專利名稱：一種非介入式葡萄糖傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種用于檢測體液中的葡萄糖水平的非介入式葡萄糖傳感器。
背景技術：
薄膜晶體管已經(jīng)被認為是用于高度靈敏的一次性生物傳感器的優(yōu)秀換能器(transducer)。由于基于有機薄膜晶體管(OTFT)的傳感器制造容易且成本低，近來已經(jīng)引起極大關注。有機電化學晶體管(OECT)是引起關注的ー類0TFT，并且由于其工作電壓低、結(jié)構(gòu)簡單以及具有對生物應用來說至關重要的在水相環(huán)境中工作的能力而為傳感器的應用受到了廣泛研究。在1984年報道了首個基于聚吡咯的0ECT，這是OTFT領域中的新方向。從那以后，研究了基于若干不同導電聚合物的0ECT，并且OECT已經(jīng)表現(xiàn)出了化學和生物感測的廣泛應用，包括濕度傳感器、PH和離子傳感器、葡萄糖傳感器和基于細胞的生物傳 感器。導電聚合物PED0T:PSS由于其高導電性和溶液處理性而在有機電子裝置(包括有機太陽能電池、有機發(fā)光二極管和0TFT)中具有非常重要的應用。近來，PED0T:PSS已經(jīng)成功地用作OECT的活性層，并且這種裝置由于其生物兼容性和在水相環(huán)境中的穩(wěn)定性而在各種應用中特別是在生物傳感器應用中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。在糖尿病診斷中非常期望高度靈敏的葡萄糖傳感器。已經(jīng)報道了在葡萄糖傳感器中應用基于PEDOT:PSS的OECT。對于這些傳感器來說，在測量過程中將酶(葡萄糖氧化酶)和葡萄糖一起混合在水溶液中，而不對OECT的柵極和活性層進行任何表面改性。這種類型的葡萄糖傳感器的檢測極限為大約幾個μ M，其靈敏度足以用來測量人體唾液中的葡萄糖水平。因此，這些裝置的應用成本較低，并且可以進行非介入式血液葡萄糖監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面，提供了ー種用于檢測體液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖傳感器，所述傳感器包括具有柵電極的有機電化學晶體管(OECT)；其中，所述柵電極的表面使用酶和納米材料進行改性以增加所述柵電極的敏感性和選擇性。所述柵電極可以是Pt柵電扱。所述酶可以是葡萄糖氧化酶(GOx)。所述納米材料可以是選自由多壁碳納米管(MWCNT)和鉬納米顆粒(Pt-NP)組成的組中的任意ー種。所述體液可以是選自由唾液、組織液、汗液和房水組成的組中的任意ー種。所述柵電極可以由 MWCNT-CHIΤ/GOx/Pt 或 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 組成。在第二方面，提供了一種制造用于檢測體液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖傳感器的方法，所述方法包括將葡萄糖氧化酶(GOx)磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)溶液滴涂在基板的表面上以形成GOx/Pt電極；和在所述GOx PBS溶液在所述基板的所述表面上干燥以后，將納米材料脫こ酰殼多糖(CHIT)雜化(hybrid)水溶液滴涂在所述GOx/Pt電極的表面上。在本發(fā)明的第三方面，提供了用于檢測體液中的葡萄糖的量的方法，所述方法包括
通過葡萄糖氧化酶(GOx)對D-葡萄糖進行生物催化以生成過氧化氫(H2O2)和D-葡萄糖酸-1，5-內(nèi)酷；在柵電極的表面處對所生成的H2O2進行電氧化；其中，所述柵電極的所述表面使用酶和納米材料進行改性。在第四方面，提供了一種用于非侵入式葡萄糖傳感器的柵電極，所述柵電極包括使用酶和納米材料進行改性以提高所述柵電極的敏感性和選擇性的表面。本發(fā)明通過使用酶和納米材料對OECT的柵電極進行改性來提供ー種新型的基于OECT的葡萄糖傳感器。所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)并且所述納米材料包括碳納米管(CNT)或鉬納米顆粒(Pt-NP)。這樣的傳感器在裝置性能方面顯示出顯著的改進。而且，在使用這樣的傳感器的時候，不需要如現(xiàn)有技術所要求的那樣向葡萄糖溶液中添加酶，這將更加方便于實際使用。CNT已經(jīng)廣泛應用于很多類型的傳感器中。CNT由于其具有納米尺寸、良好的電子催化性能以及對生物分子固定容量，因此對用于生物傳感器和納米生物電子學的納米結(jié)構(gòu)電極的總體效果極為重要。Pt-NP由于具有良好的生物相容性和巨大的表面積，因此作為用于酶固定的基質(zhì)非常有效。Pt-NP提高了固定效率并保持了 GOx的生物活性，因此顯著增強了傳感器的選擇性。而且，Pt-NP對過氧化氫(H2O2)具有優(yōu)異的電催化活性，而過氧化氫對基于H2O2檢測的葡萄糖傳感器是關鍵的。用于對酶電極進行改性的另ー種重要材料是脫こ酰殼多糖(CHIT)，其是ー種生物相容性聚合物基質(zhì)。CHIT展示出良好的成膜能力、高的透水性和對化學改性的易感性，能夠非共價地與CNT結(jié)合從而形成生物相容性碳納米管雜化水性懸浮液。CNT或Pt-NP與CHIT的結(jié)合已經(jīng)被用于改善基于OECT的葡萄糖傳感器的性倉^:。在本發(fā)明中，在固定GOx之前，使用多壁碳納米管(MWCNT)-CHIT雜化物和電子沉積Pt-NP來對Pt電極的表面進行改性。然后，使用MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt和CHIT/G0x/Pt_NP/Pt電極作為基于PEDOT:PSS的OECT的柵電極。有利的是，通過使用這些柵電極可以極大地提高裝置的敏感性，并且與現(xiàn)有的柵電極相比，檢測極限擴大了超過三個量級。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實施例，在附圖中圖I是基于PED0T:PSS的OECT葡萄糖傳感器的裝置結(jié)構(gòu)(上面)和通過基于PEDOT:PSS的OECT對葡萄糖進行的測定中包括的生物催化反應循環(huán)(下面)的示意圖；圖2 是 MWCNT 的 TEM 圖像；圖3是Pt基板的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像的TEM圖像；圖4是Pt-NP改性的Pt電極的TEM圖像，其中Pt-NP的電沉積時間為30秒；
圖5是Pt-NP改性的Pt電極的TEM圖像，其中Pt-NP的電沉積時間為60秒；圖6是Pt-NP改性的Pt電極的TEM圖像，其中Pt-NP的電沉積時間為90秒；
圖7是Pt-NP改性的Pt電極的TEM圖像，其中Pt-NP的電沉積時間為120秒；圖8是一曲線圖，該曲線圖描繪了在含有5mM[Fe(CN)6]3_/4_的氧化還原探測劑(redox probe)的 PBS(pH7. 2)溶液中測量的 MWCNT-CHIT/Pt (I)，Pt-NP/Pt (II)和 Pt(III)電極的循環(huán)伏安圖，并且CV掃描率為δΟπιν^Γ1，Pt-NP的沉積時間為60秒；
圖9是描繪出了在PBS溶液中以不同頻率表征的三個電極的表面電容的曲線圖，其中每個電極的面積為O. 25cm2 ；圖10是描繪了增加MWCNT-CHIT雜化懸浮液的體積的影響的曲線圖；圖11 是描繪了 使用 MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt 和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 柵電極的情況下Pt-NP電子沉積時間對針對葡萄糖添加的經(jīng)歸ー化的電流響應的影響的曲線圖，其中葡萄糖濃度為(A)，I μ M ; (B)，0. 05 μ M并且所施加的Vg為O. 4V ;圖12 是描繪了 使用 MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt ⑷和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt ⑶柵電極的情況下所施加的柵電壓(\)對針對葡萄糖添加(葡萄糖的濃度為100 μ M)的經(jīng)歸ー化的電流響應的影響的曲線圖；圖13 是描繪了使用 MWCNT-CHIT/G0x/Pt (A)和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt (B)柵電極的情況下所施加的柵電壓(\)對針對葡萄糖添加(葡萄糖的濃度為0.5 μ M)的經(jīng)歸ー化的電流響應的影響的曲線圖；圖14是描繪了使用MWCNT-CHIT/Pt和Pt (插圖)的PEDOT:PSS裝置的典型Id與時間曲線的曲線圖，其中Pt-NP/Pt柵電極響應在PBS(pH7. 2)溶液中的H202。Ve固定為0. 4V。H2O2 添カロ :a 至 e 0. I μ M、I μ Μ、5 μ M、10 μ M 和 100 μ M ;圖15是描繪了使用MWCNT-CHIT/Pt和Pt (插圖)的PEDOT:PSS裝置的典型Id與時間曲線的曲線圖，其中Pt-NP/Pt柵電極響應在PBS(pH7. 2)溶液中的H202。Ve固定為0. 4V。H2O2 添加:a 至 e 0. 005 μ Μ、0· 05 μ Μ、0· 5 μ Μ、5 μ M 和 10 μ M ;圖16 是描繪針對 Pt (線 I) ,MWCNT-CHIT/Pt (線 II)和 Pt-NP/Pt (線 III)，Λ Vgeff對log[H202]的濃度的相關性的曲線圖。圖17是描繪使用MWCNT-CHIT/G0x/Pt柵電極的PEDOT: PSS裝置的典型Id與Ve曲線的曲線圖，其中所述裝置在空白⑴和100 μ M葡萄糖(II)PBS(pH7. 2)溶液中表征。圖18是描繪使用MWCNT-CHIT/G0x/Pt柵電極并添加葡萄糖(a至e :0. 5 μ M、I μ M、10 μ Μ、100 μ M和ImM)的PEDOT:PSS裝置的典型Id與時間曲線的曲線圖；圖19是描繪使用CHIT/GOx/Pt-NP/Pt柵電極的PEDOT: PSS裝置的典型Id與Vc曲線的曲線圖，其中所述裝置在空白⑴和100 μ M葡萄糖(II)PBS(pH7. 2)溶液中表征。圖20是描繪使用CHIT/GOx/Pt-NP/Pt柵電極并添加葡萄糖(a至d :0. 005 μ Μ、0.054皿、0.54皿和5“皿)的PEDOT:PSS裝置的典型Id與時間曲線的曲線圖；圖21是描繪使用CHIT/GOx/Pt柵電極的PED0T:PSS裝置的典型Id與Ve曲線的曲線圖，其中所述裝置在空白(I)和100 μ M葡萄糖(II)PBS(pH7. 2)溶液中表征。圖22是描繪使用CHIT/G0x/Pt柵電極并添加葡萄糖(a至e :0. 5 μ M、I μ M、10 μ M、100 μ M和ImM)的PEDOT:PSS裝置的典型Id與時間曲線的曲線圖；圖23 是描繪針對 CHIT/GOx/Pt (線 I), MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt (線 II)和 CHIT/G0x/Pt-NP/Pt (線III)柵電極，Λ V/ff和經(jīng)歸ー化的電流響應的相關性的曲線圖；圖24 是描繪針對 CHIT/GOx/Pt (線 I), MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt (線 II)和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt (線III)柵電極，AVgeff作為的函數(shù)的相關性的曲線圖；圖25是描繪MWCNT-CHIT/GOx/Pt電極針對葡萄糖添加的安培計響應的曲線圖，葡萄糖添加如下a至f :1μΜ、10μΜ、20μΜ、40μΜ、100μΜ和200 μ Μ，并且所施加的電位為0. 4V(Ag/AgCl);和圖26是描繪CHIT/GOx/Pt-NP/Pt (B)電極的安培計響應的曲線圖，其中添加葡萄糖，葡萄糖添加如下a至h :0. 005,0. 05,0. 5、5、10、100、100和500 μ Μ，并且所施加的電位為 O. 4V(Ag/AgCl)。
具體實施方式
參考圖1，提供了基于有機電化學晶體管(OECT)的具有PED0T:PSS 33的活化層的葡萄糖傳感器。使用玻璃片30作為用于制造傳感器10的基板。采用熱蒸發(fā)通過陰影掩模在玻璃基板30的表面上沉積圖案化Au/Cr源電極31和漏電極32。使用厚度為約5nm的Cr薄層作為用于厚度為約50nm的Au膜的粘合層。然后在玻璃基板的頂部旋涂厚度為約80nm的PED0T:PSS層33并在源電極31和漏電極32上圖案化，再在200°C在充填高純度N2的手套箱中退火I小吋。PED0T:PSS薄膜33能夠使得裝置10以低成本制造。OECT裝置10的通道長度和寬度分別為0. 2mm和6mm。表觀表面積為0. 20cm2的MWCNT-CHIT/G0x/Pt、CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 或 CHIT/GOx/Pt 電極用作 OECT 10 的柵電極 20。對于MWCNT-CHI T/GOx/Pt柵電極20A的制備，使用移液器在各Pt基板21的表面上滴涂體積為20 μ L的葡萄糖氧化酶(GOx)磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)溶液并在4°C干燥。只有GOx被固定在柵電極20A上。為了保持所固定的GOx分子并改善酶電極的性能，在GOx/Pt電極的表面上滴涂10 μ L的MWCNT-CHIT雜化水性懸浮液。在CHIT膜22形成后，使用去離子水將MWCNT-CHI T/GOx/Pt柵電極20A徹底漂洗并在4°C保存以待后用。對于CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 柵電極 20B 的制備，首先在 5mM H2PtCl6+0. 05M HCl 水溶液中將Pt-NP電沉積在經(jīng)漂洗的Pt基板21上。電沉積電位固定為-0. 3V(Ag/AgCl)，并且沉積時間分別選擇為30秒、60秒、90秒和120秒。使用去離子水仔細漂洗后，使用針對MWCNT-CHI T/GOx/Pt柵電極20A所述的相同方法制造CHIT/GOx/Pt-NP/Pt柵電極20B。為了比較，還通過以上相同的程序制造了 CHIT/GOx/Pt柵電極20B。參考圖1，0ECT裝置10的特征在于使用在充填有PBS(pH 7. 2)的小杯中的半導體參數(shù)分析器。使用MWCNT-CHI T/GOx/Pt電極20A或CHIT/GOx/Pt-NP/Pt電極20B作為柵電極20。測量前，將這樣制得的所有柵電極20浸入在PBS (pH7. 2)中15分鐘以去除多余的殘留物。在固定的VD = -0.2V和恒定柵電壓或可變的不同柵電壓對OECT裝置10進行檢測。在圖I中顯示了通過基于PED0T:PSS的OECT進行的葡萄糖測定的工作原理。所添加的D-葡萄糖被GOx所生物催化并反應生成H2O2和D-葡萄糖酸-1，5-內(nèi)酷。同時，所生成的H2O2在柵電極20處被電氧化。使用CHI660B電化學工作站在被攪拌的PBS (pH7. 2)溶液中表征不同柵電極20的電化學性能。測量時，分別使用Pt箔和Ag/AgCl電極作為反電極和參比電極。所有實驗都是在室溫進行。通過在含有5mM[Fe(CN)6]3_/4_氧化還原探測劑的PBS(pH7. 2)中通過循環(huán)伏安法(cyclic voltammetry,CV)研究 MWCNT-CHIT/Pt 柵電極 20A 和 Pt-NP/Pt 柵電極 20B，所述探測劑通常用來表征電極20A、20B的表面特征。在PBS中的電極20A、20B的表面電容的特征在于在O. IHz的頻率使用具有標準三電極系統(tǒng)的電阻分析器。所施加的交流信號(ac signal)的幅度為50mV。圖2顯示了 MWCNT和Pt-NP的形態(tài)。MWCNT的直徑為IOnm至40nm。Pt-NP成功地電沉積在Pt基板的表面上，分布相對均勻。Pt-NP的平均尺寸為約100nm(圖4，沉積時間為30s (秒))。采用較長的60秒的沉積時間，Pt-NP的尺寸沒有明顯的變化，但是顆粒密度増加(圖4)。進ー步延長沉積時間，導致Pt-NP生長成片料(圖5至7)。圖8顯示了具有相同尺寸的MWCNT-CHIT/Pt柵電極20A (線I)、Pt-NP/Pt柵電極20B(線II)和Pt柵電極(線III)的電化學性能。前兩個柵電極20A、20B具有非常相似的氧化還原電流密度，而第三個柵電極顯示出較低的值，表明MWCNT-CHIT/Pt柵電極20A和Pt-NP/Pt柵電極20B比Pt扁平電極具有較大的活性表面積。圖9顯示了這三種電極在PBS 溶液在零偏壓表征的電容。由于在低頻率(小于IHz)的電容大致與電極的表面積成比例，因此Pt-NP/Pt柵電極20B的表面積大約為其幾何尺寸的兩倍，而MWCNT-CHIT/Pt柵電極20A的表面積大約為幾何尺寸的50倍。OECT 10的作為柵電壓Ve的函數(shù)的通道電流Ids由如下方程得到
權(quán)利要求
1.一種用于檢測體液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖傳感器，所述傳感器包括 具有柵電極的有機電化學晶體管(OECT)； 其中，所述柵電極的表面使用酶和納米材料進行改性以增加所述柵電極的敏感性和選擇性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述柵電極可以是Pt柵電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述納米材料是選自由多壁碳納米管(MWCNT)和鉬納米顆粒(Pt-NP)組成的組中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述體液是選自由唾液、組織液、汗液和房水組成的組中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述柵電極由MWCNT-CHIT/GOx/Pt或CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 構(gòu)成。
7.—種制造用于檢測體液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖傳感器的方法，所述方法包括 將葡萄糖氧化酶(GOx)磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)溶液滴涂在基板的表面上以形成GOx/Pt電極；和 在所述GOx PBS溶液在所述基板的所述表面上干燥以后，將納米材料脫乙酰殼多糖(CHIT)雜化水溶液滴涂在所述GOx/Pt電極的表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述納米材料是選自由多壁碳納米管(MWCNT)和鉬納米顆粒(Pt-NP)組成的組中的任意一種。
9.一種檢測體液中的葡萄糖的量的方法，所述方法包括 通過葡萄糖氧化酶(GOx)對D-葡萄糖進行生物催化以生成過氧化氫(H2O2)和D-葡萄糖酸-1，5-內(nèi)酯； 在柵電極的表面對所生成的H2O2進行電氧化； 其中，所述柵電極的所述表面使用酶和納米材料進行改性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述納米材料是選自由多壁碳納米管(MWCNT)和鉬納米顆粒(Pt-NP)組成的組中的任意一種。
12.一種用于非侵入式葡萄糖傳感器的柵電極，所述柵電極包括 使用酶和納米材料進行改性以提高所述柵電極的敏感性和選擇性的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的柵電極，其中，所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的柵電極，其中，所述納米材料是選自由多壁碳納米管(MWCNT)和鉬納米顆粒(Pt-NP)組成的組中的任意一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的柵電極，其中，所述柵電極由MWCNT-CHIT/GOx/Pt或CHIT/G0x/Pt-NP/Pt 構(gòu)成。
全文摘要
一種用于檢測體液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖傳感器(10)，所述傳感器包括具有柵電極(20)的有機電化學晶體管(OECT)；其中，所述柵電極(20)的表面使用酶和納米材料進行改性以增加所述柵電極(20)的敏感性和選擇性。
文檔編號G01N27/327GK102735734SQ20121008882
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者嚴鋒, 唐浩, 陳王麗華 申請人:香港理工大學