專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光電化學(xué)生物傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電化學(xué)生物傳感器及其制備方法，特別涉及一種利用粗糙金表
面增強(qiáng)光電信號(hào)的光電化學(xué)生物傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，材料的性質(zhì)尤其是界面性質(zhì)，是由材料的物質(zhì)組成與表面結(jié)構(gòu)共同決定的。粗糙表面的納米結(jié)構(gòu)對(duì)其界面性質(zhì)有很重要的影響。具有合理納米結(jié)構(gòu)的粗糙表面在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如，l)改進(jìn)光學(xué)器件的性能，包括表面擴(kuò)大的拉曼散射，表面等離子體共振，減反性質(zhì)等；2)顯著地提高光電器件的轉(zhuǎn)化效率，納米結(jié)構(gòu)表面不僅可以提供更大的表面積，還能夠增強(qiáng)光散射，更有利于太陽(yáng)光的捕獲與利用；3)更容易調(diào)控表面的浸潤(rùn)性，例如制備超疏水的材料，單獨(dú)的表面化學(xué)修飾改變了材料的物質(zhì)組成，改變了其表面張力，最多只能使水滴的接觸角達(dá)到120° ;而材料表面的納米結(jié)構(gòu)可以促使疏水的表面更疏水，從而獲得實(shí)際接觸角達(dá)到接近180。的超疏水狀態(tài)。另外，將納米結(jié)構(gòu)引入生物傳感器的表面可以擴(kuò)大響應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)限以及提高檢測(cè)的敏感度。 很多方法可以用來(lái)控制粗糙表面的納米結(jié)構(gòu)，如化學(xué)刻蝕，電噴技術(shù)，自組裝技術(shù)(Layer-by-Layer)，電化學(xué)沉積和化學(xué)氣相沉積等等。其中，電化學(xué)沉積由于其方便和簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，成為最有用的在導(dǎo)電表面上制備納米結(jié)構(gòu)的方法之一。模板輔助電化學(xué)沉積利用模板的空間限域功能，可以直接制備形貌可控的納米結(jié)構(gòu)。然而，這種方法相對(duì)比較麻煩，需要預(yù)先制備簡(jiǎn)單廉價(jià)的模板，沉積完成后還須選擇合適的方法除去模板，盡量避免破壞所得的納米結(jié)構(gòu)。為了控制產(chǎn)物的形貌，人們還常常在電化學(xué)沉積過(guò)程中加入添加劑。這些添加劑優(yōu)先吸附于某些晶面，改變了電化學(xué)沉積過(guò)程中晶體生長(zhǎng)的方向與速度，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)物的不同相貌。這些添加劑有半胱氨酸、I—，Pb"和PVP等，分別得到了針狀、球狀、花狀、多孔等各種不同的形貌。此外，基底的性質(zhì)也是影響沉積產(chǎn)物形貌的重要因素。層層自組裝高分子電解質(zhì)多層、導(dǎo)電聚合物膜、濺射Au膜等都被用于修飾導(dǎo)電基底，得到各種形貌的產(chǎn)物。 光電化學(xué)生物傳感器是一種便宜，具有潛在應(yīng)用前景的光電器件。相對(duì)于傳統(tǒng)的分析方法，光電化學(xué)生物傳感器具有更高的靈敏度，有望實(shí)現(xiàn)陣列分析等優(yōu)點(diǎn)。在這種分析方法中，導(dǎo)電高分子，過(guò)渡金屬配合物，半導(dǎo)體納米粒子及其它納米結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于光敏
齊u。光照情況下，光敏劑的電子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，生成電子-空穴對(duì)。如果電極具有與
光敏劑導(dǎo)帶或價(jià)帶相匹配的能級(jí)，則光生電子或光生空穴轉(zhuǎn)移至電極，產(chǎn)生光電流。這個(gè)過(guò)程中，如果待測(cè)生物分子可以特定地改變光生電流的強(qiáng)度，這個(gè)生物傳感器就能有效地探測(cè)該生物分子。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種檢測(cè)靈敏度更高的光電化學(xué)生物傳感器及其制備方法。
用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案如下 —種光電化學(xué)生物傳感器，該生物傳感器以具有粗糙表面的金電極作為導(dǎo)電電極，所述導(dǎo)電電極的表面具有光敏劑，所述光敏劑為具有生物分子識(shí)別基團(tuán)的導(dǎo)電聚合物。
在上述光電化學(xué)生物傳感器中，導(dǎo)電聚合物優(yōu)選為聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔和聚苯胺中的一種或多種。生物分子識(shí)別基團(tuán)優(yōu)選為生物素分子。優(yōu)選地，金電極的粗糙表面具有納米結(jié)構(gòu)；更優(yōu)選地，金電極粗糙表面上的納米結(jié)構(gòu)具有垂直取向，并且為單晶結(jié)構(gòu)。光敏劑優(yōu)選為帶有生物素分子的聚噻吩。 —種上述生物傳感器的制備方法，其中包括采用無(wú)模板，無(wú)表面活性劑參與的電
化學(xué)沉積方法制備金電極的步驟。 具體來(lái)說(shuō)，上述方法包括以下步驟 (1)在濺射的金納米顆粒薄膜上通過(guò)電化學(xué)沉積形成粗糙金表面；
(2)使導(dǎo)電聚合物復(fù)合到粗糙金表面上。 上述方法包括調(diào)節(jié)電化學(xué)沉積方法中使用的沉積電壓與沉積時(shí)間以獲得具有不同納米結(jié)構(gòu)的金電極粗糙表面。上述方法還包括封閉金電極表面上未復(fù)合導(dǎo)電聚合物的部分。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種利用簡(jiǎn)單的電化學(xué)沉積方法制備具有納米結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)一維金粗糙表面，再與具有生物素基團(tuán)(biontin)的導(dǎo)電聚合物配合制備而成的光電化學(xué)生物傳感器。粗糙金表面與光敏劑，即具有生物分子識(shí)別基團(tuán)的導(dǎo)電聚合物復(fù)合后，不僅有利于光的捕獲，而且可以促進(jìn)導(dǎo)電聚合物的光生載流子在電極表面的傳輸，從而提高光電轉(zhuǎn)換率，增強(qiáng)體系產(chǎn)生的光電流，達(dá)到提高光電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)靈敏度的效果。本發(fā)明采用無(wú)模板、無(wú)表面活性劑參與的電化學(xué)沉積方法，在濺射的金納米顆粒薄膜上沉積粗糙金表面，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的沉積電壓與沉積時(shí)間，得到具有不同納米結(jié)構(gòu)的金電極表面，該方法簡(jiǎn)單易行，進(jìn)一步提高了光電化學(xué)生物傳感器制備效率。


以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，其中 圖1為濺射Au納米粒子膜的原子力顯微鏡圖像A)和掃描電鏡圖像B)，刻度尺為500納米。 圖2為在不同沉積電勢(shì)和沉積時(shí)間下得到的粗糙Au表面的SEM圖像。沉積電勢(shì)為-0. 2V，沉積時(shí)間分別為A)400s， B)800s， C) 1200s ;沉積時(shí)間為800s，沉積電勢(shì)分別為D)-O. IV，E)-O. 3V，F(xiàn))-0. 4V ;B)中的內(nèi)插圖為90。側(cè)臺(tái)SEM圖像，其它的均為45°斜臺(tái)SEM圖像。所有圖片的刻度尺均為500nm。
圖3為Au納米枝表面的XRD圖譜。 圖4為磷酸緩沖溶液中四種PTBL/Au納米結(jié)構(gòu)電極的光電流_時(shí)間曲線，光強(qiáng)為110mW cm—2，偏壓為0V。 A)NPs ;B) 、 C) 、 D)在沉積電勢(shì)為-0. 2V下分別沉積400s，800s，1200s。 圖5為Au電極上光電流降低的數(shù)值與鏈霉親和素濃度的關(guān)系圖。實(shí)線代表PTBL/Au納米枝復(fù)合電極，虛線代表PTBL/Au納米粒子復(fù)合電極。內(nèi)插圖是在空白磷酸緩沖溶液中的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 光電化學(xué)生物傳感器的制備及工作步驟如下 (1)將玻璃基底置于濃硫酸和雙氧水(體積比=7 : 3)的混合溶液中，加熱至8(TC保持5分鐘(有大量氣泡產(chǎn)生)，取出用大量二次去離子水沖洗干凈，K氣吹干。先在玻璃基底濺射上一層大約0. 1 10nm厚的鉻層，隨后再濺射一層金膜，利用原子力顯微鏡(AFM)和電子掃描顯微鏡(SEM)觀測(cè)所得的金電極形貌，如圖l所示。電化學(xué)沉積實(shí)驗(yàn)在經(jīng)典的三電極電解池中進(jìn)行。以lg/L HAuCl4和0. 1M H2S04的水溶液為電解液，工作電極為濺射得到的金膜電極，對(duì)電極為鉑片，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極(SCE)，電解池是一個(gè)Teflon池子。電化學(xué)沉積前，把預(yù)先配好的電解液轉(zhuǎn)移到電解池中，進(jìn)行恒壓電化學(xué)沉積。在-0. 1 -2V沉積電勢(shì)下，沉積時(shí)間0 5000s。沉積完畢后，將工作電極從電解池中取出，用二次水沖洗數(shù)次后，N2吹干，所得粗糙金電極形貌如圖2所示。 (2)把導(dǎo)電聚合物溶液滴到具有不同納米結(jié)構(gòu)的粗糙金電極表面(15X15mm)，然后在空氣中自然晾干。光電流測(cè)試在帶有石英窗口的傳統(tǒng)三電極電解池中進(jìn)行。以0. 1M磷酸緩沖溶液(pH= 7.4)為電解液，工作電極為修飾了導(dǎo)電聚合物薄膜的粗糙金電極，對(duì)電極為鉑絲，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極(SCE)，照射光源是CMH-250太陽(yáng)光模擬器。實(shí)驗(yàn)中的光強(qiáng)是110mW/cm2。導(dǎo)電聚合物與不同納米結(jié)構(gòu)粗糙金表面的復(fù)合電極具有不同的光電流值，其中，導(dǎo)電聚合物可以為聚苯胺，聚乙炔，聚噻吩，聚吡咯等導(dǎo)電高分子的生物素取代衍生物，如圖4所示(導(dǎo)電聚合物選為具有生物素側(cè)鏈的聚噻吩衍生物，PTBL)。
(3)將由5% (w/v)的牛血清蛋白和0. 1M的磷酸緩沖液組成的封閉液滴到導(dǎo)電聚
合物/粗糙金電極上，在4t:下放置兩個(gè)小時(shí)以阻止鏈霉親和素與電極表面的非特異性吸
附。用磷酸緩沖液將解凍的鏈霉親和素水溶液配置成不同濃度的鏈霉親和素溶液。隨后把修飾上生物素膜的電極放入50ii L含有不同濃度鏈霉親和素的磷酸緩沖溶液中靜置30分鐘，用磷酸緩沖液沖洗干凈，在-75mV的偏壓下測(cè)量光電流。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，重復(fù)上述過(guò)程，不同之處在于用磷酸緩沖溶液替換了鏈霉親和素溶液。 在上述過(guò)程中，電化學(xué)沉積時(shí)，沉積電勢(shì)為-0. 2V，沉積時(shí)間為800s得到相互分離的垂直于基底的Au納米枝結(jié)構(gòu)。Au納米枝的直徑和高度分布分別為50-500nm和100-2000nm。約有超過(guò)80%的Au納米枝垂直于基底，與基底法線方向成10°范圍以?xún)?nèi)的角度。Au納米枝的莖和分枝之間的夾角約為45。。圖3為Au納米枝電極的X射線衍射譜圖，由此圖可以看到Au的(111)衍射峰強(qiáng)度遠(yuǎn)大于(200)， (220)， (311)等，這說(shuō)明了在基底上垂直取向的Au納米枝沿著[111]方向上有擇優(yōu)生長(zhǎng)。這種單晶的性質(zhì)有利于載流子沿著Au納米枝傳輸，因此可以改善其作為生物傳感器的性能。將一定量的PTBL溶液滴到Au納米枝表面，得到了相對(duì)均一的PTBL膜，厚度約為200nm。以磷酸緩沖溶液為電解液，PTBL/Au納米枝復(fù)合電極的平均光電流為24. 72nA cm—2(圖4)。隨后利用光電化學(xué)方法來(lái)檢測(cè)PTBL/Au納米枝復(fù)合電極與鏈霉親和素的鍵合作用。同時(shí)，PTBL/Au納米粒子電極被用在對(duì)比實(shí)驗(yàn)的研究中。光電流強(qiáng)度隨著鏈霉親和素濃度的增加呈近乎線性降低的趨勢(shì)(圖5)。與PTBL/Au納米粒子復(fù)合電極比較，相同濃度的鏈霉親和素所導(dǎo)致的PTBL/Au納米枝復(fù)合電極的光電流降低更加顯著，這也說(shuō)明了 PTBL/Au納米枝復(fù)合電極對(duì)鏈霉親和素具有更高的靈敏性。從光電流降低值與鏈霉親和素濃度關(guān)系圖上進(jìn)行線性擬合，可以分別得到兩條 直線，從而得到PTBL/Au納米枝復(fù)合電極和PTBL/Au納米粒子復(fù)合電極兩個(gè)體系中的斜率， 前者為0. 085，是后者的2. 5倍。相應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，PTBL/Au電極在磷酸緩沖液中幾乎 沒(méi)有光電流降低的現(xiàn)象(圖5內(nèi)插圖)。這表明光電流的降低是由于鏈霉親和素與電極表 面的PTBL膜鍵合所導(dǎo)致的。
權(quán)利要求
一種光電化學(xué)生物傳感器，該生物傳感器以具有粗糙表面的金電極作為導(dǎo)電電極，所述導(dǎo)電電極的表面具有光敏劑，所述光敏劑為具有生物分子識(shí)別基團(tuán)的導(dǎo)電聚合物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)電聚合物為聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔和聚苯胺中的一種或多種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物傳感器，其特征在于，所述生物分子識(shí)別基團(tuán)為生物素分子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的生物傳感器，其特征在于，所述金電極的粗糙表面具有納米結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的生物傳感器，其特征在于，所述金電極粗糙表面上的納米結(jié)構(gòu)具有垂直取向，并且為單晶結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的生物傳感器，其特征在于，所述光敏劑為帶有生物素分子的聚噻吩。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的生物傳感器的制備方法，其中包括采用無(wú)模板，無(wú)表面活性劑參與的電化學(xué)沉積方法制備金電極的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1) 在濺射的金納米顆粒薄膜上通過(guò)電化學(xué)沉積形成粗糙金表面；(2) 使導(dǎo)電聚合物復(fù)合到粗糙金表面上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的制備方法，其特征在于，所述方法包括調(diào)節(jié)電化學(xué)沉積方法中使用的沉積電壓與沉積時(shí)間以獲得具有不同納米結(jié)構(gòu)的金電極粗糙表面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的生物傳感器的制備方法，其特征在于，所述方法還包括封閉金電極表面上未復(fù)合導(dǎo)電聚合物的部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光電化學(xué)生物傳感器及其制備方法，該生物傳感器以具有粗糙表面的金電極作為導(dǎo)電電極，所述導(dǎo)電電極的表面具有光敏劑，所述光敏劑為具有生物分子識(shí)別基團(tuán)的導(dǎo)電聚合物。其中粗糙金表面與光敏劑，即具有生物分子識(shí)別基團(tuán)的導(dǎo)電聚合物復(fù)合后，不僅有利于光的捕獲，而且可以促進(jìn)導(dǎo)電聚合物的光生載流子在電極表面的傳輸，從而提高光電轉(zhuǎn)換率，增強(qiáng)體系產(chǎn)生的光電流，達(dá)到提高光電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)靈敏度的效果。該制備方法包括采用無(wú)模板，無(wú)表面活性劑參與的電化學(xué)沉積方法制備金電極的步驟。該方法簡(jiǎn)單易行，進(jìn)一步提高了光電化學(xué)生物傳感器制備效率。
文檔編號(hào)G01N27/327GK101776637SQ20091007667
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者周惠瓊, 唐智勇, 江雷 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心