直立石墨烯葡萄糖酶工作电极、制备方法及生物传感器技术

本发明专利技术涉及纳米材料制备和应用技术领域，具体涉及直立石墨烯葡萄糖酶工作电极、制备方法及生物传感器，直立石墨烯葡萄糖酶工作电极包括直立型少层石墨烯薄膜、包覆于直立型少层石墨烯薄膜表面的葡萄糖氧化酶层和包覆于葡萄糖氧化酶层表面的多孔亲水保护功能膜，所述直立型少层石墨烯薄膜上连接有非六环大pi键合的碳原子点缺陷团簇和铂金纳米颗粒。可用于葡萄糖的连续无痛检测，其具有极高的检测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
直立石墨烯葡萄糖酶工作电极、制备方法及生物传感器
本专利技术涉及纳米材料制备和应用
，具体涉及直立石墨烯葡萄糖酶工作电极、制备方法及生物传感器。
技术介绍
糖尿病是由于胰腺分泌胰岛素不足或不能有效利用胰岛素而引起的疾病，葡萄糖的浓度是诊断和治疗糖尿病的重要指标之一，因此血糖监测装置是糖尿病治疗中常用的医疗设备。连续血糖监控器材是目前工业界研发的热点。目前的血糖监测装置主要是利用丝网印刷厚膜电极测试条进行指尖血检测，给病患带来不便和痛苦，而且诊断不及时。虽然已经有国际先进企业开发了针式葡萄糖生物传感器的电极，但是现有的葡萄糖生物传感器电极的微型化，连续监控稳定性和灵敏度还有待提高。现在扎入体内的针不能长期使用，而且给病患带来痛苦。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的第一目的在于提供一种直立石墨烯葡萄糖酶工作电极，可用于葡萄糖的连续无痛检测，其具有极高的检测灵敏度。本专利技术的第二目的在于提供上述直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，该制备方法操作简单，制得的直立石墨烯葡萄糖酶工作电极可用于葡萄糖的连续无痛检测，其具有极高的检测灵敏度。本专利技术的第三目的在于提供一种生物生物传感器，相比现有的葡萄糖生物传感器的电催化活性和检测灵敏度更高。本专利技术的第一目的是通过以下技术方案实现的：直立石墨烯葡萄糖酶工作电极，其包括直立型少层石墨烯薄膜、包覆于直立型少层石墨烯薄膜表面的葡萄糖氧化酶层和包覆于葡萄糖氧化酶层表面的多孔亲水保护功能膜，所述直立型少层石墨烯薄膜上连接有非六环大pi键合的碳原子点缺陷团簇和铂金纳米颗粒。本专利技术的第二目的是通过以下技术方案实现的：直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，其包括以下步骤：步骤一、采用等离子体增强化学气相沉积法在导电基材表面生长直立型少层石墨烯薄膜；步骤二、采用等离子体法在直立型少层石墨烯薄膜表面形成非六环大π键合的碳原子点缺陷团簇；步骤三、采用磁控管等离子体溅射源物理气相沉积法在经步骤二处理后的直立型少层石墨烯薄膜表面沉积铂金(Pt)纳米颗粒；步骤四、配制葡萄糖氧化酶混合溶液，将葡萄糖氧化酶混合溶液滴至步骤三处理后的直立型少层石墨烯薄膜表面，使葡萄糖氧化酶固定，并包覆于直立型少层石墨烯薄膜表面，室温静置两小时，然后对处理后的直立型少层石墨烯进行晾干。其中，所述导电基材为碳纸、碳布、石墨纸、陶瓷、硅片、石英、镍箔、铂箔、金箔中的至少一种。其中，所述缺陷团簇包括羟基、羧基、氨基基团中的至少一种。其中，所述步骤一包括如下操作：S11、对等离子体增强化学气相沉积设备的工艺腔室抽真空至工艺腔室内的真空度为0.1-10Pa；S12、将导电基材放至等离子体增强化学气相沉积设备中，然后调整所述工艺腔室内的真空度为5-30Pa；S13、向所述工艺腔室内通入有机气体和保护气体，并调整等离子体增强化学气相沉积设备的工艺气体流量为20-40sccm，工艺温度为500-1000℃，升温速率为1-100℃/min，功率为800-1400W，反应5-120min后，降温至200-400℃，取出直立型少层石墨烯薄膜。其中，步骤S13中，所述有机气体为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔中的至少一种；所述保护气体为氢气、氩气中的至少一种。其中，步骤一制得的直立型少层石墨烯薄膜包括设于导电基材表面的平面石墨烯层和设于平面石墨烯层上的直立石墨烯层，所述平面石墨烯层的厚度为2-30nm，所述直立石墨烯层的高度为10nm-10μm，制得的直立型少层石墨烯存在着多刃边缘效应。本专利技术的有机气体在等离子体作用下，低压高温环境中其碳氢键断裂，形成游离的碳原子，碳原子吸附在导电基材表面形成晶核，随着碳原子增多再形成网络交织组织、基础面，并在局域电场的作用下，生长成直立型少层石墨烯薄膜。其中，所述步骤二包括如下操作：S21、对等离子体设备的工艺腔室抽真空至工艺腔室内的真空度为200Pa以下；S22、将步骤一制得的直立型少层石墨烯薄膜放至等离子体设备中，然后调整所述工艺腔室内的真空度为80-120Pa；S23、向所述工艺腔室内通入氧气、氮气和水蒸气的混合气体，或氨气，或氧气、氮气、氨气和水蒸气组成的混合气体，并调整等离子体设备的工艺气体流量为20-40sccm，工艺温度为20-30℃，功率为800-1200W，反应5-10s后，取出直立型少层石墨烯薄膜。其中，所述步骤三包括如下操作：S31、对磁控管等离子体溅射源物理气相沉积设备的工艺腔室抽真空至工艺腔室内的真空度为10-5-10-2Pa；S32、将步骤二处理后的直立型少层石墨烯薄膜放至磁控管等离子体溅射源物理气相沉积设备中，并在磁控管等离子体溅射源物理气相沉积设备中安装铂金靶材；S33、向所述工艺腔室内通入惰性气体，调整所述工艺腔室内的真空度为0.1-2Pa，工艺温度为20-50℃，溅射电源功率为50-300W，反应5-100s后，取出直立型少层石墨烯薄膜。步骤二中通过控制工艺腔室内的真空度、射频功率，使设备内部气体产生辉光放电，使氧气、氮气和水蒸气等混合气体或氨气分解、化合、激发和电离，通过等离子体的离子轰击和大pi碳原子原位化学合成形成各种非六环大pi键合的碳原子点缺陷团簇，包含但不限于，类氧化石墨烯材料中出现的活性位点：羟基、羧基和氨基基团等。有利于提高直立型少层石墨烯薄膜与葡萄糖氧化酶的交联效果，提高直立石墨烯材料或者采用本专利技术的直立石墨烯材料制成的生物传感器对葡萄糖的检查灵敏度和电催化活性，有利于避免检测时葡萄糖氧化酶与直立型少层石墨烯薄膜发生脱离。其中，所述步骤三包括如下操作：S31、对磁控管等离子体溅射源物理气相沉积设备的工艺腔室抽真空至工艺腔室内的真空度为10-5-10-2Pa；S32、将步骤二处理后的直立型少层石墨烯薄膜放至磁控管等离子体溅射源物理气相沉积设备中，并在磁控管等离子体溅射源物理气相沉积设备中安装铂金靶材；S33、向所述工艺腔室内通入惰性气体，调整所述工艺腔室内的真空度为0.1-2Pa，工艺温度为20-50℃，溅射电源功率为50-300W，反应5-100s后，取出直立型少层石墨烯薄膜。其中，步骤S33中，所述惰性气体为氩气。其中，步骤三中，所述Pt纳米颗粒的粒径为2-100nm。其中，所述步骤四中配制葡萄糖氧化酶混合溶液包括以下操作：S41、将磷酸盐缓冲溶液与葡萄糖氧化酶混合并使葡萄糖氧化酶完全溶解后得酶溶液，向酶溶液中添加曲拉通，并搅拌均匀使曲拉通与酶溶液充分混合，得混合液A；S42、取磷酸盐缓冲溶液与牛血清白蛋白混合均匀，得混合液B；S43、取磷酸盐缓冲溶液对质量浓度为50％的戊二醛溶液稀释至质量浓度为0.5-2％的戊二醛溶液，得混合液C；S44、将混合液A、混合液B、混合液C混合均匀，然后冷却静置，得葡萄糖氧化酶混合溶液。其中，步骤S41、步骤S42、步骤S43中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.直立石墨烯葡萄糖酶工作电极，其特征在于：包括直立型少层石墨烯薄膜、包覆于直立型少层石墨烯薄膜表面的葡萄糖氧化酶层和包覆于葡萄糖氧化酶层表面的多孔亲水保护功能膜，所述直立型少层石墨烯薄膜上连接有非六环大pi键合的碳原子点缺陷团簇和铂金纳米颗粒。/n

【技术特征摘要】
1.直立石墨烯葡萄糖酶工作电极，其特征在于：包括直立型少层石墨烯薄膜、包覆于直立型少层石墨烯薄膜表面的葡萄糖氧化酶层和包覆于葡萄糖氧化酶层表面的多孔亲水保护功能膜，所述直立型少层石墨烯薄膜上连接有非六环大pi键合的碳原子点缺陷团簇和铂金纳米颗粒。


2.直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、采用等离子体增强化学气相沉积法在导电基材表面生长直立型少层石墨烯薄膜；
步骤二、采用等离子体法在直立型少层石墨烯薄膜表面形成非六环大pi键合的碳原子点缺陷团簇；
步骤三、采用磁控管等离子体溅射源物理气相沉积法在经步骤二处理后的直立型少层石墨烯薄膜表面沉积铂金纳米颗粒；
步骤四、配制葡萄糖氧化酶混合溶液，将葡萄糖氧化酶混合溶液滴至步骤三处理后的直立型少层石墨烯薄膜表面，使葡萄糖氧化酶固定，并包覆于直立型少层石墨烯薄膜表面，然后对处理后的直立型少层石墨烯进行晾干。


3.根据权利要求2所述的直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，其特征在于：所述导电基材为碳纸、碳布、石墨纸、陶瓷、硅片、石英、镍箔、铂箔、金箔中的至少一种。


4.根据权利要求2所述的直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，其特征在于：所述缺陷团簇包括羟基、羧基、氨基基团中的至少一种。


5.根据权利要求2所述的直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，其特征在于：所述步骤一包括如下操作：
S11、对等离子体增强化学气相沉积设备的工艺腔室抽真空至工艺腔室内的真空度为0.1-10Pa；
S12、将导电基材放至等离子体增强化学气相沉积设备中，然后调整所述工艺腔室内的真空度为5-30Pa；
S13、向所述工艺腔室内通入有机气体和保护气体，并调整等离子体增强化学气相沉积设备的工艺气体流量为20-40sccm，工艺温度为500-1000℃，升温速率为1-100℃/min，功率为800-1400W，反应5-120min后，降温至200-400℃，取出直立型少层石墨烯薄膜。


6.根据权利要求2所述的直立石墨烯葡萄糖酶工作电极的制备方法，其特征在于：所述步骤二包括如下操作：
S21、对等离子体设备的工艺腔室抽真空至工艺腔室内的真空度为200Pa以下；
S22、将步骤一制得的直立型少层石墨烯薄膜放至等离子体设备中，然后调整所述工艺腔室内的真空度为80-120Pa；
S23、向所述工艺腔室内通入氧气、氮气和水蒸气的混合气体，或氨气，或氧气、氮气、氨气和水蒸气组成的混合气体，并调整等离子体设备的工艺气体流量为20-40sccm，工艺温度为20-30℃，功率为800-1200W，反应5-10s后，取出直立型少层石墨烯薄膜。

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【专利技术属性】
技术研发人员：石柳婷，赵鑫，钟西舟，陈旺寿，
申请(专利权)人：深圳市溢鑫科技研发有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44