一种光催化型葡萄糖微电极传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及电化学检测领域，特别是涉及一种光催化型葡萄糖微电极传感器及其制备方法。本发明提供一种光催化型葡萄糖微电极传感器，包括基材，所述基材上设有工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极的工作区域上设有半导体量子点修饰层和葡萄糖氧化酶修饰层，所述基材中设有微光纤，所述微光纤所传输的光垂直穿过所述工作电极，所述半导体量子点为CdSe@CdS半导体量子点。本发明所提供的光催化型葡萄糖微电极传感器是一种不需要氧气、能够在较低电位检测血糖的光催化型葡萄糖微电极传感器。
【专利说明】一种光催化型葡萄糖微电极传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电化学检测领域，特别是涉及一种光催化型葡萄糖微电极传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]传统的葡萄糖微电极传感器通过葡萄糖氧化酶对电极进行修饰，在葡萄糖微电极传感器检测血糖时对氧气有一定依赖性，且检测必须在较高电位才能够进行，从而共存的电活性物质可能引起一系列的副作用。
[0003]近年来，纳米科学领域已经成为新世纪的科学前沿，它将改变人类的生产和生活方式。同时，纳米科技在基础科学方面向人们提出许多新的挑战，促进基础科学的发展。半导体量子点是半导体纳米材料的典型结构，它已经在信息【技术领域】发挥重要作用。由于量子尺寸效应和表面效应，半导体量子点己成为人们研究的热点。人们制备量子点和研究其性质的努力已经进行了二十多年，取得了巨大进展。量子点是一种由I1-VI族和III 一族元素组的纳米颗粒，它具有尺寸依赖的电学和光学性能，在发光二极管，非性光学，太阳能电池，生命科学等领域有广泛的应用。目前制得的半导体量子点材料，主要有以下几大类:(I) IV族量子点材料，如:S1、Ge ; (2) II1-V族量子点材料，如:InAs、GaSb, GaN等量子点；
[3]I1-VI族量子点材料，如:CdSe、ZnSe、CdTe等量子点。
[0004]由于半导体纳米量子点具有独特的光电性质，宽的光吸收光谱、窄且可调节发射光谱、高光电稳定性等，以及高表面活性等优点，使得他们易于分析物质发生反应并产生相应的信号，因此，半导体纳米量子点在生物传感器领域应用范围越来越大。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光催化型葡萄糖微电极传感器及其制备方法，用于解决现有技术中问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明利用半导体量子点在特定波长下具有最大光吸收，电子发生跃迁产生光电流，将量子点作为光敏元件固定到酶电极上，从而制备光催化型葡萄糖微电极传感器。
[0007]本发明第一方面提供一种光催化型葡萄糖微电极传感器，包括基材，所述基材上设有工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极的工作区域上设有半导体量子点修饰层和葡萄糖氧化酶修饰层，所述基材中设有微光纤，所述微光纤所传输的光垂直穿过工作电极，所述半导体量子点为CdSeOCdS半导体量子点。
[0008]优选的，所述工作电极、对电极和参比电极各自设有一个与其对应的针脚，所述各针脚均位于微电极传感器的顶端。
[0009]优选的，所述各电极(工作电极、对电极、参比电极)互相之间绝缘，并依照工作电极、对电极、参比电极的顺序自微电极传感器的末端至顶端依次排列。
[0010]优选的，所述微电极传感器表面设有一层生物相容性保护层。具体指整个微电极传感器表面(包括各电极表面)，均设有一层生物相容性保护层。
[0011]更优选的，所述生物相容性保护层的材质为有机硅酮。
[0012]进一步优选的，所述生物相容性保护层为有机硅酮，例如二甲基硅氧烷及其亲水改性物。
[0013]生物相容性保护层可以调节葡萄糖的透过；可以保护修饰层不脱落；可以使得该传感器由好的生物相容性，减小人体的免疫排斥反应。
[0014]优选的,所述工作电极为铟锡氧化物(ITO, Indium tin oxide)导电玻璃电极。
[0015]本发明中对铟锡氧化物中SnO2:1n2O3比例并无特殊要求。
[0016]优选的，铟锡氧化物中SnO2:1n2O3比例为通常质量比，即SnO2:1n2O3的质量比为1:9。
[0017]优选的，所述对电极为钼电极。
[0018]优选的，所述参比电极为Ag/AgCl电极。
[0019]优选的，所述微光纤所传输的光的波长范围为350_1250nm。优选为580nm_680nm。
[0020]优选的,所述半导体量子点的粒径范围为4-10nm。
[0021]优选的，所述工作电极的工作区域上，还设有碳纳米管修饰层。
[0022]更优选的，所述工作电极的工作区域上，各修饰层的顺序为，先修饰一层碳纳米
管，再修饰一层半导体量子点，再修饰一层葡萄糖氧化酶。
[0023]优选的，所述微电极传感器的厚度为0.05-lmm，工作电极的工作区域面积为2-10mm2，对电极的工作区域面积为2-15mm2，参比电极的工作区域面积为l-10mm2。
[0024]本发明所提供的光催化型葡萄糖微电极传感器，其制备工艺除工作电极外，均与常规光催化型微电极传感器相同。连接导线、对电极及参比电极的制备是使用超声喷涂的方法，在电极基材上直接喷涂出相应的对电极图形、参比电极图形及连接导线，喷涂的材料可使用纳米钼金或纳米银；也可使用喷墨微打印的方法，在电极基材上直接打印出相应的对电极图形、参比电极图形及连接导线，打印的材料可使用纳米钼金或纳米银；还可以采用光刻技术在基材上制备好相应的图形及掩膜，然后通过溅射技术溅射贵金属金，形成连接导线，然后分别在对电极位置溅射上钼形成对电极，在参比电极位置溅射银/氯化银形成参比电极。工作电极的制备是使用光刻、电铸和注塑技术制作MEMS (微机电系统，Micro-Electro-Mechanic System)模具，利用热模压成型技术进行微塑铸微光纤阵列，然后在工作电极上喷涂铟锡氧化物。
[0025]本发明第二方面提供所述光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，采用层层自组装的方法，包括如下步骤:
[0026]a)将作为工作电极的铟锡氧化物导电玻璃电极进行预处理，使其表面带负电荷；将所得工作电极浸入聚丙烯胺盐酸盐(PAH)和邻菲罗啉钴([Co (Phen)3]2+/3+)的混合水溶液，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
[0027]b)将所得工作电极浸入碳纳米管水溶液中，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
[0028]c)将所得工作电极浸入聚丙烯胺盐酸盐(PAH)和邻菲罗啉钴([Co(Phen) 3]2+/3+)的混合水溶液，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
[0029]d)将所得工作电极浸入半导体量子点水溶液中，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
[0030]e)将所得工作电极浸入聚丙烯胺盐酸盐(PAH)和邻菲罗啉钴([Co (Phen) 3]2+/3+)的混合水溶液，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
[0031]f)最后将所得工作电极浸入制备好的葡萄糖氧化酶水溶液中，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
[0032]优选的，所述步骤a)中，将作为工作电极的铟锡氧化物导电玻璃电极进行预处理，使其表面带负电荷的具体步骤为:制备浓硫酸/过氧化氢处理液，然后将微电极的工作电极区域放入浓硫酸/过氧化氢处理液中，70-80°C恒温水浴处理1-2小时，从处理液中取出并用去离子水充分清洗。再将微电极的工作电极区域放入过氧化氢/氨水处理液中，60-70°C恒温水浴处理1-2小时，最后用去离子水冲洗干净。
[0033]更优选的，所述浓硫酸/过氧化氢处理液，由浓硫酸水溶液和过氧化氢水溶液按配比7:3配置而成(体积比)。
[0034]进一步优选的，所述浓硫酸水溶液的浓度为95-98wt%。
[0035]进一步优选的，所述过氧化氢水溶液为市售，浓度约为30wt%。
[0036]更优选的，所述过氧化氢/氨水处理液，由过氧化氢水溶液和氨水按配比1:1配置而成(体积比)。
[0037]进一步优选的，所述氨水的浓度为25-28wt%。
[0038]进一步优选的，所述过氧化氢水溶液为市售，浓度约为30wt%。
[0039]优选的，所述步骤a)、C)、e)中，浸入聚丙烯胺盐酸盐(PAH)和邻菲罗啉钴([Co (Phen) 3]2+/3+)的混合水溶液的时间为5-lOmin。
[0040]优选的，所述步骤a)、C)、e)中，聚丙烯胺盐酸盐(PAH)和邻菲罗啉钴([Co (Phen) 3]2+/3+)的混合水溶液中，聚丙烯胺盐酸盐(PAH)的浓度为l_2mg/mL，邻菲罗啉钴([Co (Phen) 3]2+/3+)的浓度为 l_2mg/mL。
[0041]所述的邻菲罗啉钴通过固相化学反应法将水合氯化钴(CoCl2.2H20)与邻菲啰啉(C12H8N2.H2O)按一定的比例研磨制备。
[0042]优选的，所述步骤b)中，工作电极浸入碳纳米管溶液的时间为5-10min。
[0043]优选的，所述步骤b)中，碳纳米管水溶液的浓度为10_20mg/mL。
[0044]所述的碳纳米管进行酸化处理的具体方法为:将碳纳米管加到过量的浓硫酸和浓硝酸的混酸中，超声处理4_6h，离心，将所得碳纳米管洗涤到中性；再离心、干燥后，在所得碳纳米管中加入适当去离子水，超声l_2h(超声的目的为再分散，即将碳纳米管在水中分散开)。
[0045] 将碳纳米管进行酸化处理，处理后的碳纳米管在表面形成带负电荷的羧基基团。
[0046]优选的，所述步骤d)中，工作电极浸入半导体量子点水溶液的时间为5-10min。
[0047]优选的，所述步骤d)中，半导体量子点水溶液为CdSeOCdS半导体量子点水溶液，浓度为 I X 10-6-5 X I (T6HiO I/L。
[0048]所述半导体量子点水溶液的制备方法为:将六水合高氯酸镉(Cd(ClO4)2.6Η20)和
二水合柠檬酸钠(Na3C6H5O7.2Η20)溶解于去离子水中，通氮气进行除氧,用氢氧化钠将混合溶液的酸碱度调到9.0。紧接着加入硒脲(C3H8N2Se),并再通氮气进行除氧，最后微波加热，反应条件为高火，0.5-2分钟,加热后取出混合溶液,室温静置冷却。在上述混合液中加入硫代乙酰胺(CH3CSNH2),摇晃混合均匀后,将反应体系加热进行回流反应,反应条件为60-70°C，反应过程中一直通氮气进行保护，即可得到实验所需的量子点。
[0049]本领域技术人员可根据经验，通过调整反应时间，以得到不同粒径的CdSeOCdS半导体量子。
[0050]六水合高氯酸镉、二水合柠檬酸钠、硒脲、硫代乙酰胺的摩尔投料比为:8:17-25:2_3:2_3。
[0051]优选的，所述步骤f)中，工作电极浸入葡萄糖氧化酶水溶液的时间为5-10min。
[0052]优选的，所述步骤f)中，葡萄糖氧化酶水溶液的浓度为20_100mg/mL。
[0053]优选的，还在所得微电极表面制备一层生物相容性保护层。
[0054]所述生物相容性保护层的制备方法为:通过浸涂、喷涂或旋涂的方法将有机硅酮修饰到电极表面。
[0055]本发明第三方面提供所述光催化型葡萄糖微电极传感器在葡萄糖检测领域的应用。
[0056]如上所述，本发明所提供的光催化型葡萄糖微电极传感器是一种不需要氧气、能够在较低电位检测血糖的光催化型葡萄糖微电极传感器。
[0057]此葡萄糖微电极传感器在葡萄糖氧化酶层中，有邻菲罗啉钴([Co(Phen)3]2+/3+)与葡萄糖氧化酶相互混合在一起，邻菲罗啉钴作为电子媒介体可以在氧化态([Co(Phen)3]3+)和还原态([Co(Phen)3]2+)之间相互转变而传导电子。当葡萄糖氧化酶催化葡萄糖成为葡萄糖酸时，葡萄糖氧化酶得到电子由氧化态转变称为还原态，而氧化态的邻菲罗啉钴([Co(Phen)3]3+)可以氧化还原态的葡萄糖氧化酶得到电子而转变为还原态的邻菲罗啉钴([Co(Phen)3]2+),这个反应不需要氧气的参与。同时在光照条件下，半导体量子点受光激发，其价带电子跃迁到导带进而转移到工作电极表面上；半导体量子点价带因失去电子而产生具有氧化性的空穴，空穴又可以氧化还原态的([Co (Phen) 3]2+)，从而形成源源不断的电子回路，产生稳定的光电流。(其具体机理如图4A和4B所示)
【专利附图】
【附图说明】
[0058]图1是本发明光催化型葡萄糖微电极传感器的俯视图。
[0059]图2是光催化型葡萄糖微电极传感器的纵剖面图。
[0060]图3是层层自组装方法修饰工作电极的流程图。
[0061]图4A和图4B是本发明光催化型葡萄糖微电极传感器的检测原理图。
[0062]图5是CdSeOCdS量子点稀释20倍后其紫外可见吸收光谱和荧光光谱。
[0063]图6在1800-400CHT1范围内测定了邻菲罗啉钴化合物(Co (Phen) 3C12)的红外光P曰。
[0064]元件标号说明
[0065]I基材
[0066]2针脚
[0067]3导体
[0068]4参比电极
[0069]5对电极[0070]6工作电极
[0071]7微光纤
【具体实施方式】
[0072]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0073]须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。
[0074]此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0075]如图1和图2所示一种光催化型葡萄糖微电极传感器，包括基材1，所述基材I上设有工作电极6、对电极和参比电极，所述工作电极6的工作区域上由内而外依次修饰有碳纳米管层、CdSeOCdS半导体量子点层、葡萄糖氧化酶层、生物相容性保护层，所述基材I中设有微光纤7，所述微光纤7所传输的光垂直穿过工作电极6。所述工作电极6、对电极5和参比电极4各自设有一个与其对应的针脚2，所述各针脚2均位于微电极传感器的顶端，且与各自对应的电极通过导体3连接。工作电极6、对电极5、参比电极4互相之间绝缘，并依照工作电极6、对电极5、参比电极4的顺序自微电极传感器的末端至顶端依次排列。
[0076]实施例1
[0077]制备CdSeOCdS半导体量子点
[0078]称取0.0336g六水合高氯酸镉(Cd(ClO4)2.6H20)和0.05g 二水合柠檬酸钠(Na3C6H5O7.H2O) 一起溶解到45ml去离子水中，通氮气进行除氧lOmin，用2摩尔氢氧化钠(NaOH)将混合溶液的pH值调到9.0。紧接着加入0.003g硒脲(C3H8N2Se),并再通氮气进行除氧lmin，最后放入微波炉中微波中加热lmin，使混合溶液的颜色从无色变成红色，取出混合溶液，室温静置冷却。
[0079]最后，在上述混合液中加入0.0015g硫代乙酰胺(CH3CSNH2),摇晃混合均匀，将该混合液注入到洗净的三颈瓶中，反应体系通过油浴加热进行回流反应，油浴温度为70°C，反应时间为24h，反应中一直通氮气进行保护。即可得到实验所需的CdSeOCdS量子点。
[0080]图5为CdSeOCdS量子点稀释20倍后，其紫外可见吸收光谱和荧光光谱，其紫外吸收光谱的第一吸收峰位置为560nm，荧光光谱发射峰位置为586nm。经计算，CdSe量子点粒径为3.3nm, CdSeiCdS量子点溶液的浓度为1.59X l(T6molL'
[0081]实施例2[0082]固相化学反应法制备邻菲罗啉钴([Co (Phen) 3]2+/3+)
[0083]按摩尔比1:3的比例，称取水合氯化钴(CoCl2 ? 2H20)与邻菲罗啉(Phen，C12H8N2 ? H2O)放到研磨中，在室温下进行混合、研磨，混合物的颜色首先变为淡粉红色，继续研磨，混合物的颜色逐渐变为绿色，研磨直至混合物的颜色从绿色逐渐变成橘黄色。
[0084]CoCl2 ? 6H20与邻菲罗啉的固相反应是经过一个绿色中间体分两步进行的反应过
程用方程式表示为:
[0085]
【权利要求】
1.一种光催化型葡萄糖微电极传感器，包括基材，所述基材上设有工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极的工作区域上设有半导体量子点修饰层和葡萄糖氧化酶修饰层，所述基材中设有微光纤，所述微光纤所传输的光垂直穿过所述工作电极，所述半导体量子点为CdSeOCdS半导体量子点。
2.如权利要求1所述的一种光催化型葡萄糖微电极传感器，其特征在于，所述微电极传感器表面还设有一层生物相容性保护层。
3.如权利要求1所述的一种光催化型葡萄糖微电极传感器，其特征在于，所述工作电极为铟锡氧化物导电玻璃电极。
4.如权利要求1所述的一种光催化型葡萄糖微电极传感器，其特征在于，所述对电极为钼电极。
5.如权利要求1所述的一种光催化型葡萄糖微电极传感器，其特征在于，所述参比电极为Ag/AgCl电极。
6.如权利要求1-5任一权利要求所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，采用层层自组装的方法，包括如下步骤: a)将作为工作电极的铟锡氧化物导电玻璃电极进行预处理，使其表面带负电荷；将所得工作电极浸入聚丙烯胺盐酸盐和邻菲罗啉钴的混合水溶液，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干； b)将所得工作电极浸入碳纳米管水溶液中，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干;` c)将所得工作电极浸入聚丙烯胺盐酸盐和邻菲罗啉钴的混合水溶液，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干； d)将所得工作电极浸入半导体量子点水溶液中，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干； e)将所得工作电极浸入聚丙烯胺盐酸盐和邻菲罗啉钴的混合水溶液，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干； f)最后将所得工作电极浸入制备好的葡萄糖氧化酶水溶液中，取出后，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
7.如权利要求6所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，将作为工作电极的铟锡氧化物导电玻璃电极进行预处理，使其表面带负电荷的具体步骤为:制备浓硫酸/过氧化氢处理液，然后将微电极的工作电极区域放入浓硫酸/过氧化氢处理液中，70-80°C恒温水浴处理1-2小时，从处理液中取出并用去离子水充分清洗；再将微电极的工作电极区域放入过氧化氢/氨水处理液中，60-70°C恒温水浴处理1-2小时，最后用去离子水冲洗干净。
8.如权利要求6所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，其特征在于，所述步骤a)、c)、e)中，聚丙烯胺盐酸盐和邻菲罗啉钴的混合水溶液中，聚丙烯胺盐酸盐的浓度为l_2mg/mL，邻菲罗啉钴的浓度为l_2mg/mL。
9.如权利要求6所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，碳纳米管水溶液的浓度为10-20mg/mL。
10.如权利要求6所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中，半导体量子点水溶液的浓度为lX10_6-5X10_6mol/L。
11.如权利要求6所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，其特征在于，所述步骤f)中，葡萄糖氧化酶水溶液的浓度为10-20mg/mL。
12.如权利要求6所述的光催化型葡萄糖微电极传感器的工作电极的制备方法，其特征在于，在所述步骤f)后，还在所得工作电极表面制备一层生物相容性保护层。
13.如权利要求1-5任一权利要求所述的光催化型葡萄糖微电极传感器在葡萄糖检测领域 的应用。
【文档编号】G01N27/26GK103454325SQ201310398529
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】不公告发明人 申请人:上海移宇科技有限公司