲液在螺旋线形电极上的吸附和葡萄糖氧化酶在电极上的固定等效 果，从而大幅提高葡萄糖传感器用电极的催化效率；由于键合金丝电极是绕制 在光纤纤芯上的，不需用微细加工设备，而且光纤纤芯刚度和强度高、尺寸小， 这些特点不但使该传感器用电极易于使用、便于检测和微型化，另外还降低了 对制备工艺要求。

该发明所制备的基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖传感器用电极不仅可以应 用于医学中人体血液和尿液中葡萄糖浓度的检测，而且可以应用于生物、食品 加工、电化学、环境监测等领域的葡萄糖浓度的检测。

附图说明

图1是本发明未经封装的基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖生物传感器电极 的示意图；其中图1a是固定葡萄糖氧化酶后的螺旋线组件，图1b为图1a的局 部放大图；

图2是本发明将键合金丝以螺旋线方式绕制在光纤纤芯上形成的螺旋线组 件示意图；

图3是本发明在键合金丝的螺旋线表面沿法线方向生长ZnO纳米线以后的 示意图；其中图3a是长有ZnO纳米线的螺旋线组件，图3b是图3a的局部放大 图；

图4是本发明在ZnO纳米线上固定葡萄糖氧化酶以后的示意图；图4a是固 定葡萄糖氧化酶后的螺旋线组件，图4b是图4a的局部放大图；

图5是本发明引线、封装后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施案例对本发明作进一步的详细说明:

如图1，本发明包括作为基底的光纤纤芯1（长度为30mm，直径为125μm）， 以螺旋线方式绕制在光纤纤芯1上的键合金丝（长度为80mm，直径为30μm）， 其中键合金丝分为螺旋线部分2和引线部分3，一层沿螺旋线部分2的螺旋线表 面法线方向生长的ZnO纳米线4，一层固定在ZnO纳米线4上的葡萄糖氧化酶 5。

如图2、图3、图4、图5所示，上述基于ZnO纳米线的葡萄糖传感器用电 极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1；

2）取长度为80mm、直径为30μm的键合金丝；

3）标准清洗光纤纤芯和键合金丝，首先采用丙酮超声清洗5分钟，然后用 去离子水超声清洗2分钟，而后用无水乙醇超声清洗2分钟，再用去离子水超 声清洗2分钟，最后在真空干燥机中150℃烘干；

4）将键合金丝以螺旋线方式绕制在光纤纤芯1上，形成螺旋线组件，其中 键合金丝分为螺旋线部分2和引线部分3，首先用丙酮超声清洗3分钟，然后用 去离子水超声清洗1分钟，再用无水乙醇超声清洗2分钟，再用去离子水超声 清洗1分钟，最后在真空干燥机中150℃烘干，如图2；

5）用电子秤称取0.06585g乙酸锌（C₄H₆O₄Zn·2H₂O），放入50mL烧杯中， 加入24mL无水乙醇；将烧杯放在磁力搅拌机上，以2000r/min的转速边加热边 搅拌，直至完全溶解，自然冷却至室温；取出4mL乙酸锌溶液，加入32mL无 水乙醇，用保鲜膜封住烧杯口，放入水浴箱中65℃加热5分钟；

6）用电子秤称取0.024g氢氧化钠（NaOH），放入50mL烧杯中，加入30mL 无水乙醇；将烧杯放在磁力搅拌机上，以2000r/min的转速边加热边搅拌，直至 完全溶解，自然冷却至室温；取4mL氢氧化钠溶液，加入10mL无水乙醇，用 保鲜膜封住烧杯口，放入水浴箱中65℃加热5分钟；

7）将步骤5）和步骤6）分别得到的乙酸锌溶液和氢氧化钠溶液混合，用 保鲜膜封住烧杯口，放入水浴箱中65℃加热30分钟；取出后，自然冷却至室温， 便可得到浓度为1mmol/L的ZnO纳米线种子层溶液；

8）用夹具夹持住上述螺旋线组件的光纤纤芯末端，并将键合金丝螺旋线部 分浸入ZnO纳米线种子层溶液中保持2分钟，并在150℃氛围下完成退火处理， 重复三次；

9）分别称取3.71g硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O），1.75g六次甲基四胺(C₆H₁₂N₄)， 放入500mL烧杯中，加入500mL去离子水，在磁力搅拌机上，以3000r/min的 转速边加热边搅拌，加热至90℃即可，便可得到浓度为0.025mol/L的ZnO纳米 线生长液；

10）生长ZnO纳米线，将用夹具夹持的上述光纤纤芯放入烧杯中，加入步 骤9）所配制的ZnO纳米线生长液，用保鲜膜封住烧杯口，放入水浴锅中90℃ 生长120分钟，得到微纳米跨尺度结构，如图3；

11）清洗长有ZnO纳米线的键合金丝，用去离子水超声清洗长有ZnO纳米 线的键合金丝5分钟，室温下干燥；

12）配制浓度为0.01mol/L、pH值为7.4的磷酸盐缓冲液，称取2.9009g磷 酸氢二钠（Na₂HPO₄·12H₂O），0.2964g磷酸二氢钠（NaH₂PO₄·2H₂O），0.7455g 氯化钾(KCl)，加去离子水稀释，玻璃棒搅拌，然后定容至1000mL；

13）配制浓度为10mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液，称取0.05g葡萄糖氧化酶， 加入5mL的上述磷酸盐缓冲液，搅拌均匀；

14）将长有ZnO纳米线的键合金丝螺旋线部分浸入磷酸盐缓冲液（浓度为 0.01M，pH为7.4）中，先形成亲水的表面，再将其浸入步骤13）所配制的葡萄 糖氧化酶溶液中15分钟，取出后，室温下干燥20分钟，如图4；

15）将光纤纤芯末端以及键合金丝引线部分穿过塑料吸管7的进口，并从 塑料吸管末端露出，同时确保键合金丝的螺旋线部分处于塑料吸管进口的外端 面，然后往塑料吸管中注入环氧树脂6，并在室温下使之固化；最终得到基于 ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖传感器用电极，如图5。