[发明专利]一种三维碳微阵列与水滑石复合材料的制备方法及其作为无酶传感器的应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学生物传感器及其制备技术领域，特别涉及一种三维碳微阵列与水滑石复合材料的制备方法及其作为无酶传感器的应用。

背景技术

日趋重要的生物小分子检测技术推动着电化学生物传感器的蓬勃发展。电化学生物传感器，通过生物分子识别元件，快速准确感应检测基质，再以电信号的形式，定性定量表述指定生物分子的含量。生物分子识别元件主要由生物敏感膜和基底材料组成，根据生物敏感膜作用机理的不同，生物传感器可以分类为酶传感器和无酶传感器。酶传感器中的生物酶在高温，强酸强碱，重金属，有毒物质等等条件下均易减弱或失去活性，这使酶传感器的发展和应用受到了极大的限制；也使无酶传感器日益引来广泛的关注。

无酶传感器制备中，选择利于生物敏感膜活性的基底材料非常重要，常见的基底材料包括各类导电金属，玻璃，石英等等。此外，种类繁多，物化性能各具特点的碳材料近年来也被广泛用作生物传感器的基底材料，碳材料被选作基底材料主要由于以下几点：(1)石墨化程度较高的碳材料具有优异的导电性能；(2)具有比其他基底更宽的电化学稳定窗口；(3)具有良好的生物相容性，在生化器件中应用普遍；(4)原材料广泛，合成简便，形貌各异。

微制造技术由于体积小，成本低，精度高，一体成型等优点已渗透到现代化研发的方方面面，基于碳材料的碳微制造也发展成了微制造领域的一大分支。碳微制造包括离子铣，离子刻蚀以及近两年新兴的光刻碳化工艺。光刻碳化工艺相较于其他碳微制造技术具有以下几大优点：(1)由于光刻工艺的图形灵活多变，光刻碳化工艺所制备的碳材料形貌丰富多样；(2)控制碳化温度可以得到物化性能稳定的碳材料；(3)光刻碳化工艺易于量产，能极大降低生产成本；(4)结合不同纳米材料得到微纳复合结构，延伸出多种机械，化学及电学性能。将这种碳微制造技术应用于生物传感器中基底材料的制备已有报道。

在文献(1)Biosensors and Bioelectronics,2008,23:1637-1644中，Han Xu等人以SU-8光刻胶为基底材料，采用光刻碳化的方法，得到整齐排列的碳微阵列，再采用聚合物固定葡萄糖氧化酶到碳微柱表面，制备了酶传感器，并通过控制涂胶厚度和掩膜图形，考察了碳微柱的高度，间距以及直径对所制备传感器电化学性能的影响。但平整光滑的碳微柱固定酶分子量受限，传感器性能较差。

在文献(2)Sensors and Actuator A:Physical,2013,198:15-20中，Shuang Xi等人采用SU-8光刻胶涂胶曝光，并在显影液中混合了多壁碳纳米管进行显影。作者利用纳米结构的自组装性能，得到了表面布满碳纳米管的碳微阵列，再利用聚合物在其表面固定酶分子，制备出了葡萄糖氧化酶传感器。密布的碳纳米管，极大增加了比表面积，显著提高了载酶量，但是采用的活性物质是酶分子，所以依然避免不了所制备的传感器受限于环境因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维碳微阵列与水滑石复合材料的制备方法及其作为无酶传感器的应用。

本发明的技术方案是：以硅片为基底，在其表面采用光刻方法制备出光刻胶微阵列，经高温碳化后得到三维碳微阵列，然后在其表面沉积AlOOH薄层，最后置于水热釜中原位生长出水滑石薄层，即得到三维碳微阵列与水滑石复合材料，该材料可直接用做工作电极以构筑电化学无酶传感器。

本发明所述的三维碳微阵列与水滑石复合材料是由水滑石薄层生长在三维碳微阵列表面构成的；所述的三维碳微阵列由碳微柱子组成，碳微柱子的高度范围是35-120μm，直径范围是20-60μm，间距范围是20-120μm；所述的水滑石薄层由垂直生长于三维碳微阵列表面的水滑石片组成，水滑石薄层的厚度范围是0.2-0.9μm；水滑石片的厚度范围是5-40nm，径向尺寸范围是10-400nm。

所述的水滑石片的化学组成为[M²⁺_1-βAl³⁺_β(OH)₂]^β+；M²⁺代表二价金属阳离子Ni²⁺或Co²⁺，较佳的为Ni²⁺；1-β和β分别为二价金属阳离子、Al³⁺的物质的量分数，且0.2≤β≤0.4；β+为水滑石片所带正电荷量。

本发明所述的三维碳微阵列与水滑石复合材料的制备方法为：