一种基于微电极阵列制备无酶生物传感器的方法与流程

【技术领域】

本专利涉及电化学传感器领域及光刻蚀领域，尤其是涉及一种以光刻微电极阵列为基底修饰导电层及无机传感涂层的电极，并将其制备成无酶生物传感器的方法。

背景技术：

近年来，人口老龄化、慢性病等问题越发严重，疾病的早期检测和干预显得尤为重要，与此同时，各类传感器件的研究成为了热点，其中以电化学传感器的研究最为集中。

电化学传感器是一种将生物信号转化成电信号，检测物质浓度及其他生物学响应的分析装置。通常由识别元件、换能器和信号放大装置构成，电极作为转换元件，将浓度信号转换成可测量的电信号作为响应信号，实现对目标分析物的定量或者定性分析。传统的电极是由二维平面结构构成，比表面积小，与识别元件的附着力差，导致构建的传感器件的灵敏度较低，电流响应较小，严重制约了传感器的发展。为此，研究者们进行了多重探索，发现提高电极材料与检测物的活性位点即提高电极材料的比表面积是最为直接有效的方法，因此，他们提出了采用零维的纳米粒子、一维的纳米线、二维的纳米片和三维的阵列结构等一系列方法，其中最有效的是3d结构上的改进方法。

3d结构上增大比表面积的方法通常有制备多孔结构、微阵列结构及复合微结构等，这些方法都能够明显提高传感器的灵敏度及电流响应，但多孔结构和复合微结构的制备具有不可控性，批间差异性大，不利于商业化的大面积推广，而微阵列结构就展现了可控性强、批间差异性小的优势，同时还具有高响应电流，高信噪比，快响应速率等优点，这是其他结构都无法比拟的优势。制备微电极阵列的方法通常有化学气相沉积法、光刻蚀法及水热法等，其中以光刻蚀的方法设计性最强，可控性最强，所需反应条件最温和，能够将微电极阵列本身结构的优势扩展到最大。

光刻蚀指在光照作用下，借助光致抗蚀剂将掩膜板上的图形转移到基片上的过程。其中最精髓的部分就是所用的光刻胶，根据反应机理的不同可分为正性光刻胶和负性光刻胶，正性光刻胶的特点是曝光部分被洗去留下背光部分，负性光刻胶的特点是曝光部分发生交联从而被留下。近年来光刻蚀也被越来越多地应用到传感领域中，代表性的器件就是叉指电极，叉指电极虽然也能在一定程度上增大电极材料的比表面积，但具有很强的局限性。

因此，采用光刻蚀的方法制备高比表面积的微电极阵列并应用于电化学传感中，开发具有高灵敏度及快响应时间的电化学传感器具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种基于光刻蚀技术制备微电极阵列并修饰以导电基元及无酶传感涂层制备电化学无酶传感器的方法。本发明中采用的负性光刻胶能够实现高长径比微电极阵列的制备，在二维平面结构的基础上开发三维结构，大大增加涂层的比表面积，为制备高灵敏度的电化学传感器奠定了基础，同时三维立体的微阵列结构在一定程度上提高了涂层表面的粗糙度，有利于电极表面的有效负载。本发明中采用的原位电化学还原无机过渡金属纳米粒子的方法实现了具有电化学响应的无机传感涂层的制备，与导电微电极阵列具有协同作用，将高比表面积的优势进一步扩大。本发明所采用的技术操作简便，所构建的传感器对于待分析物具有灵敏度高、稳定性好等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于微电极阵列制备无酶生物传感器的方法，光刻微电极阵列的制备、导电层的制备及电化学无酶传感器的构建的具体步骤如下：

(1)光刻微电极阵列的制备

预处理基材后旋涂一层增粘剂，干燥后将负性光刻胶涂覆其上，进行前烘、曝光、后烘、显影、坚膜工艺，完成将掩膜板上图形转移到基材表面的过程，得到所需要的阵列图案。

所述基材为硅片、玻璃板、铝片、铜片的任一种，使用前需进行预处理。处理方法：使用丙酮对基材表面进行清洗，去除表面油污及杂质，然后将清洗过的基材放置于温度为200℃的热台上烘烤30min以除去基材表面的溶剂。

所述阵列具有超高的比表面积，因此负性光刻胶选择能够制备高纵横比微纳结构的su-8microchem2000系列2025、2035、2050、2075中的任一种，增粘剂为omnicoat；

所述掩模板上图形为呈正六边形分布的圆孔阵列，圆孔直径为3μm～50μm，圆孔间距与直径相等，圆孔内部为透光部分。

所述光刻蚀过程的工艺参数如下：

涂膜：采用旋涂机、刮膜器、涂布棒中的任意一种进行涂膜，湿膜厚度为20μm～120μm；

前烘：将光刻胶膜置于65℃烘箱中保持1min，升温至95℃维持5～15min，随后降温至65℃维持1min，静置15min；

曝光：波长为365nm，光强为12.9mw/cm²，时间为5s～30s；

后烘：65℃烘箱中保持1min，升温至95℃维持5～15min，冷却静置；

显影：置于丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)中显影5s～2min；

坚膜：150℃烘箱中5～10min。

(2)导电层的制备

在(1)的基础上引入导电基元，在微阵列表面形成均匀的导电层；

所述引入导电基元的方法，除真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜和化学气相沉积外，还有利用多巴胺(da)粘附性形成中间层，再通过吸附作用吸附金属形成导电层的间接方法；

所述导电基元为金(au)、银(ag)、铜(cu)、镍(ni)、钛(ti)、铂(pt)、碳纳米管(cnt)、石墨烯(gn)中的一种；

所述的导电层厚度为20nm～80nm。

(3)电化学无酶传感器的构建

在(2)的基础上制备具有电化学响应的无机传感涂层，首先将上述导电微电极阵列浸入无机过渡金属离子溶液中，连接甘汞电极、铂丝电极形成三电极体系，在电化学工作站中施加适当电压进行一定时间的i-t沉积程序，将无机过渡金属离子原位还原到导电微电极阵列表面。取出时用超纯水冲洗并通氮气(n2)干燥。即得到具有高灵敏度的电化学无酶传感器。

所述无机过渡金属离子溶液可以是金(au)、银(ag)、铜(cu)、镍(ni)、锌(zn)、铂(pt)、钴(co)、钯(pd)、镉(cd)的离子溶液中任意一种，浓度为5mm～10mm。

所述沉积过程施加的电压为-0.5v～-2.0v，时间为30s～200s。

本发明有益的技术效果在于：

1、本发明采用光刻蚀的方法在基材表面制备了图案化的微电极阵列，由平面的二维结构升级为三维结构，大大增加了涂层的比表面积及表面粗糙度。同时，阵列中微电极的并联也可有效放大响应电流，降低响应时间，增强信号传输及增大信噪比；

2、本发明引入导电基元，能够有效地将传感界面的信号变化传输到分析系统，有利于构筑高灵敏度、高稳定性的传感器件；

3、本发明采用原位电化学还原无机过渡金属纳米粒子的方法，实现了具有电化学响应的无机传感涂层在电极表面的负载，与三维结构的导电微电极阵列具有协同放大信号的作用，所制备的传感器具有优异的稳定性与检测性能；

4、本发明制备的电化学无酶传感器制备与操作简单，可避免传统检测方法的辐射危害、背景噪音信号大、繁琐复杂、分析时间长、仪器贵重和需要专业操作人员等缺点。

5、本发明将光刻蚀技术与电化学传感技术结合可构建新型、多样化电化学无酶传感器，有望广泛应用于食品安全、生物医药及环保监测等领域。

6、本发明电化学无酶传感器可以实现对食品添加剂、环境污染物的在线、实时、快速、准确检测，具有广泛的研究和实际应用价值。

【附图说明】

图1：本发明的导电微电极阵列的制备方法示意图；

图2：本发明实施例1中制得微电极阵列的超景深显微镜图；

图3：本发明实施例2中制得微电极阵列的超景深显微镜图；

图4：本发明实施例3中制得电化学无酶传感器检测双氧水的循环伏安曲线；

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。应当理解，以下实施例仅为本发明的优选实施例，以便更好地理解本发明，因而不应视为限定本发明的范围。

实施例1

(1)光刻微电极阵列的制备

将硅片进行预处理后旋涂一层增粘剂(omnicoat)，干燥后将负性光刻胶su-82025涂覆其上，进行前烘、曝光、后烘、显影、坚膜工艺，完成将掩膜板上图形转移到基材表面的过程，得到所需要的阵列图案。光刻工艺为：

涂膜：旋涂法，前转600r/min下10s，后转2600r/min下40s，湿膜厚度为50μm；

前烘：置于65℃烘箱中保持1min，升温至95℃维持6min，随后降温至65℃维持1min，静置15min；

曝光：选用圆孔直径及间距规格为50μm的掩模板，曝光波长为365nm，光强为12.9mw/cm²，时间为9s；

后烘：65℃烘箱中保持2min，升温至95℃维持6min，冷却静置；

显影：置于丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)中显影30s；

坚膜：150℃烘箱中10min。

(2)导电层的制备

在(1)的基础上采用真空溅射镀膜在微阵列表面形成均匀的au层(厚度约50nm)，随后在烘箱中加热至120℃，保持80min，冷却到室温；

(3)电化学无酶传感器的构建

在(2)的基础上制备具有电化学响应的无机传感涂层，首先将上述导电微电极阵列浸入5mm的硫酸铜(cuso4)溶液中，连接甘汞电极、铂丝电极形成三电极体系，在电化学工作站中采用-0.8v的沉积电压沉积80s，将铜纳米粒子(cunps)原位还原到导电微电极阵列表面。取出时用超纯水冲洗并通氮气(n2)干燥。得到对过氧化氢(h2o2)具有高灵敏度检测性的电化学无酶传感器。

实施例2

(1)光刻微电极阵列的制备

将硅片进行预处理后旋涂一层增粘剂(omnicoat)，干燥后将负性光刻胶su-82025涂覆其上，进行前烘、曝光、后烘、显影、坚膜工艺，完成将掩膜板上图形转移到基材表面的过程，得到所需要的阵列图案。光刻工艺为：

涂膜：旋涂法，前转600r/min下10s，后转4350r/min下40s，湿膜厚度为20μm；

前烘：将光刻胶膜置于65℃烘箱中保持1min，升温至95℃维持5min，随后降温至65℃维持1min，静置15min；

曝光：选用圆孔直径及间距规格为10μm的掩模板，曝光波长为365nm，光强为12.9mw/cm²，时间为6s；

后烘：65℃烘箱中保持1min，升温至95℃维持5min，冷却静置；

显影：置于丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)中显影15s；

坚膜：150℃烘箱中10min。

(2)导电层的制备

在(1)的基础上采用真空溅射镀膜在微阵列表面形成均匀的au层(厚度约50nm)，随后在烘箱中加热至120℃，保持80min，冷却到室温；

(3)电化学无酶传感器的构建

在(2)的基础上制备具有电化学响应的无机传感涂层，首先将上述导电微电极阵列浸入5mm的硫酸铜(cuso4)溶液中，连接甘汞电极、铂丝电极形成三电极体系，在电化学工作站中采用-0.8v的沉积电压沉积80s，将铜纳米粒子(cunps)原位还原到导电微电极阵列表面。取出时用超纯水冲洗并通氮气(n2)干燥。得到对过氧化氢(h2o2)具有高灵敏度检测性的电化学无酶传感器。

实施例3

(1)光刻微电极阵列的制备

将硅片进行预处理后旋涂一层增粘剂(omnicoat)，干燥后将负性光刻胶su-82050涂覆其上，进行前烘、曝光、后烘、显影、坚膜工艺，完成将掩膜板上图形转移到基材表面的过程，得到所需要的阵列图案。光刻工艺为：

涂膜：旋涂法，前转600r/min下10s，后转1000r/min下40s，湿膜厚度为100μm；

前烘：将光刻胶膜置于65℃烘箱中保持5min，升温至95℃维持10min，随后降温至65℃维持1min，静置15min；

曝光：选用圆孔直径及间距规格为5μm的掩模板，曝光波长为365nm，光强为12.9mw/cm²，时间为11s；

后烘：65℃烘箱中保持2min，升温至95℃维持8min，冷却静置1min；

显影：置于丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)中显影30s；

坚膜：150℃烘箱中15min。

(2)导电层的制备

在(1)的基础上采用真空溅射镀膜在微阵列表面形成均匀的au层(厚度约50nm)，随后在烘箱中加热至120℃，保持80min，冷却到室温；

(3)电化学无酶传感器的构建

在(2)的基础上制备具有电化学响应的无机传感涂层，首先将上述导电微电极阵列浸入5mm的硫酸铜(cuso4)溶液中，连接甘汞电极、铂丝电极形成三电极体系，在电化学工作站中采用-0.8v的沉积电压沉积80s，将铜纳米粒子(cunps)原位还原到导电微电极阵列表面。取出时用超纯水冲洗并通氮气(n2)干燥。得到对过氧化氢(h2o2)具有高灵敏度检测性的电化学无酶传感器。

测试例

基于光刻微电极阵列电化学还原无机过渡金属制备电化学无酶传感器对于双氧水的电化学检测。

将实施例3制备的电化学无酶传感器与沉积cunps前的导电微电极阵列浸入含1m过氧化氢(h2o2)的0.01m磷酸缓冲液(ph7.0)中，以该电化学无酶传感器为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，在上海辰华chi660a电化学工作站上采用循环伏安法(cv)进行测定。

通过测试电化学无酶传感器沉积cunps前后在过氧化氢(h2o2)的磷酸缓冲液(ph7.0)中的电流响应变化即可得到循环伏安曲线对比图，从而确定该传感器是否具有对双氧水的检测性。结果如图4所示，由图4可以看出，所制备的电化学无酶传感器对双氧水具有良好的电流响应性。