專利名稱：一種基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制作方法
技術領域：
本發明屬于電化學生物傳感器領域，特別涉及一種基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極。
背景技術：
抗壞血酸(維生素C)參與人體內多種代謝過程，是維持人體健康的重要維生素之一，缺乏會導致壞血病和機體抗病能力下降，因此測定血清及尿液中其含量是重要疾病診斷和營養評價指標。目前抗壞血酸的測定有碘量法、伏安法、生物傳感器、HPLC、毛細管電泳法及流動注射分析等，大多涉及復雜的操作和貴重儀器。部分測定方法用于測定血清中抗壞血酸含量時，因抗污染能力差，檢測靈敏度低，響應速度和重現性比較低。在對人體血清中抗壞血酸檢測時，由于抗壞血酸的氧化產物對電極產生鈍化污染，造成電極“中毒”，電流減小，電化學氧化過程無法進行。同時，由于它在一般電極上有較高的過電位，而導致其測定靈敏度低、重現性差。摻硼金剛石電極具有良好的電化學性能，能夠克服一般電極在電化學分析上的不足，具有極高析氧過電位，具備自凈化功能，有利于消除電極表面因生成有機物氧化膜而使電極失活的現象，不會產生鈍化污染，無論在酸性、堿性或中性水溶液中都有較寬的電壓窗口，具有極好的抗污染能力及較長的壽命，是普通電極無法取代的。殼聚糖修飾于電極表面可防止大分子及荷正電物質的干擾，同時對溶液中的抗壞血酸有富集作用，提高分析靈敏度。抗壞血酸氧化酶能夠高效催化抗壞血酸的氧化，使電極具有極高檢測靈敏度，達到極高的檢測限，適合抗壞血酸的微量檢測。
發明內容
本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極，該傳感器電極檢測限達IX 10_nmol/L，且由于繼承了金剛石耐腐蝕、極高的析氧過電位、寬的電勢窗口、較高電化學的穩定性等特點，決定了電極壽命更長，重現性更好。本發明的技術方案—種基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極，由硼摻雜金剛石薄膜、 氨基單分子層和酶膜層構成。一種所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，步驟如下I)將鉭片襯底表面進行預處理；2)在預處理后的鉭片襯底表面利用熱絲CVD設備沉積摻硼金剛石薄膜；3)利用光化學反應對摻硼金剛石薄膜進行氨基化修飾，制得氨基化的摻硼金剛石
薄膜；4)采用化學交聯法在氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面固定抗壞血酸氧化酶，即可制得基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極。所述鉭片襯底表面預處理的方法是先將鉭片襯底機械拋光以去除表面的氧化層和污染物；然后進行金剛砂的機械研磨使鉭片表面產生劃傷和缺陷；最后進行表面超聲處理。所述利用熱絲CVD設備沉積摻硼金剛石薄膜的方法是，將預處理后的襯底放入熱絲CVD設備的反應室沉積金剛石薄膜，該熱絲CVD設備以鉭絲作為熱源，燈絲溫度為 2100 2300°C，沉積工藝參數反應氣源為氫氣和丙酮混合氣，混合氣中氫氣與丙酮的流量比為100 25 35，固體三氧化二硼為硼源，反應室的真空度小于IPa、襯底溫度為 790 810。。。所述利用光化學反應對摻硼金剛石薄膜進行氨基化修飾的方法是，將制備的摻硼金剛石薄膜放入質量百分比濃度為25%的氨水中，采用254nm紫外線照射8小時，制得氨基化的摻硼金剛石薄膜。所述采用化學交聯法在氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面固定抗壞血酸氧化酶的方法是，將500unit抗壞血酸氧化酶溶于100 μ L質量百分比濃度為I %的殼聚糖醋酸溶液中，然后滴加到氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面，接著再滴加40 μ L質量百分比濃度為I %的戊二醛水溶液，干燥后放在4°C冰箱中保存。一種所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的應用，用于電化學生物傳感器的電極。本發明的出發點在于摻硼金剛石兼具高抗腐蝕性和良好導電導熱性、極好的抗污染能力及較長的壽命，且具有寬的電勢窗口、低背景電流、化學和電化學的穩定性高的特點，依此制成的抗壞血酸傳感器電極具有極大檢測限和檢測靈敏度高、抗污染能力強、重復性好等優勢。本發明的創新之處在于，本發明所述抗壞血酸傳感器電極采用熱絲CVD方法沉積的摻硼金剛石薄膜電極。硼摻雜金剛石膜(BDD)兼具金剛石優異的物理化學性能和較高的導電性，禁帶寬度、臨界擊穿電場強度、載流子的飽和漂移速率以及遷移率都非常大，介電常數小，具有良好的半導體性能；電化學性能穩定，電化學窗口寬，背景電流很低，具有很強的抗污染能力與抗腐蝕能力，使用壽命長。依此制成的抗壞血酸氧化酶傳感器兼具高靈敏度和很強抗污染能力，達到極高的檢測限和重現性。本發明與現有技術相比，該抗壞血酸傳感器電極具有以下特殊優良性質I)金剛石電極具有很寬的電化學勢窗，可以避免抗壞血酸的氧化產物對電極產生鈍化污染；2)殼聚糖修飾與電極表面可防止大分子及荷正電物質的干擾，同時對溶液中的抗壞血酸有富集作用，提高分析靈敏度；3)修飾抗壞血酸氧化酶能夠高效催化抗壞血酸的氧化，使電極具有極高檢測靈敏度，達到極高的檢測限，適合抗壞血酸的微量檢測。
圖I為本發明所述傳感器電極在不同濃度抗壞血酸溶液中的循環伏安曲線，圖中1、2、3、4、5 表示抗壞血酸溶液的濃度分別為 I X 10-4mol/L、I X l(T5mol/L、I X l()-6mol/L、I X107mol/L、I X108mol/L。圖2為本發明所述傳感器電極的檢測線性曲線。圖3為摻硼金剛石薄膜SEM照片。圖4為摻硼金剛石薄膜的拉曼光譜，圖中(a)為1332CHT1處sp3鍵碳的特征峰， (b)為1556(^1處sp2鍵碳的特征峰。
具體實施例方式實施例一種所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，步驟如下I)將鉭片襯底表面進行預處理先將鉭片襯底機械拋光以去除表面的氧化層和污染物，然后進行金剛砂的機械研磨使鉭片表面產生劃傷和缺陷，最后進行表面超聲處理；2)在預處理后的鉭片襯底表面利用熱絲CVD設備沉積摻硼金剛石薄膜將預處理后的襯底放入熱絲CVD設備的反應室沉積金剛石薄膜，該熱絲CVD設備以鉭絲作為熱源， 燈絲溫度為2200°C，沉積工藝參數反應氣源為氫氣和丙酮混合氣，混合氣中氫氣與丙酮的流量比為100 25 35，固體三氧化二硼為硼源，反應室的真空度小于IPa、襯底溫度為790 810°C ;通過掃描電子顯微鏡對金剛石薄膜的表面形貌進行觀察，得到摻硼金剛石薄膜SEM照片，如圖3所示；使用拉曼光譜來鑒別金剛石薄膜的純度，如圖4所示，(a)為 1332CHT1處sp3鍵碳的特征峰，(b)為1556CHT1處sp2鍵碳的特征峰，二者譜峰強度對比表明金剛石膜的質量很好；3)利用光化學反應對摻硼金剛石薄膜進行氨基化修飾，制得氨基化的摻硼金剛石薄膜將制備的摻硼金剛石薄膜放入質量百分比濃度為25%的氨水中，采用254nm紫外線照射8小時，制得氨基化的摻硼金剛石薄膜；4)采用化學交聯法在氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面固定抗壞血酸氧化酶，將 500unit抗壞血酸氧化酶溶于100 μ L質量百分比濃度為I %的殼聚糖醋酸溶液中，然后滴加到氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面，接著再滴加40 μ L質量百分比濃度為I %的戊二醛水溶液，干燥后放在4°C冰箱中保存，即為制得的基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極。將制備的該基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極，應用于電化學生物傳感器，采用循環伏安法研究該傳感器檢測抗壞血酸濃度的電流響應，顯示該抗壞血酸氧化酶傳感器具有極高的檢測限，可達IX l(Tnmol/L。在不同濃度抗壞血酸溶液中以IOOmV 速度掃描的循環伏安曲線如圖I所示，表明該氧化酶傳感器對抗壞血酸表現出很好的電催化性能。圖2為本發明所述傳感器電極的檢測線性曲線，表明該傳感器在抗壞血酸濃度 10_4 10_8范圍內具有良好的線性關系。實驗表明該抗壞血酸氧化酶傳感器靈敏度高、操作簡便、重現性好，同一電極三個月內在IX l(T4mol/L的抗壞血酸溶液進行500次重復測定，電流輸出穩定。
權利要求
1.一種基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極，其特征在于由硼摻雜金剛石薄膜、氨基單分子層和酶膜層構成。
2.一種如權利要求I所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，其特征在于步驟如下1)將鉭片襯底表面進行預處理；2)在預處理后的鉭片襯底表面利用熱絲CVD設備沉積摻硼金剛石薄膜；3)利用光化學反應對摻硼金剛石薄膜進行氨基化修飾，制得氨基化的摻硼金剛石薄4)采用化學交聯法在氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面固定抗壞血酸氧化酶，即可制得基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極。
3.根據權利要求2所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，其特征在于，所述鉭片襯底表面預處理的方法是先將鉭片襯底機械拋光以去除表面的氧化層和污染物；然后進行金剛砂的機械研磨使鉭片表面產生劃傷和缺陷；最后進行表面超聲處理。
4.根據權利要求2所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，其特征在于所述利用熱絲CVD設備沉積摻硼金剛石薄膜的方法是，將預處理后的襯底放入熱絲CVD設備的反應室沉積金剛石薄膜，該熱絲CVD設備以鉭絲作為熱源，燈絲溫度為2100 2300°C，沉積工藝參數反應氣源為氫氣和丙酮混合氣，混合氣中氫氣與丙酮的流量比為100 25 35，固體三氧化二硼為硼源，反應室的真空度小于IPa、襯底溫度為 790 810。。。
5.根據權利要求2所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，其特征在于所述利用光化學反應對摻硼金剛石薄膜進行氨基化修飾的方法是，將制備的摻硼金剛石薄膜放入質量百分比濃度為25%的氨水中，采用254nm紫外線照射8小時，制得氨基化的摻硼金剛石薄膜。
6.根據權利要求2所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的制備方法，其特征在于所述采用化學交聯法在氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面固定抗壞血酸氧化酶的方法是，將500unit抗壞血酸氧化酶溶于100 μ L質量百分比濃度為I %的殼聚糖醋酸溶液中，然后滴加到氨基化修飾的摻硼金剛石薄膜表面，接著再滴加40 μ L質量百分比濃度為I %的戊二醛水溶液，干燥后放在4°C冰箱中保存。
7.—種如權利要求I所述基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極的應用， 其特征在于用于電化學生物傳感器的電極。
全文摘要
一種基于摻硼金剛石薄膜的抗壞血酸氧化酶傳感器電極，由硼摻雜金剛石薄膜、氨基單分子層和酶膜層構成；其制備方法是首先將鉭片經表面預處理后，利用熱絲CVD設備在鉭片上沉積摻硼金剛石薄膜，然后對摻硼金剛石薄膜進行氨基化修飾，最后在氨基化的金剛石薄膜表面采用化學交聯法固定抗壞血酸氧化酶；該電極可用于電化學生物傳感器。本發明的優點是該抗壞血酸氧化酶傳感器電極檢測限達1×10-11mol/L，且由于繼承了金剛石耐腐蝕、極高的析氧過電位、寬的電勢窗口、較高電化學的穩定性等優點，決定了該電極靈敏度高、重現性好、壽命長。
文檔編號G01N27/327GK102590306SQ20121001157
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者姜嘯宇, 尹振超, 張聰聰, 張輝, 戴瑋, 曲長慶, 朱寧, 申風婷 申請人:天津理工大學