一種三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法及其作為無酶傳感器的應用的製作方法

2023-09-20 12:50:55 3

一種三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法及其作為無酶傳感器的應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法及其作為無酶傳感器的應用。本發明的技術方案是：以矽片為基底，在其表面採用光刻方法製備出光刻膠微陣列，經高溫碳化後得到三維碳微陣列，然後在其表面沉積AlOOH薄層，最後置於水熱釜中原位生長出水滑石薄層，即得到三維碳微陣列與水滑石複合材料。具有良好生物相容性的碳微陣列，形成一個個微型的集流體，其表面密布的水滑石薄層，提供了大比表面積的電催化活性位點，使複合材料適宜於用做無酶傳感器工作電極。此外本發明的複合電極，可批量生產，並且固定有碳微陣列的矽片電極可以切割成多個電極使用，極大降低了傳感器工作電極的生產成本，並具有良好的操作穩定性及儲存穩定性。
【專利說明】一種三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法及其作為 無酶傳感器的應用

【技術領域】
[0001] 本發明屬於電化學生物傳感器及其製備【技術領域】，特別涉及一種三維碳微陣列與 水滑石複合材料的製備方法及其作為無酶傳感器的應用。

【背景技術】
[0002] 日趨重要的生物小分子檢測技術推動著電化學生物傳感器的蓬勃發展。電化學生 物傳感器，通過生物分子識別元件，快速準確感應檢測基質，再以電信號的形式，定性定量 表述指定生物分子的含量。生物分子識別元件主要由生物敏感膜和基底材料組成，根據生 物敏感膜作用機理的不同，生物傳感器可以分類為酶傳感器和無酶傳感器。酶傳感器中的 生物酶在高溫，強酸強鹼，重金屬，有毒物質等等條件下均易減弱或失去活性，這使酶傳感 器的發展和應用受到了極大的限制；也使無酶傳感器日益引來廣泛的關注。
[0003] 無酶傳感器製備中，選擇利於生物敏感膜活性的基底材料非常重要，常見的基底 材料包括各類導電金屬，玻璃，石英等等。此外，種類繁多，物化性能各具特點的碳材料近 年來也被廣泛用作生物傳感器的基底材料，碳材料被選作基底材料主要由於以下幾點：（1) 石墨化程度較高的碳材料具有優異的導電性能；（2)具有比其他基底更寬的電化學穩定窗 口； (3)具有良好的生物相容性，在生化器件中應用普遍；(4)原材料廣泛，合成簡便，形貌 各異。
[0004] 微製造技術由於體積小，成本低，精度高，一體成型等優點已滲透到現代化研發的 方方面面，基於碳材料的碳微製造也發展成了微製造領域的一大分支。碳微製造包括離子 銑，離子刻蝕以及近兩年新興的光刻碳化工藝。光刻碳化工藝相較於其他碳微製造技術具 有以下幾大優點：（1)由於光刻工藝的圖形靈活多變，光刻碳化工藝所製備的碳材料形貌 豐富多樣；（2)控制碳化溫度可以得到物化性能穩定的碳材料；（3)光刻碳化工藝易於量 產，能極大降低生產成本；(4)結合不同納米材料得到微納複合結構，延伸出多種機械，化 學及電學性能。將這種碳微製造技術應用於生物傳感器中基底材料的製備已有報導。
[0005] 在文獻（1) Biosensors and Bioelectronics, 2008, 23:1637-1644 中，Han Xu 等 人以SU-8光刻膠為基底材料，採用光刻碳化的方法，得到整齊排列的碳微陣列，再採用聚 合物固定葡萄糖氧化酶到碳微柱表面，製備了酶傳感器，並通過控制塗膠厚度和掩膜圖形， 考察了碳微柱的高度，間距以及直徑對所製備傳感器電化學性能的影響。但平整光滑的碳 微柱固定酶分子量受限，傳感器性能較差。
[0006] 在文獻（2) Sensors and Actuator A:Physical, 2013, 198:15-20 中，Shuang Xi 等 人採用SU-8光刻膠塗膠曝光，並在顯影液中混合了多壁碳納米管進行顯影。作者利用納米 結構的自組裝性能，得到了表面布滿碳納米管的碳微陣列，再利用聚合物在其表面固定酶 分子，製備出了葡萄糖氧化酶傳感器。密布的碳納米管，極大增加了比表面積，顯著提高了 載酶量，但是採用的活性物質是酶分子，所以依然避免不了所製備的傳感器受限於環境因 素。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在於提供一種三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法及其作 為無酶傳感器的應用。
[0008] 本發明的技術方案是：以娃片為基底，在其表面米用光刻方法製備出光刻膠微陣 列，經高溫碳化後得到三維碳微陣列，然後在其表面沉積A100H薄層，最後置於水熱釜中原 位生長出水滑石薄層，即得到三維碳微陣列與水滑石複合材料，該材料可直接用做工作電 極以構築電化學無酶傳感器。
[0009] 本發明所述的三維碳微陣列與水滑石複合材料是由水滑石薄層生長在三維 碳微陣列表面構成的；所述的三維碳微陣列由碳微柱子組成，碳微柱子的高度範圍是 35-120 μ m，直徑範圍是20-60 μ m，間距範圍是20-120 μ m ;所述的水滑石薄層由垂直生長 於三維碳微陣列表面的水滑石片組成，水滑石薄層的厚度範圍是0. 2-0. 9 μ m ;水滑石片的 厚度範圍是5-40nm，徑向尺寸範圍是10-400nm。
[0010] 所述的水滑石片的化學組成為[M&g Al3% (OH) 2]0 + ;M2+代表二價金屬陽離子 Ni2+或Co2+，較佳的為Ni'1-β和β分別為二價金屬陽離子、Al3+的物質的量分數，且 0. 2彡β彡0. 4 ; β +為水滑石片所帶正電荷量。
[0011] 本發明所述的三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法為：
[0012] (1)在超淨間，以處理後的矽片為基底，旋塗上光刻膠，勻膠厚度為35-120 μ m， 在21-24°C、相對溼度為49-51 %的條件下自平整30-60分鐘後置於烘膠臺上進行前烘，先 60-70°C烘乾10-20分鐘，再90-KKTC烘乾20-40分鐘，最後置於溫度為21-24°C、相對溼 度為49-51 %條件下冷卻30-90分鐘，得到光刻膠薄膜；採用圓孔直徑為20-60 μ m，間距為 20-120 μ m的掩膜圖形進行曝光，曝光劑量為260-540mJ/cm2,曝光後的圖形立即中烘，於 90-100°C烘膠臺烘乾20-50分鐘，然後置於21-24°C、相對溼度為49-51 %條件下冷卻20-30 分鐘；最後浸泡於顯影液中30-40分鐘，溶解掉未發生交聯的光刻膠，即得到光刻膠微陣 列；
[0013] (2)將得到的光刻膠微陣列置於管式爐中，N2保護條件下，以8-12°C /分鐘的升 溫速度，從室溫升至250-350°C煅燒30-50分鐘，再以相同升溫速度升至900-1000°C，煅燒 100-140分鐘後降至室溫，得到三維碳微陣列；
[0014] (3)將得到的三維碳微陣列浸入到A100H膠體溶液中15-20分鐘後取出，常溫自然 瞭幹，完成一層A100H的沉積；
[0015] (4)重複步驟（3)操作60-70次，在三維碳微陣列表面沉積不同厚度的A100H薄 層；然後浸入到反應底液中，密封，升溫到85-95°C，12-16小時後取出，依次用二次水和乙 醇淋洗，室溫乾燥，即得三維碳微陣列與水滑石複合材料。
[0016] 步驟（1)所述的光刻膠選自 SU-82025、SU-82050、SU-82075、SU-82100 光刻膠中 的一種。
[0017] 步驟（1)所述的矽片處理方法為：將矽片依次置於丙酮、乙醇、二次水中分別超聲 5-20分鐘後用丙酮淋洗，最後用N 2吹乾。
[0018] 所述的A100H膠體溶液的製備方法為：
[0019] 按照異丙醇鋁與去離子水質量比為1/9-1/12的比例將異丙醇鋁溶於去離子水 中，70-90°C下攪拌15-45分鐘；使用l-3mol/L的ΗΝ03水溶液調節pH至3-4, 70-90°C下攪 拌1-4小時，然後在45-60°C下乾燥得到固體A100H，研磨成粉狀；按照A100H與去離子水質 量比為1/17-1/20的比例溶解，於80-90°C下攪拌30-120分鐘，然後逐滴加入l-3mol/L的 ΗΝ03水溶液，調節pH至1-4,即得乳白色半透明的A100H膠體溶液。
[0020] 所述的反應底液的配製方法為：
[0021] 按照二價金屬陽離子與順4勵3摩爾比為1/5-1/8的比例將可溶二價金屬鹽和 NH4N03溶於去離子水中，NH4N03的濃度為l-3mol/L ;最後用l-3mol/L的氨水調節pH至5-7， 即得反應底液。
[0022] 所述的二價金屬陽離子選自Ni2+或Co2+。
[0023] 所述的可溶二價金屬鹽選自硝酸鎳或硝酸鈷。
[0024] 將上述製備的三維碳微陣列與水滑石複合材料作為無酶傳感器的應用。
[0025] 本發明的特點及效果在於：本發明結合了光刻碳化的碳微製造方法與原位生長方 法，製備了三維碳微陣列與水滑石複合材料。具有良好生物相容性的碳微陣列，形成一個個 微型的集流體，其表面密布的水滑石薄層，提供了大比表面積的電催化活性位點，使複合材 料適宜於用做無酶傳感器工作電極。此外本發明的複合電極，可批量生產，並且固定有碳微 陣列的矽片電極可以切割成多個電極使用，極大降低了傳感器工作電極的生產成本，並具 有良好的操作穩定性及儲存穩定性。本發明為碳微製造拓寬了新的應用領域，為電化學微 電極的研發提供了一種新方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1.實施例1製備過程中各階段材料掃描電鏡圖；其中，（a)為碳微陣列；(b)為 沉積A100H薄層的碳微陣列；（c)，（d)三維碳微陣列與水滑石複合材料。
[0027] 圖2.三維碳微陣列與水滑石複合材料（a)，矽片表面生長水滑石（b)以及矽片表 面固定碳微陣列（c)分別對底液中葡萄糖進行催化的電流-時間曲線。
[0028] 圖3為溶液中葡萄糖濃度逐漸增加時三維碳微陣列與水滑石複合材料電極的電 流-時間曲線；其中，橫坐標一時間，單位為秒（s);縱坐標一電流，單位為毫安（μΑ)。
[0029] 圖4為三維碳微陣列與水滑石複合材料電極對葡萄糖的催化電流與葡萄糖濃度 的關係曲線；其中，橫坐標一葡萄糖濃度，單位為微摩爾/升（mm〇l/L);縱坐標一電流，單位 為暈安（μ A)。

【具體實施方式】：
[0030] 以下實施例中所用水溶液均採用二次水配製。
[0031] 實施例1 :
[0032] (1)將矽片依次置於丙酮、乙醇、二次水中分別超聲20分鐘後用丙酮淋洗，最後用 Ν2吹乾；在超淨間，以處理後的矽片為基底，旋塗上SU-82050光刻膠，在23°C、相對溼度為 50 %的條件下自平整30分鐘後置於烘膠臺上進行前烘，先65°C烘乾15分鐘，再95°C烘乾 30分鐘，最後置於溫度為23°C、相對溼度為50%條件下冷卻40分鐘，得到光刻膠薄膜；採 用圓孔直徑為40 μ m，間距為80 μ m的掩膜圖形進行曝光，曝光劑量為360mJ/cm2,曝光後的 圖形立即中烘，於95°C烘膠臺烘乾25分鐘，然後置於23°C、相對溼度為50%條件下冷卻20 分鐘；最後浸泡於顯影液中30分鐘，溶解掉未發生交聯的光刻膠，即得到光刻膠微陣列；
[0033] (2)將得到的光刻膠微陣列置於管式爐中，N2保護條件下，以10°C /分鐘的升溫速 度，從室溫升至300°C煅燒40分鐘，再以相同升溫速度升至1000°C，煅燒120分鐘後降至室 溫，得到三維碳微陣列；
[0034] (3)將得到的三維碳微陣列浸入到A100H膠體溶液中15分鐘後取出，常溫自然晾 幹，完成一層A100H的沉積；
[0035] (4)重複步驟（3)操作60次，在三維碳微陣列表面沉積A100H薄層；然後浸入到 反應底液中，密封，升溫到85°C，12小時後取出，依次用二次水和乙醇淋洗，室溫乾燥，即得 三維碳微陣列與水滑石複合材料。
[0036] 所述的A100H膠體溶液的製備方法為：按照異丙醇鋁與去離子水質量比為1/10的 比例將異丙醇鋁溶於去離子水中，85°C下攪拌20分鐘；使用lmol/L的ΗΝ0 3水溶液調節pH 至3. 4,85°C下攪拌2小時，然後在60°C下乾燥得到固體A100H，研磨成粉狀；按照A100H與 去離子水質量比為1/18的比例溶解，於85°C下攪拌60分鐘，然後逐滴加入lmol/L的ΗΝ0 3 水溶液，調節pH至2. 5,即得乳白色半透明的A100H膠體溶液。
[0037] 所述的反應底液的配製方法為：按照Ni (Ν03)2 · 6H20與ΝΗ4Ν03摩爾比為1/6的比 例將Ni (Ν03)2 · 6H20和ΝΗ4Ν03溶於去離子水中，ΝΗ4Ν0 3的濃度為2mol/L ;最後用lmol/L的 氨水調節pH至5. 9,即得反應底液。
[0038] 上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料是由水滑石薄層生長在三維碳 微陣列表面構成的；所述的三維碳微陣列由碳微柱子組成，碳微柱子的高度是55 μ m，直徑 是20 μ m，間距是80 μ m ;所述的水滑石薄層由垂直生長於三維碳微陣列表面的水滑石片組 成，水滑石薄層的厚度是〇· 4μ m ;水滑石片的厚度是25-35nm，徑向尺寸是100-250nm。所 述的水滑石片的化學組成為β =0.28。
[0039] 將上述製備過程中各階段材料的形貌採用日立S-4800冷場發射掃描電子顯微鏡 進行檢測。不同階段的材料掃描電鏡圖如圖1所示。（a)為碳化光刻膠所得到的碳微陣列 掃描電鏡圖，從圖中可以看出得到的碳微陣列分布均勻整齊，單一碳柱推到後可觀察到碳 柱成規則圓柱型，表面光滑平整；(b)為沉積了 A100H薄層的碳微陣列掃描電鏡圖，可以看 到沉積A100H薄層的過程並沒有破壞碳微陣列的形貌，A100H薄層平整的沉積在碳微陣列 表面，用解剖針掀起一角可以清楚看到A100H薄層，證明A100H薄層沉積成功；（c)，（d)為 三維碳微陣列與水滑石複合材料的掃描電鏡圖，從圖中觀察到，沿著碳微陣列表面生長出 一層均勻密布的片狀水滑石，增加放大倍數可以看到捲曲的水滑石片層堅立在碳微陣列表 面，構成了一層密布的大孔水滑石薄膜。
[0040] 將上述製備的三維碳微陣列與水滑石複合材料作為工作電極，鉬絲為對電極，Ag/ AgCl電極為參比電極，組成電化學生物傳感器。將該電化學生物傳感器的三電極體系置於 0. lmol/L的NaOH溶液中，採用上海辰華儀器公司CHI660D型電化學工作站對其進行電化學 性能的表徵。將碳微陣列水滑石複合材料切成15*15mm的尺寸（a)，再於相同大小的娃片上 分別生長水滑石（b)以及固定碳微陣列（c)，三種電極分別對50mmol/L的葡萄糖進行催化， 電流-時間曲線如圖2所示。碳微陣列作為工作電極時，得到的電流-時間曲線為一條平 整的直線，底液中注入葡萄糖時電流沒有發生變化，說明碳微陣列對葡萄糖沒有電催化作 用。在光滑矽片表面直接生長水滑石作為工作電極，當底液中加入一定量的葡萄糖時，電流 值出現了一個小階梯的抬高，證明生長有水滑石的矽片對葡萄糖有一定的電催化效果。以 生長有水滑石的碳微陣列作為工作電極，加入相同劑量的葡萄糖時，電流有了大幅度明顯 的升高，說明本發明中的複合材料對底液中的葡萄糖有明顯的電催化作用。此外，電極尺寸 相同時，相比於單一的碳微陣列以及單一的水滑石，複合材料的電催化性能更優異。
[0041] 三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合電極對葡萄糖進行電催化的測試結果如圖3所 示，隨著底液中葡萄糖濃度的增大，電流-時間曲線階梯變化，電流變化值與葡萄糖濃度的 關係如圖4所示，從圖中可以看出，本發明的複合材料在低於30mmol/L濃度下，對葡萄糖催 化成線性。這說明三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合材料對葡萄糖具有催化能力。
[0042] 對製備的同一片複合材料，切分成5根電極，分別對50mmol/L的葡萄糖進行催 化，響應電流的相對標準偏差為1.73%，表明製備的複合材料具有良好的均勻性和一致 性；對同一批製備的5片複合材料，其催化50mmol/L的葡萄糖響應電流的相對標準偏差為 3. 48%，表明三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合電極具有良好的重現性，製備修飾電極過程 穩定可靠；當修飾電極放置於室溫中保存，儲存一個月後仍保持初始響應信號的97. 4%， 表明複合材料具有良好的儲存穩定性。
[0043] 實施例2 :
[0044] (1)將矽片依次置於丙酮、乙醇、二次水中分別超聲20分鐘後用丙酮淋洗，最後用 N2吹乾；在超淨間，以處理後的矽片為基底，旋塗上SU-82025光刻膠，在23°C、相對溼度為 50%的條件下自平整30分鐘後置於烘膠臺上進行前烘，先67°C烘乾13分鐘，再97°C烘乾 26分鐘，最後置於溫度為23°C、相對溼度為50%條件下冷卻30分鐘，得到光刻膠薄膜；採 用圓孔直徑為30 μ m，間距為80 μ m的掩膜圖形進行曝光，曝光劑量為270mJ/cm2,曝光後的 圖形立即中烘，於95°C烘膠臺烘乾20分鐘，然後置於23°C、相對溼度為50%條件下冷卻25 分鐘；最後浸泡於顯影液中40分鐘，溶解掉未發生交聯的光刻膠，即得到光刻膠微陣列；
[0045] (2)將得到的光刻膠微陣列置於管式爐中，N2保護條件下，以11°C /分鐘的升溫速 度，從室溫升至320°C煅燒40分鐘，再以相同升溫速度升至950°C，煅燒120分鐘後降至室 溫，得到三維碳微陣列；
[0046] (3)將得到的三維碳微陣列浸入到A100H膠體溶液中15分鐘後取出，常溫自然晾 幹，完成一層A100H的沉積；
[0047] (4)重複步驟（3)操作60次，在三維碳微陣列表面沉積A100H薄層；然後浸入到 反應底液中，密封，升溫到85°C，12小時後取出，依次用二次水和乙醇淋洗，室溫乾燥，即得 三維碳微陣列與水滑石複合材料。
[0048] 所述的A100H膠體溶液的製備方法同實施例1。
[0049] 所述的反應底液的配製方法為：按照Co (Ν03) 2 · 6H20與ΝΗ4Ν03摩爾比為1/6的比 例將Co (N03)2 · 6H20和NH4N03溶於去離子水中，ΝΗ4Ν0 3的濃度為2mol/L ;最後用lmol/L的 氨水調節pH至6. 0,即得反應底液。
[0050] 上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料是由水滑石薄層生長在三維碳 微陣列表面構成的；所述的三維碳微陣列由碳微柱子組成，碳微柱子的高度是50 μ m，直徑 是30 μ m，間距是80 μ m ;所述的水滑石薄層由垂直生長於三維碳微陣列表面的水滑石片組 成，水滑石薄層的厚度是〇. 42 μ m ;水滑石片的厚度是26-31nm，徑向尺寸是100-220nm。所 述的水滑石片的化學組成為β =0.29。
[0051] 將上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料作為工作電極，鉬絲為對電 極，Ag/AgCl電極為參比電極，組成電化學生物傳感器，於0. lmol/L的NaOH溶液中對葡萄 糖進行定量檢測。如圖3所示，隨著底液中葡萄糖濃度的增大，電流-時間曲線階梯變化。 電流變化值與葡萄糖濃度的關係如圖4所示，從圖中可以看出，本發明的複合材料在低於 20mmol/L濃度下，對葡萄糖催化成線性。這說明三維碳微陣列與水滑石複合材料對葡萄糖 具有催化能力。對製備的同一片複合材料，切分成5根電極，分別對50mmol/L的葡萄糖進行 催化，響應電流的相對標準偏差為1.86%，表明製備的複合材料具有良好的均勻性和一致 性；對同一批製備的5片複合材料，其催化50mmol/L的葡萄糖響應電流的相對標準偏差為 3. 74%，表明三維碳微陣列與水滑石複合材料電極具有良好的重現性，製備修飾電極過程 穩定可靠；當修飾電極放置於室溫中保存，儲存一個月後仍保持初始響應信號的97. 6%， 表明複合材料具有良好的儲存穩定性。
[0052] 實施例3 :
[0053] (1)將矽片依次置於丙酮、乙醇、二次水中分別超聲15分鐘後用丙酮淋洗，最後用 N2吹乾；在超淨間，以處理後的矽片為基底，旋塗上SU-82100光刻膠，在23°C、相對溼度為 50 %的條件下自平整40分鐘後置於烘膠臺上進行前烘，先63°C烘乾20分鐘，再94°C烘乾 40分鐘，最後置於溫度為23°C、相對溼度為50%條件下冷卻60分鐘，得到光刻膠薄膜；採 用圓孔直徑為50 μ m，間距為50 μ m的掩膜圖形進行曝光，曝光劑量為540mJ/cm2,曝光後的 圖形立即中烘，於94°C烘膠臺烘乾40分鐘，然後置於23°C、相對溼度為50%條件下冷卻30 分鐘；最後浸泡於顯影液中40分鐘，溶解掉未發生交聯的光刻膠，即得到光刻膠微陣列；
[0054] (2)將得到的光刻膠微陣列置於管式爐中，N2保護條件下，以10°C /分鐘的升溫速 度，從室溫升至300°C煅燒40分鐘，再以相同升溫速度升至1000°C，煅燒120分鐘後降至室 溫，得到三維碳微陣列；
[0055] (3)將得到的三維碳微陣列浸入到A100H膠體溶液中15分鐘後取出，常溫自然晾 幹，完成一層A100H的沉積；
[0056] (4)重複步驟（3)操作60次，在三維碳微陣列表面沉積A100H薄層；然後浸入到 反應底液中，密封，升溫到85°C，14小時後取出，依次用二次水和乙醇淋洗，室溫乾燥，即得 三維碳微陣列與水滑石複合材料。
[0057] 所述的A100H膠體溶液的製備方法為：按照異丙醇鋁與去離子水質量比為1/9的 比例將異丙醇鋁溶於去離子水中，80°C下攪拌30分鐘；使用lmol/L的ΗΝ0 3水溶液調節pH 至3. 7,80°C下攪拌3小時，然後在50°C下乾燥得到固體A100H，研磨成粉狀；按照A100H與 去離子水質量比為1/17的比例溶解，於85°C下攪拌100分鐘，然後逐滴加入lmol/L的ΗΝ0 3 水溶液，調節pH至2,即得乳白色半透明的A100H膠體溶液。
[0058] 所述的反應底液的配製方法為：按照Ni (Ν03) 2 · 6H20與ΝΗ4Ν03摩爾比為1/7的比 例將Ni (Ν03)2 · 6H20和ΝΗ4Ν03溶於去離子水中，ΝΗ4Ν0 3的濃度為2. 3mol/L ;最後用lmol/L 的氨水調節pH至5. 9,即得反應底液。
[0059] 上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料是由水滑石薄層生長在三維碳 微陣列表面構成的；所述的三維碳微陣列由碳微柱子組成，碳微柱子的高度是1〇〇 μ m，直 徑是50 μ m，間距是50 μ m ;所述的水滑石薄層由垂直生長於三維碳微陣列表面的水滑石片 組成，水滑石薄層的厚度是〇· 51 μ m ;水滑石片的厚度是25-40nm，徑向尺寸是110-250nm。 所述的水滑石片的化學組成為β =0.31。
[0060] 將上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料作為工作電極，鉬絲為對電 極，Ag/AgCl電極為參比電極，組成電化學生物傳感器，於0. lmol/L的NaOH溶液中對葡萄 糖進行定量檢測。如圖3所示，隨著底液中葡萄糖濃度的增大，電流-時間曲線階梯變化。 電流變化值與葡萄糖濃度的關係如圖4所示，從圖中可以看出，本發明的複合材料在低於 26mmol/L濃度下，對葡萄糖催化成線性。這說明三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合材料對 葡萄糖具有催化能力。對製備的同一片複合材料，切分成5根電極，分別對50mmol/L的葡 萄糖進行催化，響應電流的相對標準偏差為2. 03%，表明製備的複合材料具有良好的均勻 性和一致性；對同一批製備的5片複合材料，其催化50mmol/L的葡萄糖響應電流的相對標 準偏差為4. 19%，表明三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合電極具有良好的重現性，製備修飾 電極過程穩定可靠；當修飾電極放置於室溫中保存，儲存一個月後仍保持初始響應信號的 96. 8%，表明複合材料具有良好的儲存穩定性。
[0061] 實施例4:
[0062] (1)將矽片依次置於丙酮、乙醇、二次水中分別超聲20分鐘後用丙酮淋洗，最後用 N2吹乾；在超淨間，以處理後的矽片為基底，旋塗上SU-82050光刻膠，在23°C、相對溼度為 50%的條件下自平整30分鐘後置於烘膠臺上進行前烘，先65°C烘乾15分鐘，再95°C烘乾 30分鐘，最後置於溫度為23°C、相對溼度為50%條件下冷卻40分鐘，得到光刻膠薄膜；採 用圓孔直徑為40 μ m，間距為80 μ m的掩膜圖形進行曝光，曝光劑量為360mJ/cm2,曝光後的 圖形立即中烘，於95°C烘膠臺烘乾25分鐘，然後置於23°C、相對溼度為50%條件下冷卻20 分鐘；最後浸泡於顯影液中30分鐘，溶解掉未發生交聯的光刻膠，即得到光刻膠微陣列；
[0063] (2)將得到的光刻膠微陣列置於管式爐中，N2保護條件下，以10°C /分鐘的升溫速 度，從室溫升至300°C煅燒40分鐘，再以相同升溫速度升至900°C，煅燒120分鐘後降至室 溫，得到三維碳微陣列；
[0064] (3)將得到的三維碳微陣列浸入到A100H膠體溶液中20分鐘後取出，常溫自然晾 幹，完成一層A100H的沉積；
[0065] (4)重複步驟（3)操作65次，在三維碳微陣列表面沉積A100H薄層；然後浸入到 反應底液中，密封，升溫到85°C，16小時後取出，依次用二次水和乙醇淋洗，室溫乾燥，即得 三維碳微陣列與水滑石複合材料。
[0066] 所述的A100H膠體溶液的製備方法為：按照異丙醇鋁與去離子水質量比為1/11的 比例將異丙醇鋁溶於去離子水中，75°C下攪拌45分鐘；使用lmol/L的ΗΝ03水溶液調節pH 至3. 1，75°C下攪拌4小時，然後在45°C下乾燥得到固體A100H，研磨成粉狀；按照A100H與 去離子水質量比為1/19的比例溶解，於85°C下攪拌120分鐘，然後逐滴加入lmol/L的HN03 水溶液，調節pH至2. 9,即得乳白色半透明的A100H膠體溶液。
[0067] 所述的反應底液的配製方法為：按照Ni (Ν03) 2 · 6H20與ΝΗ4Ν03摩爾比為1/5的比 例將Ni (Ν03)2 · 6H20和ΝΗ4Ν03溶於去離子水中，ΝΗ4Ν0 3的濃度為1. 6mol/L ;最後用lmol/L 的氨水調節pH至5. 9,即得反應底液。
[0068] 上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料是由水滑石薄層生長在三維碳 微陣列表面構成的；所述的三維碳微陣列由碳微柱子組成，碳微柱子的高度是75 μ m，直徑 是40 μ m，間距是80 μ m ;所述的水滑石薄層由垂直生長於三維碳微陣列表面的水滑石片組 成，水滑石薄層的厚度是0. 5 μ m ;水滑石片的厚度是30-40nm，徑向尺寸是120-300nm。所 述的水滑石片的化學組成為β =0.3。
[0069] 將上述製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料作為工作電極，鉬絲為對電 極，Ag/AgCl電極為參比電極，組成電化學生物傳感器，於0. lmol/L的NaOH溶液中對葡萄 糖進行定量檢測。如圖3所示，隨著底液中葡萄糖濃度的增大，電流-時間曲線階梯變化。 電流變化值與葡萄糖濃度的關係如圖4所示，從圖中可以看出，本發明的複合材料在低於 24mmol/L濃度下，對葡萄糖催化成線性。這說明三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合材料對 葡萄糖具有催化能力。對製備的同一片複合材料，切分成5根電極，分別對50mmol/L的葡 萄糖進行催化，響應電流的相對標準偏差為1. 29%，表明製備的複合材料具有良好的均勻 性和一致性；對同一批製備的5片複合材料，其催化50mmol/L的葡萄糖響應電流的相對標 準偏差為3. 72%，表明三維碳微陣列與鎳鋁水滑石複合電極具有良好的重現性，製備修飾 電極過程穩定可靠；當修飾電極放置於室溫中保存，儲存一個月後仍保持初始響應信號的 96. 5%，表明複合材料具有良好的儲存穩定性。
【權利要求】
1. 一種三維碳微陣列與水滑石複合材料，其特徵在於，該材料是由水滑石薄層生長在 三維碳微陣列表面構成的；所述的三維碳微陣列由碳微柱子組成，碳微柱子的高度範圍是 35-120 μ m，直徑範圍是20-60 μ m，間距範圍是20-120 μ m ;所述的水滑石薄層由垂直生長 於三維碳微陣列表面的水滑石片組成，水滑石薄層的厚度範圍是0. 2-0. 9 μ m ;水滑石片的 厚度範圍是5-40nm，徑向尺寸範圍是10-400nm。
2. 根據權利要求1所述的三維碳微陣列與水滑石複合材料，其特徵在於，所述的水 滑石片的化學組成為[M&gAl3% (OH)2]e+ ;M2+代表二價金屬陽離子Ni2+或Co2+，較佳的為 Ni'1-β和β分別為二價金屬陽離子、Al3+的物質的量分數，且0.2彡β彡0.4;β +為 水滑石片所帶正電荷量。
3. 根據權利要求1所述的三維碳微陣列與水滑石複合材料的製備方法，其特徵在於， 其具體操作步驟為： (1) 在超淨間，以處理後的矽片為基底，旋塗上光刻膠，勻膠厚度為35-120μπι，在 21-24°C、相對溼度為49-51 %的條件下自平整30-60分鐘後置於烘膠臺上進行前烘，先 60-70°C烘乾10-20分鐘，再90-KKTC烘乾20-40分鐘，最後置於溫度為21-24°C、相對溼 度為49-51 %條件下冷卻30-90分鐘，得到光刻膠薄膜；採用圓孔直徑為20-60 μ m，間距為 20-120 μ m的掩膜圖形進行曝光，曝光劑量為260-540mJ/cm2,曝光後的圖形立即中烘，於 90-100°C烘膠臺烘乾20-50分鐘，然後置於21-24°C、相對溼度為49-51 %條件下冷卻20-30 分鐘；最後浸泡於顯影液中30-40分鐘，溶解掉未發生交聯的光刻膠，即得到光刻膠微陣 列； (2) 將得到的光刻膠微陣列置於管式爐中，N2保護條件下，以8-12°C /分鐘的升溫 速度，從室溫升至250-350°C煅燒30-50分鐘，再以相同升溫速度升至900-1000°C，煅燒 100-140分鐘後降至室溫，得到三維碳微陣列； (3) 將得到的三維碳微陣列浸入到A100H膠體溶液中15-20分鐘後取出，常溫自然晾 幹，完成一層A100H的沉積； (4) 重複步驟（3)操作60-70次，在三維碳微陣列表面沉積不同厚度的A100H薄層； 然後浸入到反應底液中，密封，升溫到85-95°C，12-16小時後取出，依次用二次水和乙醇淋 洗，室溫乾燥，即得三維碳微陣列與水滑石複合材料。
4. 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於，步驟（1)中所述的光刻膠選自 SU-82025、SU-82050、SU-82075、SU-82100 光刻膠中的一種。
5. 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於，步驟（1)所述的矽片處理方法為：將 矽片依次置於丙酮、乙醇、二次水中分別超聲5-20分鐘後用丙酮淋洗，最後用N 2吹乾。
6. 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於，所述的A100H膠體溶液的製備方 法為：按照異丙醇鋁與去離子水質量比為1/9-1/12的比例將異丙醇鋁溶於去離子水中， 70-90°C下攪拌15-45分鐘；使用l-3mo 1/L的ΗΝ03水溶液調節pH至3-4，70-90°C下攪拌1-4 小時，然後在45-60°C下乾燥得到固體A100H，研磨成粉狀；按照A100H與去離子水質量比為 1/17-1/20的比例溶解，於80-90°C下攪拌30-120分鐘，然後逐滴加入l-3mol/L的ΗΝ0 3水 溶液，調節pH至1-4,即得乳白色半透明的A100H膠體溶液。
7. 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於，所述的反應底液的配製方法為：按照 二價金屬陽離子與ΝΗ4Ν0 3摩爾比為1/5-1/8的比例將可溶二價金屬鹽和ΝΗ4Ν03溶於去離子 水中，NH4N03的濃度為l-3mol/L ;最後用l-3mol/L的氨水調節pH至5-7,即得反應底液。
8. 根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，所述的二價金屬陽離子選自Ni2+或 Co2+。
9. 根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，所述的可溶二價金屬鹽選自硝酸鎳 或硝酸鈷。
10. 根據權利要求3-9任一所述的方法製備得到的三維碳微陣列與水滑石複合材料作 為無酶傳感器的應用。
【文檔編號】G01N27/327GK104155353SQ201410372951
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】海波, 鄒應全, 楊遇春, 晏凱 申請人:深圳市容大感光科技股份有限公司, 北京師範大學