專利名稱：電化學生物傳感器及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電化學生物傳感器及其制備方法與應用。
背景技術：
電化學生物傳感器是指由固定化的生物體本身(細胞、細胞器、組織等)或其成分(酶、抗原、抗體、激素等)作為敏感元件，電極作為信號轉換元件，以電勢或電流作為檢測信號的傳感器。由于電化學生物傳感器具有檢測限低，靈敏度高，操作簡便，低成本等優點，近年來廣泛應用于臨床檢驗，環境分析，食品安全，藥物分析等領域(Handbook of Biosensors and Biochips，Chem. Rev.2008，108，2646-2687)。當前電化學生物傳感器電極的主要制備方法為物理刻蝕法和絲網印刷法。在公開號為CN1584575，發明名稱為“一種電化學生物傳感器及其制造方法”所公開的技術方案中，所述電化學生物傳感器的圓形工作電極和圓弧形參比電極分別由絲網印刷、磁控濺射、真空蒸鍍的方法進行制備，采用涂覆的方法涂覆絕緣漆以制備絕緣層；在公開號為 CN1584575，發明名稱為“一次性使用電化學生物傳感器的制作方法”所公開的技術方案中， 公開了在絕緣基材上刻割出所需要圖形，形成掩膜，利用微機械加工技術的濺射方法制備所需電極。以上制備過程均十分繁瑣，可控性差，精度低，成本高，直接影響器件性能；由于電化學生物傳感器廣泛應用于醫療檢測領域，這將顯著增加患者醫療檢測的經濟負擔。因此，采用便捷方法大規模制備高精度，低成本，檢測性能優良的電化學生物傳感器成為醫療領域以及其他領域亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種電化學生物傳感器及其制備方法與應用。本發明提供的電化學生物傳感器，包括至少一個電極。上述電化學生物傳感器中，所述傳感器包括一個或兩個或三個電極組成，相應的， 所述電化學生物傳感器為單電極、雙電極或三電極電化學生物傳感器。當然，上述電化學生物傳感器也可只由所述一個或兩個或三個電極組成；其中，所述由一個電極組成的傳感器(也即單電極電化學生物傳感器)中，所述電極為工作電極；所述由兩個電極組成的傳感器(也即雙電極電化學生物傳感器)中，所述電極為工作電極和對電極；其中，所述工作電極和對電極均水平間隔排布在同一基底上；所述工作電極和對電極的工作區域中心點的間隔為1-lOmm，優選2mm ；所述由三個電極組成的傳感器(也即三電極電化學生物傳感器)中，所述電極為工作電極、對電極和參比電極；其中，所述工作電極、對電極和參比電極均水平間隔排布在同一基底上；所述工作電極、對電極和參比電極的工作區域中心點的間隔均為1-lOmm，優選2mm ；所述對電極和參比電極分別在所述工作電極的兩側。其中，所述工作電極包括基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層；其中，所述工作電極傳導層位于所述基底之上；所述工作電極層和所述工作電極絕緣層全覆蓋所述工作電極傳導層，且所述工作電極層和所述工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，所述工作電極絕緣層位于所述工作電極層之上；所述生物敏感層位于所述工作電極層之上的非重疊區域；該工作電極也可只由上述各層組成；所述對電極包括基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層；其中，所述對電極傳導層位于所述基底之上；所述對電極層和所述對電極絕緣層全覆蓋所述對電極傳導層，且所述對電極層和所述對電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，所述對電極絕緣層位于所述對電極層之上；該對電極也可只由上述各層組成；所述參比電極包括基底、參比電極傳導層、參比電極層和參比電極絕緣層；其中， 所述參比電極傳導層位于所述基底之上；所述參比電極層和所述參比電極絕緣層全覆蓋所述參比電極傳導層，且所述參比電極層和所述參比電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，所述參比電極絕緣層位于所述參比電極層之上。該參比電極也可只由上述各層組成。所述工作電極、對電極和參比電極中，構成所述基底的材料均為膜，所述膜優選聚對甲二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亞胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、 聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酰胺(PA)和聚碳酸酯(PC)中的至少一種，優選聚對甲二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)和聚酰亞胺(PI)中的至少一種；構成所述工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料均為納米材料，優選單金屬納米材料、合金納米材料和核殼結構納米粒子材料中的至少一種；所述納米材料的粒徑均為5nm lOOnm，優選5 30nm ；所述單金屬納米材料選自納米鉬、納米金、納米銀和納米銅中的至少一種；構成所述合金納米材料和構成所述核殼結構納米粒子材料的金屬均選自鉬、金、銀和銅中的至少兩種；所述核殼結構納米粒子材料優選銀包銅核殼結構納米粒子或銅包銀核殼結構納米粒子；構成所述工作電極層和對電極層的材料均選自納米鉬、納米金、碳納米管、納米石墨和碳的其它同素異形體構成的納米材料中的至少一種；構成所述工作電極層和對電極層的材料的粒徑均為5nm lOOnm，優選5 30nm ；構成所述參比電極層的材料為由銀和氯化銀顆粒組成的混合物；其中，所述銀和氯化銀的質量比為10 1 600 1，優選100 1 ；構成所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均選自聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對甲二甲酸乙二醇酯中的至少一種，優選聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚乙烯中的至少一種；構成所述生物敏感層的材料均為生物活性分子的水溶液，優選氧化還原酶(也即氧化酶和還原酶的簡稱)、脫氫酶、抗體、抗原和激素的水溶液中的至少一種，更優選葡萄糖氧化酶的水溶液和葡萄糖脫氫酶的水溶液中的至少一種；所述生物活性分子的水溶液的質量百分濃度為0. 1 5%，優選0. 1 1%。本發明提供的制備上述傳感器的方法，包括如下步驟1)在所述基底上，將構成所述工作電極傳導層或對電極傳導層或參比電極傳導層的材料溶于溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于所述基底上，烘干后依次得到所述工作電極傳導層、對電極傳導層或參比電極傳導層；2)將構成所述工作電極層、對電極層或參比電極層的材料溶于溶劑后，按照預設形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層或參比電極傳導層上，依次得到所述工作電極層、對電極層或參比電極層；3)將構成所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層或參比電極絕緣層的材料溶于溶劑后，按照預設形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層或參比電極傳導層上及所述步驟幻所得部分工作電極層、對電極層或參比電極層上，烘干后依次得到所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層或參比電極絕緣層；4)將構成所述生物敏感層的材料按照預設形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟 2)所得工作電極層上，得到所述生物敏感層，完成所述傳感器的制備。上述方法的所述步驟1)至步驟4)中，所述溶劑均選自水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、異丁醇、丁二醇、正戊醇、異戊醇、戊二醇、甲烷、乙烷、正丙烷、正丁烷和正戊烷中的至少一種；所述步驟1)中，由所述構成工作電極傳導層或對電極傳導層或參比電極傳導層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述材料的質量百分濃度為10% 50%，優選 10-20% ；烘干步驟中，溫度為80°C 400°C，優選100-200°C，時間為10-40分鐘，優選10分鐘；所述步驟2)中，由所述構成工作電極層或對電極層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述工作電極層或對電極層的材料的質量百分濃度為10% 50%，優選10-20% ；所述步驟2、中，由所述構成參比電極層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述參比電極層的材料的質量百分濃度為5% -20%，優選5-10% ；、所述步驟幻中，由所述構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層或參比電極絕緣層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述材料的質量百分濃度為 20%，優選1-10% ；所述步驟4)中，由所述構成生物敏感層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述構成生物敏感層的材料的質量百分濃度為0. 5%，優選0. 1-0. 5%。所述步驟幻至步驟4)噴墨打印步驟中，單噴頭或多噴頭打印裝置。該噴墨打印方法是基于數字控制的噴墨打印材料直接圖形化方法，是常規的噴墨打印方法，各種常用的噴墨打印方法均適用，所用噴墨打印裝置可以是單噴頭打印裝置或多噴頭并行打印裝置， 各種市售或自制的噴墨打印系統均適用于該方法，如可為肌(^0^^、1^(^0(11~叩、？11^打1111、 Epson、Cannon、HP、Lexmark、Xaar等品牌出售的噴墨打印機裝置。以上述本發明提供的電化學生物傳感器為傳感器的電化學電極，以及該傳感器在制備電化學電極中的應用，也屬于本發明的保護范圍。其中，所述傳感器優選血糖電化學檢測傳感器。本發明開發了一種電化學生物傳感器的新型制備方法，將構成傳感器的各組分材料(除基底外)配制成納米材料乳液或溶液作為墨水，在基底表面利用噴墨打印方法逐層打印各組分，最終組裝成具有電化學響應的生物傳感器，從而得到可用于制備各種形狀的單電極、雙電極、三電極甚至多電極體系的電化學生物傳感器及陣列傳感器的制備方法。相比傳統統物理刻蝕和絲網印刷方法制備的電化學生物傳感器，本發明的優點在于操作便捷，可控性強，制備成本低，便于規模生產；另外，由于選用了具有大比表面積的納米材料作為工作電極，因而可顯著提高傳感器的靈敏度。
圖1為本發明單電極電化學生物傳感器設計示意圖。圖2為本發明的雙電極電化學生物傳感器設計示意圖。圖3為本發明實施例1的三電極電化學生物傳感器設計示意圖。圖4為本發明實施例2單電極電化學生物傳感器設計示意圖。圖5為本發明實施例3雙電極電化學生物傳感器設計示意圖。圖6為本發明實施例4和實施例5三電極電化學生物傳感器設計示意圖。圖7為本發明實施例2利用噴墨打印機(Epson Cl 10)制備單電極電化學生物傳感器的示意圖。結果。結果。
測結果c
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圖8為實施例1制備所得傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測的檢測圖9為實施例2制備所得傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測的檢測圖10為實施例3制備所得傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測的檢圖11為實施例4制備所得傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測的檢圖12為實施例5制備所得傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測的檢附圖標記
1.基底2.工作電極傳導層 3.工作電極層4.工作電極絕緣層
5.生物敏感層6.對電極傳導層 7.對電極層 8.對電極絕緣層 9.參比傳導層10.參比電極層 11.參比電極絕緣層
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的詳細闡述，所述實施例僅是便于理解本發明，而非對本發明的限制，本領域技術人員，在閱讀本發明說明書的基礎上，作出的任何變型或改變，都不會背離本發明的精神和范圍。所述方法如無特別說明均為常規方法。所述材料如無特別說明均能從公開商業途徑而得。下述實施例中所用葡萄糖標準溶液均按如下方法配制稱取45mg葡萄糖，使用 0. ImM PBS緩沖溶液(pH= 7. 40)定溶于250mL容量瓶中，放置Mh，使其達到變旋平衡，再使用0. ImM PBS緩沖溶液稀釋到所需濃度。下述實施例中所得檢測限均采用3 0 /slope公式，式中ο表示儀器檢測噪聲， slope表示線性方程的斜率。實施例1、制備三電極電化學生物傳感器1)利用Microfab jetlab II打印機按照圖3設計的三電極電化學生物傳感器，在美國PPG公司生產的聚氯乙烯(PVC)薄膜構成的基底上，將構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料溶于由體積比為1 1的水和乙二醇組成的溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于PVC基底上，在馬弗爐中80°C烘干15min后依次得到工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層；其中，構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的墨水材料均為粒徑為 5nm 的銀納米粒子導電油墨(購自 NanoMas Technologies, Inc.，NMTI NanoSilver hks，產品編號為NTS05)，該導電油墨在相應溶液中的質量百分濃度為10% ；2)將構成工作電極層、對電極層和參比電極層的材料溶于由體積比為1 1的水和乙二醇組成的溶劑后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層上，依次得到工作電極層、對電極層或參比電極層；其中，構成工作電極層、對電極層的墨水材料均為粒徑為20nm的金導電油墨(購自 NanoMas Technologies, Inc. , NMTI NanoGold hks，產品編號為 NTG05)，該導電油墨在相應溶液中的質量百分濃度為10% ；構成參比電極層的墨水材料為購自日本Aeschon公司的銀/氯化銀(銀和氯化銀的質量比為100 1)；該墨水材料中，銀和氯化銀在相應溶液中的質量百分濃度為5% ；3)將構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料溶于由體積比為40 60的水和丙三醇組成的溶劑后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層上及步驟幻所得部分工作電極層、對電極層和參比電極層上，并在馬弗爐中100°C烘干15min后依次得到工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層；其中，構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均為聚丙烯； 該聚丙烯在相應溶液中的質量百分濃度為；4)將構成生物敏感層的材料(質量百分濃度為0.1%的葡萄糖氧化酶水溶液) 溶于溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于步驟2)所得工作電極層上，得到生物敏感層 (葡萄糖氧化酶層)，完成傳感器的制備，室溫晾干，得到本發明提供的三電極電化學生物傳感器。該傳感器的結構示意圖如圖3所示。各附圖標記分別為1.基底2.工作電極傳導層3.工作電極層4.工作電極絕緣層5.生物敏感層6.對電極傳導層 7.對電極層 8.對電極絕緣層9.參比傳導層 10.參比電極層 11.參比電極絕緣層該傳感器由三個電極組成，分別為工作電極、對電極和參比電極。其中，工作電極、 對電極和參比電極均水平間隔排布在同一基底上；工作電極、對電極和參比電極的工作區域中心點的間隔均為2mm ；對電極和參比電極分別在工作電極的兩側。該工作電極由基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層組成；其中，工作電極傳導層位于基底之上；工作電極層和工作電極絕緣層全覆蓋工作電極傳導層，且工作電極層和工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，工作電極絕緣層位于工作電極層之上；生物敏感層位于工作電極層之上的非重疊區域；對電極由基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層組成；其中，對電極傳導層位于基底之上；對電極層和對電極絕緣層全覆蓋對電極傳導層，且對電極層和對電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，對電極絕緣層位于對電極層之上；
參比電極由基底、參比電極傳導層、參比電極層和參比電極絕緣層組成；其中，參比電極傳導層位于基底之上；參比電極層和參比電極絕緣層全覆蓋參比電極傳導層，且參比電極層和參比電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，參比電極絕緣層位于參比電極層之上。其中，基底為購自美國PPG公司生產的聚氯乙烯(PVC)薄膜；構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料均為粒徑為5nm的銀納米粒子導電油墨(購自 NanoMas Technologies, Inc. ,NMTI NanoSilver hks，產品編號為NTS05)，該導電油墨在相應溶液中的質量百分濃度為10% ；構成工作電極層、對電極層的材料均為粒徑為20nm的金導電油墨(購自NanoMas Technologies, Inc. , NMTI NanoGold Inks，產品編號為NTG05)，該導電油墨在相應溶液中的質量百分濃度均為10% ；構成參比電極層的材料為購自日本Aeschon公司的銀/氯化銀(銀和氯化銀的質量比為100 1)；構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均為聚丙烯；構成生物敏感層的材料為質量百分濃度為0. 的葡萄糖氧化酶水溶液。借助于電化學工作站CHI660D，使用該實施例制備所得三電極電化學傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測，所得結果如圖8所示，由圖可知，該傳感器的檢測限可達 0. 3mmol/L。實施例2、制備單電極電化學生物傳感器1)利用Epson CllO打印機按照圖4設計的單電極電化學生物傳感器及圖7墨盒分配示意圖進行打印制備，先在杜邦帝人公司生產的聚酰亞胺(PI)薄膜構成的基底上，將構成工作電極傳導層的材料溶于由體積比為1 1的水和乙二醇組成的溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于PVC基底上，在馬弗爐中300°C烘干30min后依次得到工作電極傳導層；其中，構成工作電極傳導層的墨水材料均為粒徑為50nm的金屬銅導電油墨 (NovaCentrix. Inc.，Metalon ICI-003)，該導電油墨在相應溶液中的質量百分濃度為 30% ；2)將構成工作電極層的材料溶于由體積比為1 1的乙二醇和丁醇組成的溶劑后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于步驟1)所得工作電極傳導層上，依次得到工作電極層；其中，構成工作電極層的墨水材料為粒徑為50nm的碳納米管，該碳納米管在相應溶液中的質量百分濃度為30% ；3)將構成工作電極絕緣層的材料溶于乙二醇后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層上及步驟2)所得部分工作電極層上，并在馬弗爐中300°C烘干30min后依次得到工作電極絕緣層；其中，構成工作電極絕緣層的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯；聚對苯二甲酸乙二醇酯在相應溶液中的質量百分濃度為10% ；4)將構成生物敏感層的材料(質量百分濃度為0. 的葡萄糖脫氫酶水溶液) 溶于溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于步驟2)所得工作電極層上，得到生物敏感層 (葡萄糖脫氫酶層)，完成傳感器的制備，室溫晾干，得到本發明提供的單電極電化學生物傳感器。該傳感器的結構示意圖如圖4所示。各附圖標記分別為1.基底2.工作電極傳導層3.工作電極層4.工作電極絕緣層該傳感器由單個電極工作電極組成。其中，工作電極由基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層組成；其中，工作電極傳導層位于基底之上；工作電極層和工作電極絕緣層全覆蓋工作電極傳導層，且工作電極層和工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，工作電極絕緣層位于工作電極層之上；生物敏感層位于工作電極層之上的非重疊區域；其中，基底為購自杜邦帝人公司生產的聚酰亞胺(PI)薄膜；構成工作電極傳導層的材料均為粒徑為50nm的金屬銅導電油墨(NovaCentrix. Inc.，Metalon ICI-003)；構成工作電極層的材料為粒徑為50nm的碳納米管；構成工作電極絕緣層的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯；構成生物敏感層的材料為質量百分濃度為0. 的葡萄糖脫氫酶水溶液。借助于電化學工作站CHI660D，外置飽和甘汞參比電極和鉬金對電極，使用制備的單電極電化學傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測，所得結果如圖9所示，由圖可知，該傳感器的檢測限可達0. lmmol/L0實施例3、制備雙電極電化學生物傳感器1)利用惠普DeskJet D1668打印機按照圖5設計的雙電極電化學生物傳感器，在江蘇華信公司生產的聚氯乙烯(PVC)印刷用薄膜構成的基底上，將構成工作電極傳導層、 對電極傳導層的材料溶于由體積比為1 1的水和乙二醇組成的溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于PVC基底上，在馬弗爐中150°C烘干IOmin后依次得到工作電極傳導層、對電極傳導層；其中，構成工作電極傳導層、對電極傳導層的材料均為粒徑為IOOnm的金導電油墨(NanoMas Technologies, Inc.，NTG05)，該導電油墨在相應溶液中的質量百分濃度為 50% ；2)將構成工作電極層、對電極層的材料溶于由體積比為1 1的乙二醇和丁醇組成的溶劑后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于步驟1)所得工作電極傳導層、 對電極傳導層上，依次得到工作電極層、對電極層；其中，構成工作電極層、對電極層的墨水材料均為粒徑為IOOnm的納米炭黑，該納米炭黑在納米炭黑乳液中的質量百分濃度為50% ；3)將構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層的材料溶于乙二醇后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層上及步驟 2)所得部分工作電極層、對電極層上，并在馬弗爐中150°C烘干IOmin后依次得到工作電極絕緣層、對電極絕緣層；其中，構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層的材料均為聚氯乙烯；該聚氯乙烯在相應溶液中的質量百分濃度為20% ；4)將構成生物敏感層的材料(質量百分濃度為2. 5%的葡萄糖氧化酶水溶液)按照預設形狀和位置噴墨打印于步驟2)所得工作電極層上，得到生物敏感層(葡萄糖氧化酶層)，完成傳感器的制備，室溫晾干，得到本發明提供的雙電極電化學生物傳感器。該傳感器的結構示意圖如圖5所示。各附圖標記分別為1.基底2.工作電極傳導層3.工作電極層4.工作電極絕緣層5.生物敏感層6.對電極傳導層7.對電極層8.對電極絕緣層該傳感器由兩個電極組成，分別為工作電極和對電極。其中，工作電極和對電極均水平間隔排布在同一基底上；工作電極和對電極的工作區域中心點的間隔為2mm ；工作電極由基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層組成；其中，工作電極傳導層位于基底之上；工作電極層和工作電極絕緣層全覆蓋工作電極傳導層，且工作電極層和工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，工作電極絕緣層位于工作電極層之上；生物敏感層位于工作電極層之上的非重疊區域；對電極由基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層組成；其中，對電極傳導層位于基底之上；對電極層和對電極絕緣層全覆蓋對電極傳導層，且對電極層和對電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，對電極絕緣層位于對電極層之上；其中，基底為江蘇華信公司生產的聚氯乙烯(PVC)印刷用薄膜；構成工作電極傳導層、對電極傳導層的材料均為粒徑為IOOnm的金導電油墨 (NanoMas Technologies, Inc. , NTG05))；構成工作電極層、對電極層的材料均為粒徑為IOOnm的納米炭黑；構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層的材料均為聚氯乙烯；構成生物敏感層的材料為質量百分濃度為2. 5%的葡萄糖脫氫酶水溶液。借助于電化學工作站CHI660D，外置飽和甘汞參比電極，使用制備的雙電極電化學傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖溶液進行檢測，所得結果如圖10所示，由圖可知，該傳感器的檢測限可達2mmol/L。實施例4、制備三電極電化學生物傳感器1)利用Fujifilm dimatix 2831打印機按照圖6設計的三電極電化學生物傳感器，在購自杜邦鴻基公司生產的聚對甲二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜構成的基底上，將構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料溶于由體積比為20 35 45的乙醇、丁醇和乙二醇組成的溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于PVC基底上，在馬弗爐中140°C烘干20min后依次得到工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層；其中，構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的墨水材料均為粒徑為40nm的納米銀粒子，該納米銀粒子在相應納米銀乳液中的質量百分濃度為25% ；2)將構成工作電極層、對電極層和參比電極層的材料溶于由體積比為1 1的乙二醇和丁醇組成的溶劑后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層上，依次得到工作電極層、對電極層或參比電極層；其中，構成工作電極層、對電極層的墨水材料均為粒徑為20nm的納米炭黑，該納米炭黑在納米炭黑乳液中的質量百分濃度為10% ；構成參比電極層的墨水材料為購自日本Aeschon公司的銀/氯化銀(銀和氯化銀的質量比為100 1)；該墨水材料中，銀和氯化銀在相應溶液中的的質量百分濃度為10%;3)將構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料溶于乙二醇后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層上及步驟幻所得部分工作電極層、對電極層和參比電極層上， 并在馬弗爐中100°c烘干30min后依次得到工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層；其中，構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均為聚乙烯， 聚乙烯在相應溶液中的質量百分濃度均為20% ；4)將構成生物敏感層的材料(質量百分濃度為2%的葡萄糖氧化酶水溶液)溶于溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于步驟2)所得工作電極層上，得到生物敏感層(葡萄糖氧化酶層)，完成傳感器的制備，室溫晾干，得到本發明提供的三電極電化學生物傳感
ο該傳感器的結構示意圖如圖6所示。各附圖標記分別為1.基底 2.工作電極傳導層 3.工作電極層 4.工作電極絕緣層5.生物敏感層6.對電極傳導層7.對電極層 8.對電極絕緣層9.參比傳導層10.參比電極層11.參比電極絕緣層該傳感器由三個電極組成，分別為工作電極、對電極和參比電極。其中，工作電極、 對電極和參比電極均水平間隔排布在同一基底上；工作電極、對電極和參比電極的工作區域中心點的間隔均為2mm ；對電極和參比電極分別在工作電極的兩側。工作電極由基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層組成；其中，工作電極傳導層位于基底之上；工作電極層和工作電極絕緣層全覆蓋工作電極傳導層，且工作電極層和工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，工作電極絕緣層位于工作電極層之上；生物敏感層位于工作電極層之上的非重疊區域；對電極由基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層組成；其中，對電極傳導層位于基底之上；對電極層和對電極絕緣層全覆蓋對電極傳導層，且對電極層和對電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，對電極絕緣層位于對電極層之上；參比電極由基底、參比電極傳導層、參比電極層和參比電極絕緣層組成；其中，參比電極傳導層位于基底之上；參比電極層和參比電極絕緣層全覆蓋參比電極傳導層，且參比電極層和參比電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，參比電極絕緣層位于參比電極層之上。其中，基底為杜邦鴻基公司生產的聚對甲二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜；構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料均為粒徑為40nm 的納米銀粒子；構成工作電極層、對電極層的材料均為粒徑為20nm的納米炭黑；構成參比電極層的材料為購自日本Aeschon公司的銀/氯化銀(銀和氯化銀的質量比為100 1)；構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均為聚乙烯；構成生物敏感層的材料為質量百分濃度為2%的葡萄糖氧化酶水溶液。借助于電化學工作站CHI660D，使用制備的三電極電化學傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖水溶液進行檢測，所得結果如圖11所示，由圖可知，該傳感器的檢測限可達 1.2mmol/L0實施例5、制備三電極電化學生物傳感器1利用Canon IP1980打印機按照圖6設計的三電極電化學生物傳感器，在印刷聚碳酸酯(PC)薄膜(購自昆山梓瀾電子材料有限公司)構成的基底上，將構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料溶于由體積比為20 35 45的乙醇、丁醇和乙二醇組成的溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于PVC基底上，在馬弗爐中80°C烘干 20min后依次得到工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層；其中，構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的墨水材料均為粒徑為50nm的納米銀粒子，該納米銀粒子在相應納米銀乳液中的質量百分濃度為30% ；2)將構成工作電極層、對電極層和參比電極層的材料溶于由體積比為1 1的乙二醇和丁醇組成的溶劑后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層上，依次得到工作電極層、對電極層或參比電極層；其中，構成工作電極層、對電極層的墨水材料均為粒徑為20nm的納米炭黑，該納米炭黑在納米炭黑乳液中的質量百分濃度為10% ；構成參比電極層的墨水材料為購自日本Aeschon公司的銀/氯化銀(銀和氯化銀的質量比為100 1)；該墨水材料中，銀和氯化銀在相應溶液中的的質量百分濃度為10%;3)將構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料溶于乙二醇后，按照步驟1)預設的形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層上及步驟幻所得部分工作電極層、對電極層和參比電極層上， 并在馬弗爐中80°C烘干25min后依次得到工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層；其中，構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均為聚苯乙烯，聚苯乙烯在相應溶液中的質量百分濃度均為；4)將構成生物敏感層的材料(質量百分濃度為5%的葡萄糖氧化酶水溶液)溶于溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于步驟2)所得工作電極層上，得到生物敏感層(葡萄糖氧化酶層)，完成傳感器的制備，室溫晾干，得到本發明提供的三電極電化學生物傳感
ο該傳感器的結構示意圖如圖6所示。各附圖標記分別為1.基底2.工作電極傳導層3.工作電極層4.工作電極絕緣層5.生物敏感層 6.對電極傳導層 7.對電極層 8.對電極絕緣層9.參比傳導層 10.參比電極層 11.參比電極絕緣層該傳感器由三個電極組成，分別為工作電極、對電極和參比電極。其中，工作電極、 對電極和參比電極均水平間隔排布在同一基底上；工作電極、對電極和參比電極的工作區域中心點的間隔均為2mm ；對電極和參比電極分別在工作電極的兩側。工作電極由基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層組成；其中，工作電極傳導層位于基底之上；工作電極層和工作電極絕緣層全覆蓋工作電極傳導層，且工作電極層和工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，工作電極絕緣層位于工作電極層之上；生物敏感層位于工作電極層之上的非重疊區域；對電極由基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層組成；其中，對電極傳導層位于基底之上；對電極層和對電極絕緣層全覆蓋對電極傳導層，且對電極層和對電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，對電極絕緣層位于對電極層之上；參比電極由基底、參比電極傳導層、參比電極層和參比電極絕緣層組成；其中，參比電極傳導層位于基底之上；參比電極層和參比電極絕緣層全覆蓋參比電極傳導層，且參比電極層和參比電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，參比電極絕緣層位于參比電極層之上。其中，基底為印刷聚碳酸酯(PC)薄膜(購自昆山梓瀾電子材料有限公司)；構成工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料均為粒徑為50nm 的納米銀粒子；構成工作電極層、對電極層的材料均為粒徑為20nm的納米炭黑；構成參比電極層的材料為購自日本Aeschon公司的銀/氯化銀(銀和氯化銀的質量比為100 1)；構成工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均為聚苯乙烯；構成生物敏感層的材料為質量百分濃度為5%的葡萄糖氧化酶水溶液。借助于電化學工作站CHI660D，使用制備的三電極電化學傳感器對一系列不同濃度的葡萄糖水溶液進行檢測，所得結果如圖12所示，由圖可知，該傳感器的檢測限可達 1. Ommol/L,
權利要求
1.一種電化學生物傳感器，包括至少一個電極。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述傳感器包括一個或兩個或三個電極。
3.根據權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述傳感器為由一個電極組成的傳感器或為由兩個電極組成的傳感器或為由三個電極組成的傳感器；其中，所述由一個電極組成的傳感器中，所述電極為工作電極；所述由兩個電極組成的傳感器中，所述電極為工作電極和對電極；所述由三個電極組成的傳感器中，所述電極為工作電極、對電極和參比電極。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其特征在于所述工作電極包括基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層；其中，所述工作電極傳導層位于所述基底之上；所述工作電極層和所述工作電極絕緣層全覆蓋所述工作電極傳導層，且所述工作電極層和所述工作電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，所述工作電極絕緣層位于所述工作電極層之上；所述生物敏感層位于所述工作電極層之上的非重疊區域；所述對電極包括基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層；其中，所述對電極傳導層位于所述基底之上；所述對電極層和所述對電極絕緣層全覆蓋所述對電極傳導層，且所述對電極層和所述對電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，所述對電極絕緣層位于所述對電極層之上；所述參比電極包括基底、參比電極傳導層、參比電極層和參比電極絕緣層；其中，所述參比電極傳導層位于所述基底之上；所述參比電極層和所述參比電極絕緣層全覆蓋所述參比電極傳導層，且所述參比電極層和所述參比電極絕緣層部分重疊，重疊區域中，所述參比電極絕緣層位于所述參比電極層之上。
5.根據權利要求4所述的傳感器，其特征在于所述工作電極由所述基底、工作電極傳導層、工作電極層、工作電極絕緣層和生物敏感層組成；所述對電極由所述基底、對電極傳導層、對電極層和對電極絕緣層組成；所述參比電極由所述基底、參比電極傳導層、參比電極層和參比電極絕緣層組成。
6.根據權利要求3-5任一所述的傳感器，其特征在于所述工作電極、對電極和參比電極中，構成所述基底的材料均為膜，所述膜優選聚對甲二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚酰亞胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酰胺和聚碳酸酯中的至少一種，優選聚對甲二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯和聚酰亞胺中的至少一種；構成所述工作電極傳導層、對電極傳導層和參比電極傳導層的材料均為納米材料，優選單金屬納米材料、合金納米材料和核殼結構納米粒子材料中的至少一種；所述納米材料的粒徑均為5nm lOOnm，優選5 30nm ；所述單金屬納米材料選自納米鉬、納米金、納米銀和納米銅中的至少一種；構成所述合金納米材料和構成所述核殼結構納米粒子材料的金屬均選自鉬、金、銀和銅中的至少兩種；所述核殼結構納米粒子材料優選銀包銅核殼結構納米粒子或銅包銀核殼結構納米粒子；構成所述工作電極層和對電極層的材料均選自納米鉬、納米金、碳納米管、納米石墨和碳的其它同素異形體構成的納米材料中的至少一種；構成所述工作電極層和對電極層的材料的粒徑均為5nm lOOnm，優選5 30nm ；構成所述參比電極層的材料為由銀和氯化銀組成的混合物；其中，所述銀和氯化銀的質量比為10 1 600 1，優選100 1 ；構成所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層和參比電極絕緣層的材料均選自聚氯乙烯、 聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對甲二甲酸乙二醇酯中的至少一種，優選聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚乙烯中的至少一種；構成所述生物敏感層的材料均為生物活性分子的水溶液，優選氧化還原酶、脫氫酶、 抗體、抗原和激素的水溶液中的至少一種，更優選葡萄糖氧化酶的水溶液和葡萄糖脫氫酶的水溶液中的至少一種；所述生物活性分子的水溶液的質量百分濃度為0. 1 5%，優選 0. 1 1%。
7.根據權利要求1-6任一所述的傳感器，其特征在于所述電化學生物傳感器是按照權利要求8-10任一所述方法制備而得。
8.一種制備權利要求1-6任一所述傳感器的方法，包括如下步驟1)在權利要求1-6任一所述基底上，將構成權利要求1-6任一所述工作電極傳導層或對電極傳導層或參比電極傳導層的材料溶于溶劑后，按照預設形狀和位置噴墨打印于所述基底上，烘干后依次得到所述工作電極傳導層、對電極傳導層或參比電極傳導層；2)將構成權利要求1-6任一所述工作電極層、對電極層或參比電極層的材料溶于溶劑后，按照預設形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、對電極傳導層或參比電極傳導層上，依次得到所述工作電極層、對電極層或參比電極層；3)將構成權利要求1-6任一所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層或參比電極絕緣層的材料溶于溶劑后，按照預設形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟1)所得工作電極傳導層、 對電極傳導層或參比電極傳導層上及所述步驟幻所得部分工作電極層、對電極層或參比電極層上，烘干后依次得到所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層或參比電極絕緣層；4)將構成權利要求1-6任一所述生物敏感層的材料按照預設形狀和位置依次噴墨打印于所述步驟2、所得工作電極層上，得到所述生物敏感層，完成所述傳感器的制備。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于所述步驟1)至步驟4)中，所述溶劑均選自水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、異丁醇、丁二醇、正戊醇、異戊醇、戊二醇、甲烷、乙烷、正丙烷、正丁烷和正戊烷中的至少一種；所述步驟1)中，由所述構成權利要求1-6任一所述工作電極傳導層或對電極傳導層或參比電極傳導層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述材料的質量百分濃度為10% 50%，優選 10-20% ；所述步驟2)中，由所述構成權利要求1-6任一所述工作電極層或對電極層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述工作電極層或對電極層的材料的質量百分濃度為10% 50%，優選 10-20% ；所述步驟幻中，由所述構成權利要求1-6任一所述參比電極層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述參比電極層的材料的質量百分濃度為5%-20%，優選5-10% ；、所述步驟幻中，由所述構成權利要求1-6任一所述工作電極絕緣層、對電極絕緣層或參比電極絕緣層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述材料的質量百分濃度為 20%，優選 1-10% ；所述步驟4)中，由所述構成生物敏感層的材料與所述溶劑組成的混合液中，所述構成生物敏感層的材料的質量百分濃度為0. 5%，優選0. 1-1%。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于所述步驟1)烘干步驟中，溫度為 80°C 400°C，優選100_200°C，時間為10-40分鐘，優選10分鐘；所述步驟幻烘干步驟中，溫度為100-300°C，優選200°C，時間為10-40分鐘，優選10分鐘所述步驟幻至步驟4)噴墨打印步驟中，所用噴墨打印裝置為單噴頭或多噴頭打印裝置。
11.權利要求1-7任一所述傳感器在制備電化學電極中的應用。
12.以權利要求1-7任一所述傳感器為傳感器的電化學電極。
全文摘要
本發明公開了一種電化學生物傳感器及其制備方法與應用。該方法將構成傳感器的各組分材料(除基底外)配制成溶液或納米材料乳液作為墨水，在基底表面利用噴墨打印技術逐層打印各組分，最終組裝成具有電化學響應的生物傳感器。對比傳統物理刻蝕和絲網印刷方法制備的電化學生物傳感器，本發明的優點在于操作便捷，可控性強，制備成本低，便于規模生產。
文檔編號G01N27/327GK102507688SQ20111031029
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者宋延林, 張興業, 張志良, 辛智青, 鄧萌萌 申請人:中國科學院化學研究所