CN110220953A

CN110220953A - 过氧化氢电化学传感器电极、制备方法及传感器

Info

Publication number: CN110220953A
Application number: CN201910543353.9A
Authority: CN
Inventors: 鲁思渊; 黄金磊; 冯雪
Original assignee: Tsinghua University; Ningbo University
Current assignee: Tsinghua University; Ningbo University
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2019-09-10

Abstract

本发明涉及一种过氧化氢电化学传感器电极、制备方法及传感器，所述传感器包括过氧化氢传感器电极，所述过氧化氢传感器电极包括基底，基底之上的金膜，以及形成于所述金膜之上的修饰层，其中，所述金膜为多孔结构，其平均孔径为20～50nm；所述修饰层包括普鲁士蓝，所述过氧化氢传感器检测过氧化氢的检测极限为0.25μM以下，至少在1～10000μM的范围内具有线性响应。

Description

过氧化氢电化学传感器电极、制备方法及传感器

技术领域

本发明属于纳米生物材料及电化学生物传感器领域，具体涉及一种基于纳米多孔金膜的过氧化氢传感器电极及基于其的过氧化氢传感器、以及它们的制备。

背景技术

过氧化氢不仅是自然生态体系中普遍存在的最重要的成分之一，而且是许多工业过程的中间物质，更是很多生物体内的各种酶发生反应的副产物。

许多生物及化学反应过程都有过氧化氢(H₂O₂)的参与或产生。尤其在生物体内，很多氧化物酶的反应副产物都包含有H₂O₂。对于生物体内很多激素和代谢产物，如血糖、乳酸、胆固醇、酒精等的定量检测模式通常是基于酶催化底物与H₂O₂的氧化还原反应产生光、电信号，继而对这些信号进行检测而完成。因此，在食品处理，纺织品工业，纸张漂白，制药，临床医学以及消毒剂制造等领域，对于过氧化氢的准确、定量检测具有十分重要的应用价值。

现阶段对于H₂O₂的分析方法主要有荧光光谱法，化学发光法，分光光度法以及电化学检测法等。其中电化学方法因为操作简便，设备花费低，测量结果准确，尤其是可以获得低的检出物浓度，在H₂O₂的分析中被认为是最佳检测方法。直接的H₂O₂电化学检测方法通常是在经过化学/电化学修饰而含有与过氧化氢可发生反应的物质的铂，金，玻碳等电极表面施加恒定电位，同时检测氧化还原反应电流而实现。辣根过氧化物酶(HRP)与普鲁士蓝(Prussian blue，PB)是近年来广泛应用的过氧化氢酶。二者修饰的电极对H₂O₂的检测具有较强的选择性。

通常认为，传感器性能取决于两方面的因素，即，传感器电极的特性以及修饰层的特性。如：

引用文献1，公开了一种过氧化氢电化学传感器的制备方法，其采用玻碳电极片表面镀覆多层修饰薄膜，其第一层为萘酚绿。所述传感器的检测极限为0.9μM，相应的线性范围为8×10^-6～1.8×10^-4M。

引用文献2，其公开了电化学传感器，其在玻碳电极表面电沉积金纳米颗粒以及磁性四氧化三铁，并公开了其检测极限为50nM。

引用文献3，公开了一种基于金膜电极的传感器及其制备方法。所述金膜电极包括：基底；基底之上的金薄膜，所述金薄膜的厚度为200～400nm，所述金薄膜的与基底相反一侧表面的表面粗糙度Ra为5～10nm且表面的孔隙深度为20～40nm。所述表面粗糙度Ra以及表面孔隙深度为经过粗糙化处理而得到，所述粗糙化处理优选包括化学蚀刻处理。所述电化学生物传感器电极包括：上述金膜电极、以及形成于所述金膜电极的金薄膜之上的修饰层，所述修饰层中包括普鲁士蓝，且其厚度为20～130nm，所述普鲁士蓝的至少一部分以球形和/或立方状颗粒形式存在。其传感器测灵敏度为270～430mA/Mcm²，检测极限为0.27μM以上，线性范围为1～XμM，其中X为1000以上且4500以下。

上述文献研究了不同电极以及不同修饰层的配合对于过氧化氢的测试结果。

另外已知，现有技术也独立地公开了一些金属电极，例如，引用文献4公开了一种基于磁控溅射的纳米多孔结构金电极的制备方法，特点是先制备金银合金靶材，再通过磁控溅射制备金银合金薄膜，然后对金银合金薄膜脱合金，清洗干燥后得到具有纳米多孔结构的金电极。但这些文献并没有进一步指出该种结构的电极会对哪种物质具有特异的检测性能，也没有指出这样的电极进一步经过何种物质的修饰会对哪种物质具有特异的检测性。即，即使本领域技术人员也难以预期这样的电极针对何种修饰，能够对何种物质的检测具有改进的综合性能。

因此，对于过氧化氢的检测而言，采用何种性质的电极进行修饰后具有更好的综合性能也存在进一步探讨的余地。

引用文献1：CN102043002A

引用文献2：CN101986147A

引用文献3：CN107422015A

引用文献4：CN108950500A

发明内容

发明要解决的问题

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种电化学传感器，其对于过氧化氢的检测性能相对于现有技术具有飞跃的改进性，即，本发明的电化学传感器检测过氧化氢的检测极限最低可达到0.22μM，线性范围最宽可达到1～17000μM，并且检测灵敏度达到650mA/Mcm²以上。

本发明的另一目的在于提供一种用于上述电化学传感器的过氧化氢传感器电极。另外，本发明进一步的目的还在于提供了一种所述过氧化氢传感器电极的制备方法。

用于解决问题的方案

经过本发明发明人的潜心研究，发现采用如下技术方案能够解决上述技术问题：

[1].本发明首先提供了一种过氧化氢传感器，所述传感器包括过氧化氢传感器电极，所述过氧化氢传感器电极包括基底，基底之上的金膜，以及形成于所述金膜之上的修饰层，

其中，

所述金膜为多孔结构，其平均孔径为20～50nm；

所述修饰层包括普鲁士蓝，

所述过氧化氢传感器检测过氧化氢的检测极限为0.25μM以下，至少在1～10000μM的范围内具有线性响应。

[2].根据[1]所述的传感器，所述金膜的厚度为100～1000nm。

[3].根据[1]或[2]所述的传感器，所述修饰层通过电化学沉积而得到；其厚度为150～600nm。

[4].根据[1]～[3]任一项所述的传感器，所述金膜为通过使用金与第二金属形成的合金的溅射沉积得到合金膜后，至少部分地去除所述合金膜中的第二金属而得到，所述第二金属为选自银和镍中的至少一种，优选为银；所述金与第二金属的原子比为60～70：40～30。

[5].根据[1]～[4]任一项所述的传感器，在所述基底与金膜之间存在第一金属过渡层，所述金属过渡层包含选自Cr、Ti以及它们的合金中的至少任一者。

[6].根据[5]所述的传感器，所述第一金属过渡层与金膜之间还存在第二金属过渡层，所述第二金属过渡层包含金。

[7].根据[5]或[6]所述的传感器，所述第一金属过渡层和/或第二金属过渡层各自独立地采用溅射沉积法形成，且厚度为10～40nm。

[8].根据[1]～[7]任一项所述的传感器，所述传感器的灵敏度为650mA/Mcm²以上。

[9].进一步，本发明还提供了一种过氧化氢传感器电极，所述电极包括基底，基底之上的金膜，以及形成于所述金膜之上的修饰层，

其中，

所述金膜为多孔结构，其平均孔径为20～50nm；

所述修饰层包括普鲁士蓝，

所述过氧化氢传感器电极检测过氧化氢的检测极限为0.25μM以下，至少在1～10000μM的范围内具有线性响应，灵敏度为650mA/Mcm²以上。

[10].根据[9]所述的电极，所述金膜的厚度为100～1000nm。

[11].根据[9]或[10]所述的电极，所述修饰层厚度为150～600nm。

[12].此外，本发明也提供了一种过氧化氢传感器电极的制备方法，包括如下步骤：

溅射沉积步骤，以金与第二金属形成的合金为靶材，在基底上溅射沉积得到合金膜；

脱合金步骤，将所述合金膜中的所述第二金属溶解去除，得到金膜；

修饰沉积步骤，在所述金膜表面电化学沉积普鲁士蓝，

其中，在所述溅射沉积步骤中，金与第二金属的原子比为60～70：40～30在所述脱合金步骤中，所述金膜的平均孔径为20～50nm。

[13].根据[12]所述的方法，所述金膜的厚度为100～1000nm；所述修饰层厚度为150～600nm。

发明的效果

通过上述技术方案的实施，本发明能够取得如下的技术效果:

(1)相对于目前已有的过氧化氢传感器，在检测极限、检测线性范围以及检测灵敏度方面具有极大甚至是飞跃性的提高，尤其是本发明传感的线性范围可以达到1～17000μM，远远优于目前已知的各类过氧化氢传感器电极。

(2)获得纳米多孔结构工艺简单，并且可以通过控制溶解第二金属的时间来控制纳米多孔金的孔径大小。

(3)修饰普鲁士蓝的过程简单、省时，且通过控制计时电流法的施加时间可以十分有效的控制普鲁士蓝膜的厚度。

(4)相对于现有技术中在沉积了修饰层之后形成传感器电极后，使用前需要进行稳定化或者活化的处理，本发明得到的沉积了修饰层的传感器电极后可以不用进行稳定化处理或者活化处理，即可以立即作为检测过氧化氢的电极而直接使用。

(5)将普鲁士蓝对过氧化氢的高效选择性、纳米多孔金良好的催化性能有机结合，制备具有生物相容性的过氧化氢生物传感器。

附图说明

图1为本发明的实施例1所制备得到的化学脱合金后的纳米多孔金膜SEM图，右上角插图为其截面图；

图2(a)为本发明的实施例1所制备得到的化学脱合金后的纳米多孔金膜AFM图；

图2(b)为本发明的实施例1所制备得到的化学脱合金后的纳米多孔金膜高度信息采集图；

图3为本发明的实施例1的普鲁士蓝修饰后的纳米多孔金电极表面SEM图，右上角插图为其截面图；

图4(a)为本发明的实施例1的普鲁士蓝/纳米多孔金修饰电极在连续加入不同浓度过氧化氢的电流-时间响应曲线；

图4(b)为本发明的实施例1的响应电流与过氧化氢浓度的线性关系拟合图(FG作为参照)，其中，工作电位：-0.05V，

PB:普鲁士蓝

NPG:本发明纳米多孔金膜

FG:市售平面金膜；

图5为本发明的实施例1的普鲁士蓝/纳米多孔金修饰电极抗干扰性实验的信息采集图。

具体实施方式

以下，针对本发明的内容进行详细说明。以下所记载的技术特征的说明基于本发明的代表性的实施方案、具体例子而进行，但本发明不限定于这些实施方案、具体例子。需要说明的是：

本说明书中，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。

本说明书中，对于“合金膜”表示金与第二金属形成的合金沉积形成的膜，这样的沉积方法典型地可以为溅射沉积的方法。

本说明书中，对于“孔径”，是指“平均孔径”，可以基于Brunauer-Emmett-Teller(BJH)方法测试得到。

本说明书中，如没有特别说明，则“％”均表示质量百分含量。

本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。

本说明书中，“任选的”或“任选地”是指接下来描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括该事件发生的情况和该事件不发生的情况。

本说明书中，所提及的“一些具体/优选的实施方案”、“另一些具体/优选的实施方案”、“实施方案”等是指所描述的与该实施方案有关的特定要素(例如，特征、结构、性质和/或特性)包括在此处所述的至少一种实施方案中，并且可存在于其它实施方案中或者可不存在于其它实施方案中。另外，应理解，所述要素可以任何合适的方式组合在各种实施方案中。

本发明提供了一种过氧化氢传感器，所述传感器包括过氧化氢传感器电极，所述过氧化氢传感器电极包括基底，基底之上的金膜，以及形成于所述金膜之上的修饰层。

<氧化氢传感器电极>

本发明中，所述过氧化氢传感器电极为在基底上形成具有多孔结构的金膜后，经过修饰层修饰而得到。在本发明一些具体的实施方案中，所述多孔结构为纳米多孔结构。

基底

本发明的基底没有特别的限定，只要其可以实现本发明的上述效果即可。如可以使用本领域常规的基底，只要其具备所需要的导电性和支撑性。

本发明的基底可以选自碳类基底以及半导体类基底或导电高分子类基底。

对于碳类基体，例如可以列举的为石墨、碳纳米管、石墨烯、类金刚石碳、硼掺杂金刚石、玻碳之类的碳基底等。对于半导体类例如，可以列举的为硅、或ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、AZO(掺铝氧化锌)、FTO(掺氟氧化锡)之类的半导体透明导电膜。此外，对于导电高分子膜，其为采用导电高分子形成的膜材或板材加工而得到。所谓导电高分子是由具有共扼π-键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。高分子导电材料通常分为复合型和结构型两大类：①复合型高分子导电材料，由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或层积复合等方式而制得；②结构型高分子导电材料。是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属等。

并且，从获得宽线性检测范围，高灵敏度，低检测极限的电极的角度考虑，本发明的基底优选为硅片。

此外，在使用本发明所可选基底前，可以对基底进行必要的清洗和/或活化。具体的清洗、活化方式没有特殊限定，可以使用本领域通用的方式来进行，只要不损害本发明的最终效果即可。

对于基底的厚度，没有特别的限定，可以根据实际需要选择合适的厚度。在本发明一些优选的实施方案中，基底的厚度可以为100～600μm，优选为200～400μm。

金属过渡层

本发明中采用溅射沉积的方法在上述基底上沉积形成一层或多层金与第二金属形成的合金膜层，并通过溶解第二金属获得具有多孔结构的金膜层。

取决于溅射沉积控制的条件等因素，在将金与所述第二金属合金膜直接沉积于基底之上时，由于(合)金/基底界面存在着晶格不匹配的现象，在某些情况下将导致合金膜初始形成的孵育时间变长，同时也导致在沉积合金膜时容易形成表面缺陷和不均。在另外的情况下，也可能导致沉积于基底之上的合金膜与基底的结合性受到影响，从而在后续的基于电化学循环的电极稳定化中引起不期望的传感器失效。因此，在本发明一些优选的实施方式中，在进行上述溅射沉积合金膜之前，预先在基底上沉积一层或多层金属过渡层。金属过渡层可以良好的解决基底与合金膜之间存在的晶格不匹配以及增加合金膜与基底的结合的作用。

金属过渡层可以采用磁控溅射沉积法进行沉积，沉积的厚度为10～60nm，优选10～40nm，进一步优选为20～30nm。对于金属过渡层的厚度，太小则无法起到晶格匹配的作用，太大则经济性变差。

对于金属过渡层的材质，只要能够满足改善基底/合金膜的界面结合性，就没有特别的限定。例如，可以选自Cr、Ti、Au以及它们的合金中的至少任一者。优选的，本发明中，金属过渡层的材质不同于金，特别优选的，本发明中，金属过渡层使用Cr而形成。

在本发明的一些优选的实施方案中，可以在沉积合金膜以前，在基底表面依次形成两层金属过渡层，其中第一金属过渡层可以选自Cr、Ti以及它们的合金中的至少任一者，优选为Cr。第一金属过渡层的厚度通常可以为10～40nm，在一些优选的实施方案中，第一金属过渡层的厚度可以为10～20nm。进一步，在所述第一金属过渡层之上，形成第二金属过渡层。在一些优选的实施方案中，第二金属过渡层可以通过磁控溅射沉积金原子的方式而得到。对于该第二金属过渡层的厚度，可以为10～40nm，优选为10～20nm。在另外一些优选的实施方案中，所述第二金属过渡层的厚度小于所述第一金属过渡层的厚度。

合金膜

本发明的一些实施方式中，通过金与第二金属形成合金，并以此作为靶材在上述基底或具有所述金属过渡层的基底上沉积形成所述合金膜。

对于上述靶材，可以使用金与第二金属形成合金而得到。在本发明一些具体的实施方案中，所述第二金属可以为选自银和镍中的至少一种，优选地，第二金属可以为银。在一些具体的实施方案中，形成上述靶材时，金与所述第二金属的原子比可以为60～70:40～30，可以列举的为：62:38，65:35，68:32等。

对于金与第二金属形成合金的方法，没有特别的限制，可以按照上述比例进行熔融/熔炼混合(例如，可以为电弧熔炼或者感应熔炼等)、浇注得到，也可以采用诸如原子渗透等方法得到合金。从对靶材性能控制的角度来看，优选将金与第二金属在惰性气体的保护下，通过熔融浇注的方式，混合浇注于模具中，冷却后形成合金锭，并加工成可用的合金靶材。对于惰性气体，在一些具体的实施方案中可以使用氩气或者氮气等。

在得到靶材的基础上，使用溅射沉积方法在上述基底或者沉积了一层或多层的金属过渡层的基底上沉积形成合金膜。在本发明一些优选的实施方案中，所述溅射沉积方法，为磁控溅射沉积方法。

具体而言，本发明中使用磁控溅射沉积的方法时，溅射沉积是在真空环境下，利用荷能离子轰击材料表面，使被轰击出的粒子沉积在基体表面的技术。磁控溅射沉积方法一般分为平衡磁控溅射法以及非平衡磁控溅射法。对于本发明而言，从基底尺寸以及工艺简便的角度考虑，优选使用平衡磁控溅射法。

平衡磁控溅射通常被称作常规磁控溅射。利用磁场对二次电子实施有效控制，从而变二极溅射的缺点为自身的优点。平衡磁控溅射的工作原理为将二次电子在相互垂直的电磁场中，被束缚在靶表面附近沿着“跑道”环绕磁力线做圆滚性运动，提高了气体的离化率，即使工作气压降低到10^-1～10^-2Pa数量级，仍能增加等离子体密度，从而可提高入射离子密度，有利于降低溅射电压，同时提高沉积速率；而二次电子只有在能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极上，所以基体避免了二次电子的轰击，基体温升低，无损伤。平衡磁控溅射可有效应用于对温度要求严格的基体材料的表面改性。

本发明中，合金膜的沉积厚度控制在100～1000nm，优选为200～800nm，进一步优选为250～750nm，更优选为300～650nm。金膜的厚度沉积过小，则有无法消除表面缺陷的担忧，使得传感器电极的各项检测性能出现噪音或者重复性较差。但厚度过大，则一方面并不能明显提高传感器电极的各项性能，另一发明则增加制造成本。

金膜(电极)

在通过上述方法得到合金膜后，本发明采用脱合金方法，将所述第二金属至少部分地去除。在本发明一些具体实施方案中，所述脱合金方法为采用溶解的方法至少部分地去除所述合金膜中的第二金属。在一些优选的实施方案中，在脱合金中，第二金属的去除程度，以总的第二金属原子数计，去除的第二金属原子数为70％以上，或80％以上，或90％以上，优选为95％以上，进一步优选为98％以上，更优选为99％以上。在另外一些具体的实施方案中，第二金属在脱合金时被实质上全部去除。

进一步，脱合金中可以使用酸性溶液溶解所述第二金属，所述酸性溶液可以为硫酸、硝酸、盐酸或它们的混合液溶液，优选使用硝酸溶液以及硝酸溶液与其他酸性溶液的混合溶液。对于酸性溶液的浓度，可以根据要溶解的第二金属而进行调节，例如，以全部酸性物质计，所述酸性溶液的浓度可以为10～18mol/L。使用酸性溶液溶解第二金属的温度可以在0～35℃，优选为10～25℃之间，溶解时间没有特别的限定，可以在5～36小时之间，优选为10～30小时之间。

在本发明一些具体的实施方案中，将合金膜切割成一平方厘米的金银合金膜电极，并置入摩尔浓度为14.4～15.2mol/L的浓硝酸溶液中，在室温下进行化学脱合金至少6小时。

通过对于溶解第二金属时使用的酸性溶液浓度、溶解温度以及溶解时间的控制，可以以可控的方式获得具有不同形貌、不用孔径的金膜。

在本发明一些具体的实施方案中，通过脱合金而得到的金膜具有纳米级的多孔结构，所述多孔结构的平均孔径为20～50nm，优选为25～35nm。

在本发明另外一些具体的实施方案中，通过脱合金而得到的金膜具有粗糙的表面结构，其Ra值为5～40nm，优选为10～30nm，更优选为12～25nm。

另外，本发明中对于脱合金后得到的金膜，可以进行清洗、干燥等后处理方法。在本发明一些具体的实施方案中，可以使用水、醇类或酮类等有机溶剂进行清洗。典型地，可以利用水、丙酮、乙醇依次浸泡，取出后对金膜干燥，以得到金膜电极。

修饰层

本发明，通过对上述的金膜电极使用修饰层进行修饰从而得到传感器电极。修饰层为电化学活性物质层，具有特定的选择性。本发明的修饰层中，包括普鲁士蓝(PB)。

在本发明的一些实施方案中，在上述得到的金膜之上，采用电化学方法沉积一层普鲁士蓝层。典型的，进行沉积时，可以采用三电极体系，即以金膜为工作电极，以Ag/AgCl为参比电极，以Pt丝为对电极，以含有Fe³⁺及Fe(CN)₆ ³⁺，K⁺以及HCl的混合溶液为电解液进行电化学沉积，在恒定的沉积电压0.4V(相对Ag/AgCl电极)下进行电化学沉积，获得PB修饰电极。

控制沉积的时间，可以控制PB层的沉积厚度，例如可以通过沉积时间的控制，使得PB的厚度为20～600nm。在一些优选的实施方案中，本发明中PB层的厚度为150～600nm，或者200～500nm，优选的可以为200～450nm。对于沉积时间，没有特别的限制，只要能够获得如上厚度的PB膜即可。例如，沉积时间可以为10～240s，在一些情况下，沉积时间可以为5～260s，只要能够获得上述所需的沉积厚度，沉积时间可以进行适当的调整。

在本实施方式中，通过对在所述金膜表面上的PB沉积厚度的控制和调整，能够获得宽的检测线性范围，高灵敏度，低检测极限，较好耐久性以及强选择性的电化学过氧化氢生物传感器电极。

在现有的一些研究中提出了降低PB层的沉积厚度可以提高检测的灵敏度。但是，本发明发现，若PB沉积层厚度过低，则可能导致PB沉积层无法实现均匀的覆盖，也可能导致PB沉积过程中沉积层所出现的一些缺陷点无法得到有效的修复。另外，本发明得到的过氧化氢传感器电极所表现出的使用性能的飞跃性提高也与金膜表面形态特征密切相关，令人意外的是，这样的表面形貌特征与沉积的PB修饰层的结合，极大的改善了本发明过氧化氢传感器的线性范围和检测灵敏度、并进一步降低了检测极限。

因此，从这一观点出发，本申请中PB层的厚度应为150nm以上、进而为200nm以上。另一方面，本发明发现，在PB层的沉积厚度达到一定水平、例如为150nm以上时，灵敏度呈现随沉积厚度的增加而增加的趋势。其原因推测如下：随着PB层沉积厚度的增加，PB的微观形貌由主要为(无定型的)球状过渡到主要为立方(晶型)颗粒状，立方(晶型)颗粒状更有利于PB层中的电荷传导，使响应电流变大，提高了灵敏度。

此外，随着PB沉积厚度的增加，检测的线性范围明显变宽。推测的原因可能在于，随着PB沉积厚度的增加，使得PB表面的缺陷得到改善，因此，在恒定的电压下，能够呈现出较宽的线性范围，且线性相关系数大于0.99。

此外，随着PB层沉积厚度的增加，PB的微观形貌由主要为(无定型的)球状过渡到主要为立方(晶型)颗粒状，而随着PB层的形貌的变化，影响到电极的使用耐久性。在一些情况下，由于在最初形成的PB层中，以无定型的球形颗粒为主，随着PB的厚度的增加，耐久性增加。但经过进一步的PB层的沉积，PB层中，逐渐形成了立方晶型的PB颗粒，在(无定型的)球状过渡到主要为立方(晶型)颗粒状的期间，耐久性几乎不发生变化。在形成立方晶型的PB颗粒后继续进行PB沉积时，立方(晶型)颗粒状逐渐生长，导致了耐久性的进一步增加。但是，当PB层中立方晶型的PB颗粒成长到一定程度时，由于晶界的作用，也可能导致PB层表面出现裂纹。

因此，可以看出，对于在金膜上PB层的沉积厚度，不仅要考虑兼顾优良的灵敏度，也要兼顾较宽的检测线性范围、以及使用的耐久性等，同时，尤其令人意外的是，本发明金膜的表面形貌也使得兼顾上述性能的目的得以充分实现。因此，从这个角度而言，本发明的PB沉积厚度为150～600nm，优选为200～400nm，更优选250～350nm。

在本发明另外的一些实施方案中，除了在金膜上电化学沉积PB可以作为活性物质层以外，不受限制的，可以根据实际需要，在同一层，或者PB层以外的独立的层中沉积使用其他的活性物质。

所述的活性物质可以为各种酶。可以列举的为：葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、辣根过氧化物酶、胆固醇氧化酶、黄嘌呤氧化酶、乙酰胆碱脂酶、有机磷水解酶等中的一种或几种。

对于以上活性物质可以通过本领域通常的沉积方法进行沉积。并且，可以根据需要，进行一层或多层的沉积，前提是不损害本发明的技术效果。

电极稳定化

在本发明一些具体的实施方案中，上述得到的进行了修饰的金膜电极(传感器电极)在使用前，可以进行稳定化处理。所述稳定化处理可以使用循环伏安法将获得的普鲁士蓝修饰电极扫描至稳定，设置电压范围-0.05V～+0.35V，扫描圈数视稳定化效果而定，可以为15～25圈。需要说明的是，本发明发明人意外地发现，通过本发明方式得到的沉积了PB层的电极，即使在没有稳定化或者活化处理的条件下直接应用，也能够获得本发明前述的各种技术效果，因此，在本发明一些具体的实施方案中，可以不对沉积了PB的传感器电极进行稳定化或者活化处理。

在进行了上述稳定化处理后，可以进行后续的清洗和干燥处理以得到可用的过氧化氢传感器电极。典型地，在稳定化处理之后，取出电极，依次使用去离子水、丙酮和酒精浸泡清洗后用高纯氮气吹干，置于真空干燥箱中干燥(以每分钟1～3℃升温速率加热到100℃，并保温0.5-1.5小时后随炉冷却)。

在本发明一些具体的实施方案中，提供了如下典型的制备本发明过氧化氢传感器的方法：

(1)制备金银合金膜：采用磁控溅射的方式，将金、银原子比为65:35的靶材溅射到硅片上(硅片表面有铬附着)。溅射5分钟，得到200nm厚的金银合金膜。

(2)脱合金：将金银合金膜切割成一平方厘米的金银合金膜电极，并置入摩尔浓度为14.4～15.2mol/L的浓硝酸溶液中，在室温下进行化学脱合金至少6小时；

(3)对脱合金后形成的纳米多孔金膜进行形貌表征(图1)，发现其具有大的比表面积，孔径在20～50nm。对其进行AFM表征，发现其表面Ra最大可达30nm。

(3)在计时电流法的三电极体系中，以纳米多孔金膜电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，以铂片电极为对电极，在普鲁士蓝电沉积液(2.5mM FeCl₃+2.5mM K₃Fe(CN)₆+0.1M KCl+0.12M HCl)下工作，设置电压为+0.4V,连续工作120s。

(4)使用循环伏安法将获得的普鲁士蓝修饰电极扫描至稳定，设置电压范围-0.05V～+0.35V，扫描圈数为20圈。扫描处理后依次使用去离子水、丙酮和酒精浸泡清洗后用高纯氮气吹干，置于真空干燥箱中干燥(60分钟加热到100℃，保温60分钟后随炉冷却)。

<过氧化氢传感器>

本发明过氧化氢传感器包括前文所描述或定义的过氧化氢传感器电极。

上述过氧化氢传感器电极可以单独作为直接传感器而直接使用，检测对PB敏感的过氧化氢。

本发明的过氧化氢传感器，在进行过氧化氢检测时，具有宽的线性范围，例如，可以在至少1～10000μM的范围内具有线性响应，且最宽的线性响应范围可以达到1～20000μM。另外，可以列举的线性响应范围可以为1～12000μM，1～13000μM，1～14000μM，1～15000μM，1～16000μM，1～17000μM，1～18000μM，或1～19000μM。

本发明的过氧化氢传感器，在进行过氧化氢检测时，具有较低的检测极限，所述检测极限为0.25μM以下，优选为0.24μM以下，进一步优选为0.23μM以下，更优选为0.22μM以下。

本发明的过氧化氢传感器，在进行过氧化氢检测时，具有高的灵敏度，所述灵敏度可以为650mA/Mcm²以上，优选为700mA/Mcm²以上，进一步优选为720mA/Mcm²以上。

此外，亦如上所述，可以将还包括了其他活性物质层的传感器作为间接传感器而使用。可以结合使用上文所提及的酶，对诸如葡萄糖、蛋白质等分子或成分进行检测。

进一步，可以将上述传感器进行必要的封装或者其他的任意修饰，只要不损害本发明的效果即可。通过必要的封装，可以适用于各种场合，并且有利于提高使用的安全性和保证检测的有效性。

此外，在本发明过氧化氢传感器，除了包括上述的传感器电极以外，该传感器还可以包括参比电极以及对电极。所述参比电极可以为本领域常规的参比电极，例如甘汞电极、银/氯化银电极等。对于对电极，可以使用Pt丝或板等。

典型地，本发明一些具体的实施方案中，提供了一种可以对过氧化氢浓度进行直接检测的电化学生物传感器。具体而言，在同一电解池中，采用三电极体系，一个工作电极，一个参比电极，一个对电极，其中工作电极采用上文所述的具有纳米多孔结构的金膜电极。此后，在电解池中加入一定量的沉积液，通过在工作电极上施加恒定电压，一定时间后金膜表面即沉积一层普鲁士蓝薄膜。将得到的普鲁士蓝修饰电极进行任选的(电)化学、物理过程处理后，置入相同电解池中，以普鲁士蓝修饰电极为工作电极进行过氧化氢浓度测定。测定过程中仍然在工作电极施加恒定电压，在电解池中加入一定量磷酸缓冲液(PBS)，施加搅拌条件下滴入不同浓度的过氧化氢溶液，通过电流强度响应进行检测。

实施例

以下说明本发明的实施例。

实施例1

在干净的硅片上蒸镀10nm厚的Cr作为金属过渡层。

使用金与银无限互溶形成的合金(金与银原子比为65：35)作为靶材，在Cr过渡层上溅射5min得到200nm厚的合金膜，之后，使用浓硝酸(69质量％)脱合金6小时，得到孔径为30nm的多孔结构。脱合金后得到的金膜具有纳米孔结构，且Ra值为30nm。

采用三电极体系，即以金膜为工作电极，以Ag/AgCl为参比电极，以Pt丝为对电极，以含有Fe³⁺及Fe(CN)₆ ³⁺，K⁺以及HCl的混合溶液为电解液进行电化学沉积，在恒定的沉积电压0.4V(相对Ag/AgCl电极)下进行电化学沉积120s，获得PB修饰电极PB层的厚度为300nm。

将得到的沉积了PB的传感器电极组装成检测过氧化氢传感器，对过氧化氢进行测量。

图4(a)为本发明的实施例1提供的普鲁士蓝/纳米多孔金膜修饰电极在-0.05V的工作电位下连续加入不同浓度过氧化氢的电流-时间响应曲线；

图4(b)为响应电流与过氧化氢浓度的拟合线性关系图，传感器对H₂O₂有小于4s的快速灵敏的响应，在0.001～17mM的很宽的浓度范围内，响应电流与H₂O₂的浓度呈很好线性关系。按S/N＝3计算，得到本发明过氧化氢的检出限为0.22μM，低于目前常通常使用的过氧化氢检测传感器。

需要说明的是，尽管以具体实例介绍了本发明的技术方案，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

产业上的可利用性

本发明所提供的过氧化氢传感器电极以及传感器，可以在工业上制备并用于过氧化氢的检测。

Claims

1.一种过氧化氢传感器，其特征在于，所述传感器包括过氧化氢传感器电极，所述过氧化氢传感器电极包括基底，基底之上的金膜，以及形成于所述金膜之上的修饰层，

其中，

所述金膜为多孔结构，其平均孔径为20～50nm；

所述修饰层包括普鲁士蓝，

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述金膜的厚度为100～1000nm。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述修饰层通过电化学沉积而得到；其厚度为150～600nm。

4.根据权利要求1～3任一项所述的传感器，其特征在于，所述金膜为通过使用金与第二金属形成的合金的溅射沉积得到合金膜后，至少部分地去除所述合金膜中的第二金属而得到，所述第二金属为选自银和镍中的至少一种，优选为银；所述金与第二金属的原子比为60～70：40～30。

5.根据权利要求1～4任一项所述的传感器，其特征在于，在所述基底与金膜之间存在第一金属过渡层，所述第一金属过渡层包含选自Cr、Ti以及它们的合金中的至少任一者。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述第一金属过渡层与金膜之间还存在第二金属过渡层，所述第二金属过渡层包含金。

7.根据权利要求5或6所述的传感器，其特征在于，所述第一金属过渡层和/或第二金属过渡层各自独立地采用溅射沉积法形成，且厚度为10～40nm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器的灵敏度为650mA/Mcm²以上。

9.一种过氧化氢传感器电极，其特征在于，所述电极包括基底，基底之上的金膜，以及形成于所述金膜之上的修饰层，

其中，

所述金膜为多孔结构，其平均孔径为20～50nm；

所述修饰层包括普鲁士蓝，

10.根据权利要求9所述的电极，其特征在于，所述金膜的厚度为100～1000nm。

11.根据权利要求9或10所述的电极，其特征在于，所述修饰层厚度为150～600nm。

12.一种过氧化氢传感器电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

修饰沉积步骤，在所述金膜表面电化学沉积普鲁士蓝，

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述金膜的厚度为100～1000nm；所述修饰层厚度为150～600nm。