本發(fā)明涉及傳感器，尤其是涉及一種體電化學(xué)傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，電化學(xué)傳感器因其易于制作和操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為藥物開發(fā)到臨床診斷等多領(lǐng)域的新型傳感器系統(tǒng)，為醫(yī)學(xué)治療提供更加科學(xué)、可靠的依據(jù)。為了支持這些高精度應(yīng)用，傳感器系統(tǒng)需要滿足高空間密度(小型化傳感器封裝)和高靈敏度的要求。

2、近年來興起了一種表皮體液非侵入式電化學(xué)傳感的方法，該方法通過電化學(xué)技術(shù)，檢測汗液、淚液和唾液等體液中的標(biāo)志物的濃度，進(jìn)而推算出血液中待測目標(biāo)物質(zhì)的濃度，但該方法在實(shí)際應(yīng)用中卻存在一定的問題：首先，體液中物質(zhì)濃度和血液中的物質(zhì)濃度的具體關(guān)系仍不清楚，仍需要進(jìn)一步探究；其次，當(dāng)前的表皮電化學(xué)酶傳感器催化反應(yīng)空間很小，而體液中標(biāo)志物的濃度與皮下待測物濃度相比低1-2個數(shù)量級，因此如何實(shí)現(xiàn)低濃度的表皮體液物質(zhì)檢測成為亟需解決的問題。

3、實(shí)現(xiàn)低濃度下的物質(zhì)檢測，最關(guān)鍵在于提高傳感器的靈敏度，而傳感器的靈敏度與電極材料的結(jié)構(gòu)特性息息相關(guān)。為了考慮傳感器的可變性并確定電極靈敏度，通常的做法是通過制造后測量來校準(zhǔn)每個傳感器，這涉及通過測量傳感器對已知濃度分析物的響應(yīng)來創(chuàng)建“校準(zhǔn)曲線”。雖然這種策略適用于處理單個設(shè)備或小型傳感器陣列，但對于大規(guī)模集成傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來說效率非常低。另一種更易于處理的方法是通過設(shè)計(jì)材料合成來生產(chǎn)具有精確靈敏度的傳感器。金屬納米顆粒是一種具有導(dǎo)電性能的材料，并且應(yīng)用在催化反應(yīng)中時(shí)，能夠加快待測物質(zhì)催化產(chǎn)物的分解。目前已經(jīng)有研究將金屬納米顆粒復(fù)合到柔性薄膜中，以增強(qiáng)薄膜的電導(dǎo)率和催化效率，盡管物質(zhì)的催化反應(yīng)的效率得以提高，但是這些研究中，酶催化反應(yīng)的位置依舊停留在薄膜或電極的表面，反應(yīng)空間并未得到很大的提升，因此對于較低濃度的物質(zhì)檢測仍然存在檢測靈敏度不高、誤差較大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種體電化學(xué)傳感器。

2、本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題在于提供上述體電化學(xué)傳感器的制備方法。

3、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

4、一種體電化學(xué)傳感器，包括柔性基底(1)、柔性封裝層(2)、工作電極(3)、參比電極(4)和輔助電極(5)，所述工作電極(3)、傳感器參比電極(4)和傳感器輔助電極(5)并列排布在柔性基底(1)和柔性封裝層(2)中間，所述柔性基底(1)和柔性封裝層(2)是固態(tài)電解質(zhì)采用熱聚合進(jìn)行固化后形成的。

5、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述固態(tài)電解質(zhì)為水凝膠，進(jìn)一步優(yōu)選為含酶導(dǎo)電水凝膠。

6、上述體電化學(xué)傳感器中：

7、所述柔性基底(1)和柔性封裝層(2)用于進(jìn)行溶液中待測物質(zhì)催化反應(yīng)、加快電子傳導(dǎo)；

8、所述工作電極(3)用于測量溶液中待測物質(zhì)濃度；

9、所述參比電極(4)用于在溶液中保持相對穩(wěn)定電勢；

10、所述輔助電極(5)用于輔助工作電極進(jìn)行待測物質(zhì)濃度檢測。

11、上述柔性基底和柔性封裝層的形狀以及厚度可以任意變換以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境的要求，同樣的，上述的三個電極的形狀以及厚度也可以匹配柔性基底和柔性封裝層的尺寸而變化。

12、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述柔性基底(1)和柔性封裝層(2)為抗溶脹且具有催化待測物質(zhì)氧化作用的柔性導(dǎo)電薄膜，電極能夠隨柔性基底和柔性封裝層的形變而變化且不影響本身功能，以更好地應(yīng)對不同的檢測環(huán)境。

13、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述柔性基底(1)和柔性封裝層(2)的材料是含酶導(dǎo)電水凝膠，具體為：磺酸甜菜堿以及羧基化纖維素納米纖維組成的基底膜層(1a)，其中包含鉑納米顆粒(1b)和氧化酶(1c)，即磺酸甜菜堿中加入羧基化纖維素納米纖維形成基底膜層(1a)，然后將鉑納米顆粒(1b)和氧化酶(1c)添加到基底膜層形成的薄膜。這種材料配置使得柔性基底(1)和柔性封裝層(2)具有良好的抗溶脹性能，且具有較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力和較高的催化效率。

14、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述工作電極(3)的形狀為圓形，所述參比電極(4)為中心角度不超過45°的小圓環(huán)形，且該小圓環(huán)形的小圓弧半徑大于工作電極(3)的半徑，所述輔助電極(5)為中心角度超過180°的大圓環(huán)形，且該大圓環(huán)形的小圓弧半徑和大圓弧半徑與參比電極(4)的尺寸一致，所述工作電極(3)位于參比電極(4)和輔助電極(5)之間形成的圓形空間內(nèi)。

15、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述工作電極(3)、參比電極(4)和輔助電極(5)分別通過工作電極條形導(dǎo)線(6a)、參比電極條形導(dǎo)線(6b)和輔助電極條形導(dǎo)線(6c)與外部檢測設(shè)備相連，其中，工作電極條形導(dǎo)線(6a)與工作電極(3)相連，參比電極條形導(dǎo)線(6b)與參比電極(4)相連，輔助電極條形導(dǎo)線(6c)與輔助電極(5)相連。

16、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述工作電極條形導(dǎo)線(6a)、參比電極條形導(dǎo)線(6b)和輔助電極條形導(dǎo)線(6c)的材料是導(dǎo)電材料金、銀、銅或鉑。

17、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述工作電極(3)和輔助電極(5)的材料是惰性導(dǎo)電材料碳或鉑。

18、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器，所述參比電極(4)的材料是銀/氯化銀，這種電極材料配置使得電極本身具有強(qiáng)導(dǎo)電性能的同時(shí)不與溶液中的離子發(fā)生反應(yīng)，因此檢測過程受環(huán)境因素影響小，檢測結(jié)果一致性好。

19、上述各材料的混合比例可根據(jù)需求按比例增加或減少。

20、上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，通過澆注、絲網(wǎng)印刷和轉(zhuǎn)印三種技術(shù)加工而成，具體步驟如下：

21、a)裁剪、清洗用于印刷的薄膜基底，清洗絲網(wǎng)印刷臺，并稀釋印刷油墨以備用；

22、b)將薄膜基底貼附于絲網(wǎng)印刷臺上，固定作電極和輔助電極印刷網(wǎng)版，刮刀下壓打印一層惰性導(dǎo)電材料，通過高溫固化后得到工作電極(3)和輔助電極(5)；

23、c)更換為參比電極印刷網(wǎng)版，刮刀下壓打印一層銀/氯化銀，高溫固化后得到參比電極(4)；

24、d)在磺酸甜菜堿液體中加入羧基化纖維素納米纖維、氧化酶和鉑納米顆粒并攪拌均勻得到混合物，并將該混合物澆注到柔性基底的模具中，采用熱聚合的方法進(jìn)行固化，清洗后得到柔性基底(1)；

25、e)將在薄膜基底上燒結(jié)后的電極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到柔性基底(1)上；

26、f)將工作電極條形導(dǎo)線(6a)、參比電極條形導(dǎo)線(6b)和輔助電極條形導(dǎo)線(6c)用絕緣膠帶包裹，并用環(huán)氧膠將工作電極(3)、參比電極(4)和輔助電極(5)分別與導(dǎo)線進(jìn)行連接；

27、g)將固態(tài)電解質(zhì)澆注到轉(zhuǎn)印電極結(jié)構(gòu)后的柔性基底(1)上，采用熱聚合進(jìn)行固化后形成柔性封裝層(2)，完成整個體電化學(xué)傳感器的制備。

28、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，制備得到的體電化學(xué)傳感器的電極區(qū)域和電極外的導(dǎo)線被柔性基底(1)和柔性封裝層(2)覆蓋，導(dǎo)線區(qū)域與待測溶液絕緣。

29、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述固態(tài)電解質(zhì)為含酶導(dǎo)電水凝膠，是磺酸甜菜堿、羧基化纖維素納米纖維、氧化酶和鉑納米顆?；旌衔?。

30、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述含酶導(dǎo)電水凝膠是由下述方法制備得到的：

31、1)以al2o3納米顆粒乳濁液為乳化劑，加入酶溶液，采用冰水浴法，振蕩制備負(fù)載酶的納米顆粒固定化酶溶液；

32、2)將甜菜堿單體溶于羧基化纖維素納米纖維溶液中，加入交聯(lián)劑后將溶液在冰水浴條件下進(jìn)行超聲，再將交聯(lián)催化劑和熱引發(fā)劑加入溶液中，置于冰水浴中攪拌得到兩性離子聚合物溶液；

33、3)在步驟2)中得到的兩性離子聚合物溶液中加入金屬納米顆粒，將溶液在冰水浴條件下混合均勻；

34、4)將納米顆粒固定化酶溶液加入步驟3)得到的兩性離子混合物溶液中，置于冰水浴中攪拌混合得到水凝膠溶液，將水凝膠溶液注入模具，經(jīng)熱水浴條件聚合制得體電化學(xué)傳感器。

35、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述步驟1)中al2o3納米顆粒乳濁液濃度為0.1～5mg/ml，酶溶液濃度為10～50mg/ml；所述冰水浴溫度為-10～0℃，搖床振蕩轉(zhuǎn)速為100～200r/min，振蕩時(shí)間為15～45min。

36、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述步驟1)中al2o3納米顆粒乳濁液和酶溶液的體積比為1:1。

37、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述步驟2)中羧基化纖維素納米纖維溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1％～10％羧基化纖維素納米纖維溶液，所述甜菜堿單體為甜菜堿單體活性物含量為94％～98％的粉末；所述交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酰胺，催化交聯(lián)劑為四甲基乙二胺，熱引發(fā)劑為過硫酸銨；所述超聲時(shí)間為30～60min，冰水浴溫度為-10～0℃，攪拌速度為300～450rpm，攪拌時(shí)間為3～15min。

38、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述甜菜堿單體為磺酸甜菜堿或磷酸酯甜菜堿。

39、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述步驟3)中金屬納米顆粒和兩性離子聚合物溶液的體積比為0.01～0.05：1，所述冰水浴溫度為-10～0℃。

40、優(yōu)選的，上述體電化學(xué)傳感器的制備方法，所述步驟4)中納米顆粒固定化酶溶液和兩性離子混合溶液的體積比為0.1-10：1，所述冰水浴溫度為-10～0℃，攪拌速度為300～450rpm，攪拌時(shí)間為3～15min；所述熱水浴溫度為30～40℃，聚合時(shí)間為24～36h。

41、本發(fā)明的有益效果是：

42、所述體電化學(xué)傳感器，通過柔性基底和柔性封裝層與工作電極、參比電極和輔助電極共同構(gòu)建出一個體空間的電化學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，因柔性基底和柔性封裝層中包含酶而具有催化待測物質(zhì)的作用，并且包含的鉑納米顆粒使得柔性基底和柔性封裝層能夠加快催化反應(yīng)和電荷傳導(dǎo)，因此該體傳感結(jié)構(gòu)使得傳感器的檢測下限大大降低，加快了檢測靈敏度的同時(shí)提高了檢測速率，同時(shí)有效比表面積顯著增加，有利于對低濃度待測物質(zhì)的檢測，并且這種體傳感器結(jié)構(gòu)整體的機(jī)械性能一致，能夠隨著外部環(huán)境的彎曲拉伸而變化且不影響本身的功能，避免因外部環(huán)境的拉伸彎曲而對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響。