一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极制造技术

本实用新型专利技术属光电传感领域，公开了一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极，包括导电基底、导电基底上设置的n型二氧化钛层、n型二氧化钛层内设置的顶层纳米孔阵列、底层纳米孔阵列、以及顶层纳米孔阵列、底层纳米孔阵列的端面及内壁包覆的氧化物半导体纳米颗粒层；所述的氧化物半导体纳米颗粒层与n型二氧化钛层形成能带结构为II型的异质结，所述的n型二氧化钛层与导电基底之间为欧姆接触。本方案采用的n型二氧化钛层具有超大的比表面积，引入的氧化物半导体纳米颗粒层同时包覆于n型二氧化钛层所包含的顶层、底层纳米孔阵列的端面和内壁，使得自驱动无酶葡萄糖光电传感电极具有优异的光吸收能力和高密度的活性位点。光吸收能力和高密度的活性位点。光吸收能力和高密度的活性位点。

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极


[0001]本专利技术属于光电传感领域，涉及一种自驱动葡萄糖光电传感电极。

技术介绍

[0002]血糖含量是衡量人体新陈代谢能力和糖尿病临床诊断的重要指标，血液中的葡萄糖是人类健康管理、制药、食品等领域中的重要检测对象。目前，葡萄糖传感向着实时、高灵敏度、低检测限的方向发展。
[0003]根据是否使用酶修饰，葡萄糖传感器可分为：酶促传感器及非酶促传感器，其中非酶促传感器主要包括光学传感器、电化学传感器、光电(或光电化学)传感器。酶促传感器基于葡萄糖氧化酶的特异性识别功能，能够对葡萄糖进行选择性检测。但这种传感器存在明显缺点，如：葡萄糖酶容易受环境影响，酶修饰过程复杂、成本高。光学传感器基于光谱信息的变化而反演待测物质，具有较高的灵敏度，但其选择性性能差(如：Zhang等，Sensors&Actuators:B.Chemical,2020,304,127304)。相比之下，基于金属或金属氧化物纳米结构修饰电极的非酶促电化学传感器受测试环境影响小，同时具有良好的稳定性与选择性。但由于激励信号与检测信号均为电信号，且涉及到的金属或金属氧化物的制备工艺复杂，导致电化学传感器的背景噪声大、检测下限偏高，不利于传感器的集成化与小型化应用(如：M.A.Kachouei等，Sensors&Actuators:B.Chemical,2021,344,130254)。光电(或光电化学)传感器作为一种新型传感器，采用光信号为激励源，电信号为检测源，从而使得器件具有低背景噪声的优点。然而，目前所公开用于葡萄糖检测的光电(或光电化学)传感器，大多需要外加偏压，灵敏度偏低，最低检测限偏高(如：N.J.Cory等，Applied Surface Science,2022,576,151822)，无法满足日益苛刻的市场要求。

技术实现思路

[0004]本技术为解决现有葡萄糖传感技术中需要酶修饰、外加工作电压、背景噪声大、传感器灵敏度较低、最低检测限较高的问题。采用的技术方案如下：
[0005]一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极，包括：导电基底，以及在导电基底上表面设置的n型二氧化钛层，导电基底下表面设置的绝缘防水保护层；所述的n型二氧化钛层内设有顶层纳米孔阵列，所述的顶层纳米孔阵列中的每个纳米孔底部向着所述导电基底方向还设有若干小孔；所有的小孔组成底层纳米孔阵列；所述的顶层纳米孔阵列、底层纳米孔阵列的端面及内壁包覆有氧化物半导体纳米颗粒层；所述的氧化物半导体纳米颗粒层与n型二氧化钛层形成能带结构为II型的异质结，所述的n型二氧化钛层与导电基底之间为欧姆接触。
[0006]所述的自驱动无酶葡萄糖光电传感电极中的导电基底上设置引线端，引线端依次连接电流计、对电极。在使用时，将自驱动无酶葡萄糖光电传感电极及对电极置于透光传感池中；透光传感池中填充含有葡萄糖的背景液；当激发光照至自驱动无酶葡萄糖光电传感电极表面时，异质结中的光生空穴分离而输运至所述氧化物半导体纳米颗粒层的表面，在
氧化物半导体纳米颗粒层的表面电荷选择性地与葡萄糖分子发生氧化反应，而异质结中的光生电子通过导电基底流至对电极发生对应的还原反应，从而在自驱动无酶葡萄糖光电传感电极与对电极之间形成光电流响应；所述的电流计可监测电流大小，显示的光电流值呈现出与待测葡萄糖浓度成正相关的特性，从而实现葡萄糖检测。
[0007]优选地，所述氧化物半导体纳米颗粒的材质包括：氧化铜(CuO
x
)、氧化镍(NiO
x
)、氧化钴(CoO
x
)、氧化铁(FeO
x
)、氧化锰(MnO
x
)、氧化铈(CeO
x
)中的任意一种或多种的混合。
[0008]优选地，所述氧化物半导体纳米颗粒层中的纳米颗粒直径为1～20nm，纳米颗粒呈现为密集但未成连续薄膜的空间分布。
[0009]优选地，所述n型二氧化钛层中，所述小孔直径为40～100nm，小孔深度为1～5μm，顶层纳米孔阵列中的每个纳米孔直径为100～300nm，每个纳米孔深度为50～1000nm。
[0010]优选地，所述导电基底为50～1000μm厚的金属钛片。
[0011]优选地，所述n型二氧化钛层通过对导电基底进行阳极氧化处理而制得。
[0012]优选地，对电极为铂电极。
[0013]优选地，激发光源为太阳光、模拟太阳光和紫外光中的任一种。
[0014]优选地，所述葡萄糖传感器的葡萄糖传感浓度范围为0～200μM。
[0015]本申请的自驱动无酶葡萄糖光电传感电极还具有结构简单易于制备的特点，在制备时包括以下步骤：
[0016]1)将导电基底置于去离子水与氢氟酸的混合液中进行化学抛光，之后再进行化学清洗；
[0017]2)利用电化学阳极氧化工艺，在导电基底上表面制备n型二氧化钛层，控制电化学阳极氧化的电压与时间在n型二氧化钛层上表面引入顶层纳米孔阵列；调整电化学阳极氧化的电压与时间，在所述的顶层纳米孔阵列中的每个纳米孔底部向着所述导电基底方向引入若干小孔；所有的小孔组成底层纳米孔阵列，顶层纳米孔阵列的纳米孔直径被调控为大于小孔直径；
[0018]3)将步骤2)所得包含有顶层纳米孔阵列、底层纳米孔阵列的n型二氧化钛层在空气氛围中进行热处理；
[0019]4)再以步骤3)得到的n型二氧化钛层为基底，通过溅射或蒸镀工艺在顶层纳米孔阵列、底层纳米孔阵列的端面及内壁包覆一层金属纳米颗粒层；
[0020]5)在空气氛围中进行热处理，使步骤4)所沉积的金属纳米颗粒转变为氧化物半导体纳米颗粒层；
[0021]6)在导电基底背面引出导线；并用绝缘防水材料密封导电基底背面，在导电基底下表面形成绝缘防水保护层。
[0022]优选的沉积金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒呈离散非连续分布。
[0023]在本技术方案中，氧化物半导体纳米颗粒层与n型二氧化钛层吸收入射光产生光生电子空穴对，所产生的光生电子空穴对能够在异质结所形成的内建电场下分离，光生空穴传输至氧化物半导体纳米颗粒表面，选择性地与葡萄糖分子发生氧化反应，光生电子通过自驱动无酶葡萄糖光电传感电极的导电基底传输至对电极发生对应的还原反应。当葡萄糖浓度越高，自驱动无酶葡萄糖光电传感电极表面的氧化反应越激烈，形成的光电流越大。伴随着光生空穴的产生与转移，氧化物半导体纳米颗粒中的金属元素价态会升高，而
价态升高的金属离子又被葡萄糖分子还原。这种金属价态升高与降低的循环过程使得自驱动无酶葡萄糖光电传感电极对葡萄糖分子具有识别特性。由于n型二氧化钛层中设有顶层、底层纳米孔阵列而具有大的比表面积，后续引入的氧化物半导体纳米颗粒层包覆于顶层、底层纳米孔阵列的端面和内壁，使得自驱动无酶葡萄糖光电传感电极具有优异的光减反性能和高密度的活性位点。此外，由于氧化物半导体纳米颗粒层和n型二氧化钛层均能对入射光产生有效吸收，且所形成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极，其特征在于包括：导电基底，以及在导电基底上表面设置的n型二氧化钛层，导电基底下表面设置的绝缘防水保护层；所述的n型二氧化钛层内设有顶层纳米孔阵列，所述的顶层纳米孔阵列中的每个纳米孔底部向着所述导电基底方向还设有若干小孔；所有的小孔组成底层纳米孔阵列；所述的顶层纳米孔阵列、底层纳米孔阵列的端面及内壁包覆有氧化物半导体纳米颗粒层；所述的氧化物半导体纳米颗粒层与n型二氧化钛层形成能带结构为II型的异质结，所述的n型二氧化钛层与导电基底之间为欧姆接触。2.根据权利要求1所述的一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极，其特征在于：所述氧化物半导体纳米颗粒层的材质包括：氧化铜、氧化镍、氧化钴、氧化铁、氧化锰、氧化铈中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种自驱动无酶葡萄糖光电传感电极，其特征在于：所述氧化物半导体纳米颗粒层中的纳米颗粒直径为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯盛郴，秦琳玲，吴绍龙，张若溪，朱伟建，李孝峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：