本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

生物傳感器是一種以DNA、酶、細胞等生物活性單元作為生物敏感基元，對被測目標物具有高度選擇性的檢測器，其通常是由生物活性物質(zhì)制成的生物功能敏感元件，配上相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器而構(gòu)成，信號轉(zhuǎn)換器的作用是將生物化學(xué)信號轉(zhuǎn)變成可以輸出的并程序化的電子信號、光信號、熱信號或聲波信號。生物傳感器的工作原理是待檢測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定生物敏感膜層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，傳感器的敏感層與樣品中的特定目標分析物之間的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生物理信號，如光、熱、聲、質(zhì)量、顏色、電化學(xué)等變化，經(jīng)特定儀器放大后顯示或記錄，產(chǎn)生的物理信號被相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭啥炕蚩商幚淼碾娦盘?，再?jīng)二次儀器放大后輸出，以電極測其電流或電壓值，進而換算成被測物的量或濃度。目前，現(xiàn)有的生物傳感器主要存在以下不足：不能高效篩分出被檢測物、傳感器的靈敏度較低，另外，在酸、堿或熱等條件下，穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種檢測靈敏度高、穩(wěn)定性好的生物傳感器，同時提供其相應(yīng)的制備方法是本發(fā)明的另一發(fā)明目的。

基于以上目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種生物傳感器，包括工作電極，所述工作電極由電極基片和與其連接的導(dǎo)線經(jīng)包埋劑包埋后制成，所述電極基片的外表面從里到外依次覆蓋有重金屬層、納米碳晶層和膠體金層；所述重金屬層包括兩層，從里到外依次為鎘層和金層。

優(yōu)選地，所述鎘層厚度為200nm，金層厚度為25nm。

優(yōu)選地，所述電極基片通過導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)線相接；所述包埋劑為環(huán)氧樹脂。

生物傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1) 覆蓋重金屬層：在電極基片外表面上依次鍍覆鎘和金后，清洗、真空烘干；烘干溫度為60℃-80℃，烘干時間為3-4h；

2) 覆蓋納米碳晶層：先將納米碳晶分散到DMSO（二甲基亞砜）溶液中，得納米碳晶DMSO溶液，所述納米碳晶的質(zhì)量比濃度為0.2-0.6 w/v%；然后將納米碳晶DMSO溶液進行稀釋，稀釋劑為甲醇，二者用量比為1:(1-5)； 將步驟1)鍍覆重金屬層后的電極基片置于稀釋后的納米碳晶DMSO溶液，超聲、清洗、真空烘干，烘干溫度為60℃-80℃，烘干時間為3-4h；

3) 覆蓋膠體金層：將步驟2) 覆蓋納米碳晶層后的電極基片進行清洗后，置入膠體金溶液中浸泡，清洗、真空烘干；所述浸泡溫度為4℃，浸泡時間為18-24h；烘干溫度為80℃-120℃，烘干時間為3-4h；

4)組裝：將步驟3) 覆蓋膠體金層后的電極基片與導(dǎo)線連接后，用包埋劑包埋，即得工作電極，用該工作電極制成生物傳感器。

優(yōu)選地，步驟2)清洗后，將電極基片置于濃度為65mM含硼氫化鈉的甲醇溶液中，于70℃下，靜置6 h；然后將電極基片進行紫外線輻射功能化處理，再烘干；紫外線輻射功能化時的操作參數(shù)為：激發(fā)波長為254 nm，功率為2 mW/cm²，輻射時間為6 h。

優(yōu)選地，步驟3)中膠體金溶液的制備：將100ml濃度為0.01%的HAuCl₄溶液煮沸后，添加5 mL濃度為1%的Na₃C₆H₅O₇溶液，煮沸7-10min，即得膠體金溶液。

優(yōu)選地，步驟1)和2)中清洗時，先用甲醇清洗、再用去離子水清洗；步驟3)中清洗時，用去離子水清洗。

優(yōu)選地，步驟2)超聲時，工作參數(shù)為：超聲頻率為40Hz，功率為185W，超聲時間30min。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明在電極基片上覆蓋納米碳晶（又稱碳晶素），由于納米碳晶比表面積大，利于與被檢測物生物分子固定化，促進了生物活性中心與電子表面的電子傳動；納米碳晶表面為非對稱的碳原子二聚體結(jié)構(gòu)，活性高、吸附能力強，提高了生物傳感器對生物分子的吸附能力，提高了生物傳感器的檢測靈敏度和檢測效率；

2、納米碳晶應(yīng)用于電極基片上，使工作電極在酸、堿、熱等條件下穩(wěn)定存在，提高了電極的穩(wěn)定性、擴大了電極的應(yīng)用范圍、延長了其使用壽命；另外，由于納米碳晶為純碳物質(zhì)，對被檢測物無任何毒副作用；

3、本發(fā)明制備方法簡單、易操作，且能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為DMSO溶液的電子遷移率試驗數(shù)據(jù)；

圖2為細菌捕獲能力試驗數(shù)據(jù)。

具體實施方式

實施例1

一種生物傳感器，包括工作電極，所述工作電極由電極基片和與其通過導(dǎo)電銀膠連接的導(dǎo)線經(jīng)包埋劑包埋后制成，電極基片為硅片，包埋劑為環(huán)氧樹脂，所述電極基片的外表面從里到外依次覆蓋有重金屬層、納米碳晶層和膠體金層；所述重金屬層包括兩層，從里到外依次為鎘層和金層，鎘層厚度為200nm，金層厚度為25nm。

上述生物傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1) 鍍覆重金屬層：在硅片外表面上依次真空鍍覆鎘和金后，硅片尺寸為1cm×1cm，然后用甲醇清洗、去離子水清洗后，置于真空烘箱中烘干，直至硅片表面烘干，保護氣為N₂，烘干溫度為60℃-80℃，烘干時間為3-4h；

2) 覆蓋納米碳晶層：先將納米碳晶均勻分散到DMSO溶液中，得納米碳晶DMSO溶液，納米碳晶在DMSO溶液中呈正電位，所述納米碳晶的質(zhì)量比濃度為0.5 w/v%；然后將納米碳晶DMSO溶液進行稀釋，稀釋劑為甲醇，二者用量比為1:1；將步驟1)鍍覆重金屬層后的硅片置于稀釋后的納米碳晶DMSO溶液，于超聲頻率為40Hz、功率為185W下超聲30min，取出后用甲醇清洗、去離子水清洗，將硅片置于濃度為65mM含硼氫化鈉的甲醇溶液中，于70℃下，靜置6 h；然后將硅片置于紫外線發(fā)射器中進行紫外線輻射功能化處理，紫外線輻射功能化時的操作參數(shù)為：激發(fā)波長為254 nm、功率為2 mW/cm²、輻射時間為6 h；最后將硅片置于真空烘箱中烘干，直至硅片表面烘干，保護氣為N₂，烘干溫度為60℃-80℃，烘干時間為3-4h；

3) 覆蓋膠體金層：將步驟2) 覆蓋納米碳晶層后的硅片進行用去離子水清洗后，于4℃下置入膠體金溶液中浸泡18-24h，用去離子水清洗，置于真空烘箱中烘干，直至硅片表面烘干，保護氣為N₂，烘干溫度為80℃-120℃，烘干時間為3-4h；

4)組裝：將步驟3) 覆蓋膠體金層后的硅片通過導(dǎo)電膠與導(dǎo)線連接后，用環(huán)氧樹脂包埋，即得工作電極，用該工作電極制成生物傳感器。

步驟3)中膠體金溶液的制備：將100ml濃度為0.01%的HAuCl₄溶液煮沸后，添加5 mL濃度為1%的Na₃C₆H₅O₇溶液，煮沸7-10min，即得膠體金溶液。

實施例2

本發(fā)明該兩個實施例中，在步驟2)中，將納米碳晶DMSO溶液進行稀釋時，該溶液與稀釋劑用量比依次分別為1:3，其他同實施例1。

實施例3

本實施例中，在步驟2)中，將納米碳晶DMSO溶液進行稀釋時，溶液與稀釋劑用量比依次分別為1:5，其他同實施例1。

實施例4

4.1 DMSO溶液的電子遷移率試驗

4.1.1不同稀釋劑的DMSO溶液的電子遷移率對比試驗

將納米碳晶均勻分散到DMSO溶液中，納米碳晶的質(zhì)量比濃度為0.5 w/v%，所用稀釋劑分別為甲醇和水，測試同一稀釋比例、不同稀釋劑下，DMSO溶液的電子遷移率，試驗結(jié)果如附圖1所示。

由圖1可知，將納米碳晶分散到DMSO溶液中時，稀釋比例相同條件下，當稀釋劑為甲醇時，DMSO溶液的電子遷移率遠高于稀釋劑為水時的電子遷移率。

4.1.2與不含納米碳晶的DMSO溶液的電子遷移率對比試驗

將本發(fā)明的DMSO溶液作為試驗組，試驗組的納米碳晶的的質(zhì)量比濃度為0.5 w/v%，不含納米碳晶的DMSO溶液作為對照組，兩組中的稀釋劑均為甲醇，當稀釋比例分別為1:1、1:3、1:5時，測試試驗組和對照組的電子遷移率，試驗結(jié)果如附圖1。

由圖1可知，試驗組的電子遷移率明顯要高于對照組的電子遷移率，與對照組相比，試驗組的電子遷移率提高了60%-70%。

4.2細菌捕獲能力試驗

溶液中細菌含量分別為10⁵、10⁶、10⁷ cell/mL下，納米碳晶與DMSO溶液的質(zhì)量比濃度不同時，制成的工作電極的細菌捕獲能力進行試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著納米碳晶含量的逐漸提高，其細菌捕獲密度也相應(yīng)提高，由此說明，其細菌捕獲密度是與納米碳晶的含量呈正比，可以達到800 cell/mm²左右，遠遠高于現(xiàn)有的電極的捕獲密度(100-400 cell/mm²)，大大提高了檢測靈敏度。

4.3穩(wěn)定性試驗

將本發(fā)明實施例1-3制成的工作電極作為試驗組，不經(jīng)納米碳晶修飾所制成的工作電極為對照組，將試驗組和對照組的工作電極分別浸入5mMCo(bpy)³⁺溶液、1mol/L的H₂SO₄溶液和1mol/L的NaOH溶液中，靜置3h，然后將經(jīng)過H₂SO₄溶液、NaOH溶液浸泡過的電極浸入5mMCo(bpy)³⁺溶液，測試其循環(huán)伏安特性；以及將試驗組和對照組的工作電極置于100℃沸水中，煮沸3h，然后將兩組電極浸入5mMCo(bpy)³⁺測試其循環(huán)伏安特性，根據(jù)其循環(huán)伏安曲線積分計算Co(bpy)³⁺在電極表面的吸附量，試驗結(jié)果如下表1。

由表1可知，經(jīng)過納米碳晶修飾的工作電極在酸、堿條件下性質(zhì)穩(wěn)定；在熱條件下，本發(fā)明的工作電極性質(zhì)穩(wěn)定，而對照組的工作電極在沸水中穩(wěn)定性遭到破壞，由此證明，經(jīng)過納米碳晶修飾后，工作電級的穩(wěn)定性得到增強。