本發(fā)明屬于電化學(xué)傳感器的制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種納米柔性血糖傳感器及其制備方法，用于實現(xiàn)對人體血糖的原位實時檢測與分析，并確保傳感器適合人體長期佩戴與穩(wěn)定工作，能實現(xiàn)無創(chuàng)或微創(chuàng)血糖監(jiān)測，并滿足了糖尿病的大范圍血糖監(jiān)測。

背景技術(shù)：

血糖與人體健康息息相關(guān)，長期高血糖會引起各種并發(fā)癥(如尿毒癥、肢體壞死、失明等)，而低血糖會造成暈厥、心慌無力等后果，因此血糖檢測對人體健康有著重要意義。但傳統(tǒng)血糖測試設(shè)備體積龐大，耗時長，不能實現(xiàn)實時精確檢測，限制了在家庭中的推廣和使用。龐大的市場需求促使科研人員研發(fā)一種高效廉價、精確便攜的血糖檢測設(shè)備。

現(xiàn)有非光學(xué)型血糖傳感器研究主要集中在材料改性、表面修飾、復(fù)合電極等方面，李等在論文《flexiblechitosan/carbonnanotubesaerogel,arobustmatrixforin-situgrowthandnon-enzymaticbiosensingapplications》中提到對碳納米管進(jìn)行改性，采用冰模版法將碳納米管與殼聚糖組裝在一起作為敏性材料在柔性基底上制備血糖傳感器，但測試過程需要參比電極，測試環(huán)境要求為堿性溶液。在柔性傳感器陣列方面設(shè)計，weigao等在論文《fullyintegratedwearablesensorarraysformultiplexedinsituperspirationanalysis》中提到柔性一體化傳感陣列設(shè)計，將葡萄糖、鈉鉀離子、ph值傳感微型器件合并在同一柔性襯底上，設(shè)計工藝復(fù)雜，不利于實現(xiàn)產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)制造。綜合考慮現(xiàn)有葡萄糖傳感器普遍存在一系列問題：1，使用效用低，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，體積大，難以實現(xiàn)便攜可穿戴功能；2，工藝繁瑣，器件成本過高；3，檢測精度較低，難以實現(xiàn)實時原位監(jiān)測；4，測試環(huán)境要求高；5，血糖響應(yīng)范圍窄，難以滿足糖尿病人的大范圍血糖濃度的監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對實際使用時存在的上述問題，本發(fā)明設(shè)計了一種納米柔性血糖傳感器及其制備方法，通過傳感微溝道結(jié)構(gòu)與親水耐磨層的結(jié)合，可以實現(xiàn)微量分析與快速監(jiān)測，并可滿足傳感器的高效廉價和小體積高集成的要求，同時通過選用對皮膚無毒無害且體感舒適好的材料制備傳感器，避免了作用層與皮膚接觸帶來的人體不適與材料損壞。測試環(huán)境簡單，通過電流響應(yīng)實時分析血糖變化，工藝簡單，成本低廉。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的。

一種納米柔性血糖傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：碳納米管成膜

按照0.1-0.3mg/ml濃度稱取碳納米管，將其置于體積比3：1質(zhì)量分?jǐn)?shù)95-98％濃硫酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)65-68％濃硝酸的混合酸中，在110℃下攪拌45-90min，離心去上清液、調(diào)節(jié)ph至中性；平鋪30-60℃下蒸干水分，得到羧基化碳納米管薄膜；

步驟二：葡萄糖傳感材料制備

利用磁控濺射在步驟一制得薄膜上制備氧化鋅，靶材選用氧化鋅，濺射氣壓為1pa，靶基距5-10cm，濺射功率50-300w，用氬氣作為保護(hù)氣，基片溫度為常溫，濺射20-90min；在該材料上噴涂5-30μl葡萄糖氧化酶溶液，所制得傳感材料與微溝道大小相同；葡萄糖氧化酶溶液濃度為1-40mg/ml；

步驟三：柔性襯底預(yù)處理

將柔性基底材料在等離子增強化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中處理：采用氫氣或氧氣反應(yīng)氣壓20-120pa，射頻功率為20-80w，室溫下處理柔性基底，使其與液體接觸角小于5°，在預(yù)處理襯底上懸涂厚度為1-3μm環(huán)氧樹脂；

步驟四：電極及傳感微溝道設(shè)計

在處理后的柔性基底材料上通過紫外曝光做好電極模板，通過電子束蒸鍍鍍上間隔1-10μm金屬電極，兩端電極通過壓焊或者銀膠引出電極引線；制得微溝道電極層，設(shè)計微溝道長1-6cm，寬度3-100μm；

步驟五：親水保護(hù)層的制備

將孔徑為0.01-0.5微米的偏氟乙烯pvdf膜在等離子增強化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中處理：采用氫氣或氧氣反應(yīng)氣壓20-120pa，射頻功率為20-80w，室溫下處理，使其與液體接觸角小于5°，作為離子選擇親水保護(hù)層，通過環(huán)氧樹脂貼裝在電極與傳感材料上方，保護(hù)電極材料、傳感材料同時保證葡萄糖分子透過與析出。

進(jìn)一步，采用磁控濺射或蒸鍍制備的膜層厚度控制在100-250nm。

進(jìn)一步，電極采用ti/au電極，紫外曝光參數(shù)：az5214膠110℃前烘1-15min,曝光0.1-20s，120℃后烘1-5min，曝光10-15s，顯影0.1-5min；電子束蒸鍍參數(shù)：真空度5×10^-6mbar，ti/au厚度分別為10/100nm；

葡萄糖傳感材料制備與柔性襯底處理無先后順序。

所制備的血糖微傳感器用于對濃度為0.5-30mmol/l血糖線性響應(yīng)。

一種納米柔性血糖傳感器及其制備方法，包括：柔性基底、環(huán)氧樹脂層、電極結(jié)構(gòu)、葡萄糖氧化酶負(fù)載微溝道、離子透過親水耐磨層。采用抗彎折柔性聚合物作為基底，采用懸涂法在聚酰亞胺(pi)襯底上懸涂1-3μm環(huán)氧樹脂，通過模板法設(shè)計電極微溝道結(jié)構(gòu)，將納米線織構(gòu)材料(碳納米管氧化鋅復(fù)合材料)與1～40mg/ml葡萄糖酶轉(zhuǎn)移到微溝道中作為敏感層，以離子透過親水耐磨層覆蓋電極與敏感層實現(xiàn)葡萄糖快速吸附并避免與人體直接接觸。

所述柔性基底采用無毒無害、抗彎折聚合物如pi等，通過處理親水性與表面附著性良好。

所述柔性基底厚度為50-200μm，整體面積小于1cm²。

所述納米線織構(gòu)敏感層材料選擇羧基化表面處理的碳納米管氧化鋅復(fù)合薄膜負(fù)載葡萄糖氧化酶膜。

所述電極微溝道結(jié)構(gòu)通過模板法制作，微溝道長度小于5mm，寬度3-100μm。

所述離子透過親水耐磨層為多孔聚合物薄膜，親水性好，葡萄糖分子透過率高。

一種納米柔性葡萄糖傳感器及其制備方法，包括如下步驟：

(1)柔性基底的選擇及表面處理：柔性基底材料選擇包括pi等，具有良好的力學(xué)與溫度適應(yīng)性，表面處理增強電極、傳感溝道及親水薄膜等粘附性能。制得柔性基底1。

(2)電極微溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作：可根據(jù)器件測試與集成要求設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸，為保證電極良好導(dǎo)電性能與節(jié)省成本，通過最有結(jié)構(gòu)設(shè)計，為抗酸堿腐蝕，選用au、pt等化學(xué)穩(wěn)定性好的金屬材料。制得電極微溝道2。

(3)通過強酸(濃硫酸、濃硝酸)處理，在碳納米管中引入羧基基團(tuán)，增強碳納米管親水性(接觸角小于5°)，利用磁控濺射制得碳納米管氧化鋅薄膜，在碳納米管薄膜氧化鋅復(fù)合材料上噴涂適量(1-40mg/ml)葡萄糖氧化酶作為敏性材料導(dǎo)入微溝道中。

(4)離子透過親水耐磨涂層處理與封裝，將處理后的親水耐磨層進(jìn)行表面貼裝，整體面積不超過基底大小，且將電極與敏感層完全遮蓋避免摩擦，保證電極層與敏感材料長期多次使用不脫落。

步驟(1)所述表面處理手段包括氧等離子體處理。

步驟(2)電極微溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法包括通過掩膜版、紫外曝光或者電子束曝光等手段中的一種或幾種設(shè)計電極結(jié)構(gòu)。

步驟(2)電極微溝道結(jié)構(gòu)制備方式可以為磁控濺射、電子束蒸鍍等pvd手段中的一種或幾種制作電極層，電極厚度控制在100-150nm，保證導(dǎo)電性能的同時降低成本。

步驟(4)所述離子透過親水耐磨層為多孔親水聚合物薄膜，處理方式為氧等離子體處理，孔徑在0.1-1μm，厚度不大于0.1mm。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明提供的一種納米柔性葡萄糖微傳感器及其制備方法，通過模板法設(shè)計納米織構(gòu)傳感微溝道與離子選擇親水耐磨涂層的結(jié)合，實現(xiàn)器件的小體積高集成，且充分保護(hù)器件作用層，防止因反復(fù)使用出現(xiàn)剝落和失效。基于碳納米管薄膜較大的表面能，采用濺射氧化鋅，同時噴涂葡萄糖氧化酶的方法制備傳感材料，對葡萄糖線性敏感。

(2)本發(fā)明所述的一種納米柔性葡萄糖微傳感器及其制備方法，通過離子透過親水耐磨層的使用，避免敏感材料和電極材料與被測體的直接接觸，在應(yīng)用到可穿戴生物葡萄糖微傳感器上，能夠消除材料與人體直接接觸到來的過敏與不適反應(yīng)，同時保護(hù)敏感層不受損傷長期精確工作。

(3)本發(fā)明測試原理基于電阻變化造成的電流響應(yīng)，測試環(huán)境要求低，傳感器對于對濃度為0.5-30mmol/l血糖線性響應(yīng)(人體正常血糖濃度為3.61-6.11mmol/l)。

附圖說明

圖1為傳感器結(jié)構(gòu)圖(1為柔性基底，2為電極層，3為叉指電極位置即傳感材料位置，4為保護(hù)層)

圖2為傳感器結(jié)構(gòu)圖中3放大示意圖，掩膜版制作電極微溝道結(jié)構(gòu)示意圖

圖3實施例一響應(yīng)曲線

圖4實施例二響應(yīng)曲線

圖5彎曲試驗對傳感性影響

具體實施方式

實施例1

(1)以體積比為3：1的分析純濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)68％)及分析純濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98％)混合液作為酸化液體，在單壁碳納米管中引入羧基基團(tuán)，在110℃下攪拌90min，在高速離心機9500rad/min中離心，濾去上清液，調(diào)節(jié)碳管ph至中性，平鋪50℃下蒸干水分，得到單壁羧基功能化碳管薄膜。采用氧化鋅作為靶材，濺射氣壓為1pa，靶基距7cm，濺射功率50w，氬氣流量40sccm，室溫條件下制得碳納米管氧化鋅復(fù)合材料，厚度為200nm。在該材料上噴涂10μl(濃度35mg/ml)葡萄糖氧化酶，用作傳感材料，所用傳感材料與微溝道大小相同；

(2)將厚度為100μm柔性pi基底在氧等離子體處理，具體參數(shù)：真空度0.1pa，工作氣壓20pa，工作氣體o2，流量20sccm，射頻功率60w，室溫處理5min，使柔性基底與液體接觸角小于5°，在預(yù)處理襯底上懸涂厚度1μm環(huán)氧樹脂；隨后裁剪成1×1cm²方片，制得柔性基底，導(dǎo)入1中所制傳感材料。

(3)設(shè)計如圖1光刻模板，在處理的pi片子上通過紫外曝光做好電極模板，通過電子束蒸鍍鍍上間隔3μmti/au電極，紫外曝光參數(shù)：az5214膠110℃前烘3min,曝光1s，120℃后烘2min，曝光20s，顯影1min。電子束蒸鍍參數(shù)：真空度5×10^-6mbar，ti/au厚度分別為10/100nm。電極厚50nm，兩端電極通過壓焊或者銀膠引出電極引線。設(shè)計微溝道長度為1cm，寬度10μm，制得微溝道電極層，厚100nm。在溝道中導(dǎo)入步驟(1)制備的傳感材料。

(4)將厚度100μm，孔徑0.47μm的pvdf微孔耐磨層進(jìn)行表面氧等離子體處理增加親水性，具體參數(shù)：真空度0.1pa，工作氣壓20pa，工作氣體o2，流量20sccm，射頻功率60w，室溫處理5min。隨后裁剪成1×1cm²片子，貼裝在電極與傳感材料上方，制得離子透過親水耐磨層，使其與液體接觸角小于5°；

(5)pi柔性襯底可用在溫度低于300℃下使用，傳感器件對葡萄糖溶液敏感，響應(yīng)曲線接近線性，分別各取3μl濃度為3mmol/l、4mmol/l、5mmol/l、6mmol/l的葡萄糖溶液，測試其敏感性能。測試數(shù)據(jù)見圖3，響應(yīng)時間小于0.1s，并測試器件回復(fù)性，回復(fù)率大于90％。

實施例2

(1)以體積比為3：1的分析純濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)68％)及分析純濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98％)混合液作為酸化液體，在110℃下攪拌60min，在高速離心機9500rad/min中離心，濾去上清液，調(diào)節(jié)碳管ph至中性，平鋪50℃下蒸干水分，得到單壁羧基功能化碳管薄膜。靶材選用氧化鋅，濺射氣壓為1pa，靶基距5cm，濺射功率80w，氬氣流量30sccm，基片溫度溫度為室溫，濺射80min，制得碳納米管氧化鋅復(fù)合材料，厚度為100nm，在該材料上噴涂20μl(濃度25mg/ml)葡萄糖氧化酶，用作傳感材料，制得傳感材料與微溝道大小相同；

(2)將厚度為100μm柔性pi基底在氧等離子體處理，具體參數(shù)：真空度0.1pa，工作氣壓20pa，工作氣體o2，流量20sccm，射頻功率60w，室溫處理5min。使柔性基底與液體接觸角小于5°，在預(yù)處理襯底上懸涂厚度1μm環(huán)氧樹脂；隨后裁剪成1×1cm²方片，制得柔性基底。

(3)設(shè)計如圖1光刻模板，在處理的pi片子上通過紫外曝光做好電極模板，通過電子束蒸鍍鍍上間隔6μmti/au電極，紫外曝光參數(shù)：az5214膠110℃前烘5min,曝光1s，120℃后烘2min，曝光20s，顯影1min。電子束蒸鍍參數(shù)：真空度5×10^-6mbar，ti/au厚度分別為10/100nm。電極厚150nm，兩端電極通過壓焊或者銀膠引出電極引線。設(shè)計微溝道長度為2cm，寬度80μm，制得微溝道電極層。在溝道中導(dǎo)入步驟(1)制備的傳感材料。

(4)將厚度100μm，孔徑0.47μm的pvdf微孔耐磨層進(jìn)行表面氧等離子體處理增加親水性，具體參數(shù)：真空度0.1pa，工作氣壓20pa，工作氣體o2，流量20sccm，射頻功率60w，室溫處理5min。隨后裁剪成1×1cm²片子，貼裝在電極與傳感材料上方，制得離子透過親水耐磨層，使其與液體接觸角小于5°；

(5)pi襯底可在300℃以下使用，傳感器件對葡萄糖溶液敏感，響應(yīng)曲線接近線性，分別各取3μl濃度為2mmol/l、4mmol/l、6mmol/l、8mmol/l的葡萄糖溶液，測試其敏感性能。測試數(shù)據(jù)見圖4，響應(yīng)時間小于0.1s，并測試器件回復(fù)性，回復(fù)率大于90％。