基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器，包括位于基底之上的工作电极传导层，覆盖工作电极传导层一端的工作电极层和工作电极绝缘层，位于工作电极层之上且尺寸不大于工作电极层的导电聚合物层，位于导电聚合物层之上且尺寸不大于导电聚合物层的导电聚合物与生物活性酶混合层，以及全覆盖导电聚合物与生物活性酶混合层的半渗透膜层；工作电极绝缘层位于工作电极层的周边并在工作电极层与工作电极传导层的交界处作为上层与工作电极层部分重叠；该传感器以可喷墨印刷的导电聚合物为载体，通过引入不同的生物活性酶来实现对不同目标分子的高精度选择性检测，同时，采用丝网印刷和喷墨印刷技术通过全印刷实现了传感器的快速低成本加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器
，涉及一种高精度纳米传感器及其制备方法。
技术介绍
目前世界上大多数国家都面临老龄化的威胁，引起广泛注意的环境方面的立法以及快速发展的基因技术都对廉价的便携式传感器有着极大的需求，这种日益增长的需求也意味着一个潜力巨大的市场。可印刷的化学传感器和生物传感器由于其制备简单、重复性好、成本低廉，被认为是未来传感器发展的一个重要方向。同时，近年来随着科技的发展，以导电聚合物为载体的生物、环境传感器也日益受到重视。原因主要在于，电生物分子的氧化还原过程中，电子可以在生物分子和导电聚合物之间进行传导，而这种电子传导的过程可以被简单的电化学手段(例如循环伏安法和电流时间谱)所监测，且导电聚合物的存在避免了生物酶在电极上的流失。因此，一批针对双氧水、葡萄糖、乳酸、胆固醇等以导电聚合物为载体的生物、环境传感器相继被研究并报道。但这些传感器大都以电化学方法合成，局限于实验室规模，并不适用于工业化大规模生产。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于导电聚合物的生物及环境传感器的制备方法，操作便捷，可控性强，制备成本低，适用于工业化大规模生产。为达到上述目的，经研究，本专利技术提供如下技术方案:1.基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器，包括基底、工作电极传导层、工作电极层、工作电极绝缘层、导电聚合物层、导电聚合物与生物活性酶混合层、以及半渗透膜层；所述工作电极传导层位于所述基底之上；所述工作电极层和所述工作电极绝缘层覆盖所述工作电极传导层的一端；所述工作电极绝缘层位于所述工作电极层的周边并作为上层与工作电极层部分重叠；所述导电聚合物层位于所述工作电极层之上且尺寸不大于工作电极层；所述导电聚合物与生物活性酶混合层为一层或多层，位于所述导电聚合物层之上且尺寸不大于导电聚合物层；所述半渗透膜层全覆盖所述导电聚合物与生物活性酶混合层。工作电极传导层的作用是作为连接测试仪器与工作电极的桥梁；工作电极绝缘层的作用是消除在检测过程中工作电极传导层对测试结果的影响；导电聚合物层的作用是降低工作电极层的表面粗糙度，促进导电聚合物与生物活性酶混合层与工作电极的结合；半渗透膜层的作用是阻止导电聚合物与生物活性酶混合层中水溶性的生物活性酶的流失。优选的，构成所述基底的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯或聚酰亚胺；构成所述工作电极传导层的材料为可印刷的金属材料，如金、银等；构成所述工作电极层的材料为碳；构成所述工作电极绝缘层的材料为绝缘介电聚合物；构成所述导电聚合物层的材料为可喷墨印刷的导电聚合物；构成所述导电聚合物与生物活性酶混合层的材料为可喷墨印刷的导电聚合物与生物活性酶；构成半渗透膜层的材料为水不溶性聚合物。更优选的，构成所述基底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET);构成所述工作电极传导层的材料为银；构成所述工作电极层的材料为碳；构成所述工作电极绝缘层的材料为绝缘介电聚合物；构成所述导电聚合物层的材料为可喷墨印刷的聚吡咯；构成所述导电聚合物与生物活性酶混合层的材料为可喷墨印刷的聚吡咯与生物活性酶；构成半渗透膜层的材料为乙基纤维素。2.基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器的制备方法，包括以下步骤:I)将构成工作电极传导层的材料溶液按照预设形状和位置通过丝网印刷印制在基底上，加热固化，制得工作电极传导层；2)将构成工作电极层的材料溶液按照预设形状和位置通过丝网印刷印制在工作电极传导层的一端，加热固化，制得工作电极层；3)将构成工作电极绝缘层的材料溶液按照预设形状和位置通过丝网印刷印制在工作电极层的周边并在工作电极层与工作电极传导层的交界处与工作电极层部分重叠，固化交联，制得工作电极绝缘层；4)将导电聚合物分散液按照预设形状和位置喷墨打印于工作电极层之上，干燥，制得导电聚合物层；5)将生物活性酶溶解于导电聚合物分散液中制得导电聚合物与生物活性酶混合溶液；将该混合溶液按照预设形状和位置喷墨打印于导电聚合物层之上，干燥，制得一层导电聚合物与生物活性酶混合层；重复所述喷墨打印和干燥操作多次，制得多层导电聚合物与生物活性酶混合层；6)将半渗透膜材料溶液按照预设形状和位置喷墨打印于导电聚合物与生物活性酶混合层之上并全覆盖导电聚合物与生物活性酶混合层，干燥，制得基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器。优选的，所述步骤4)中导电聚合物分散液为聚吡咯分散液，其制备方法如下:将吡咯单体分子、双子表面活性剂9BA-4-9BA和聚乙烯醇按照0.1M:0.00625M: 1.2wt%的比例于零摄氏度条件下在水中混合搅拌2小时，再用摩尔比为1:4的氯化铁与对甲基苯磺酸铁的混合溶液引发聚合反应，反应在零摄氏度条件下进行24小时后停止；所得分散液转入分子量为12，OOOMw的渗析袋中，在水中渗析48小时，每隔16小时换一次水，即获得聚吡咯分散液。本专利技术的有益效果:本专利技术传感器以可喷墨印刷的导电聚合物(例如聚吡咯)为载体，通过引入不同种类的生物活性酶(例如过氧化氢催化酶、葡萄糖氧化酶)，来实现对不同目标分子(例如双氧水、葡萄糖)的高精度选择性检测；同时，本专利技术采用丝网印刷和喷墨印刷技术制备传感器，通过全印刷实现了传感器的快速、低成本加工，可控性强，适用于工业化大规模生产。【附图说明】图1: (a)全印刷聚吡咯/生物活性酶传感器的结构示意图；(b)为(a)的A-A剖面视图；1为基底，2为工作电极传导层，3为工作电极层，4为工作电极绝缘层，5为导电聚合物层，6为导电聚合物与生物活性酶混合层，7为半渗透膜层；(c)使用丝网印刷技术在PET基底上印制工作电极传导层(银导线)、工作电极层(碳电极)和工作电极绝缘层后的照片。图2: (a)碳电极的表面SEM照片，比例尺为10微米；(b)碳电极的表面SEM照片，比例尺为I微米；(c)碳电极表面喷印一层聚吡咯薄膜后的SEM照片，比例尺为10微米；(d)碳电极表面喷印一层聚吡咯薄膜后的SEM照片，比例尺为I微米；(e)聚吡咯/生物活性酶薄膜表面的聚吡咯纳米颗粒SEM照片，比例尺为100纳米；(f)聚吡咯/生物活性酶薄膜中聚吡咯纳米颗粒包覆生物活性酶(HRP)的SEM照片，比例尺为100纳米。图3:(A) (a)碳电极在0.01M PBS中的循环伏安曲线；碳电极表面喷印一层聚吡咯薄膜后在(b) 0.01M PBS, (c) I μ M H2O2, (d) 10 μ M H2O2, (e) 0.1mM H2O2, (f) ImM H2O2 (H2O2溶液均以0.01M PBS为溶剂)中的循环伏安曲线；(B) —层喷墨印刷的聚吡咯/HRP传感器(HRP 浓度为 2.5mg/mL)在(a) 0.01M PBS, (b) I μ M H2O2, (c) 10 μ M H2O2, (d) 0.1mM H2O2,(e)ImMH2O2 (H2O2溶液均以0.01M PBS为溶剂)中的循环伏安曲线;以Ag/AgCl (3.0M NaCl)为参比电极测得，扫描速度为0.lV/s ； (C) 一层喷墨印刷的聚吡咯/HRP传感器的电流时间谱；(D)五层喷墨印刷的聚吡咯/HRP传感器的电流时间谱；测试电压为-0.2V ；a为开始滴加IO-5M H2O2处，b为开始滴加I本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器，其特征在于，包括基底、工作电极传导层、工作电极层、工作电极绝缘层、导电聚合物层、导电聚合物与生物活性酶混合层、以及半渗透膜层；所述工作电极传导层位于所述基底之上；所述工作电极层和所述工作电极绝缘层覆盖所述工作电极传导层的一端；所述工作电极绝缘层位于所述工作电极层的周边，并在工作电极层与工作电极传导层的交界处作为上层与工作电极层部分重叠；所述导电聚合物层位于所述工作电极层之上且尺寸不大于工作电极层；所述导电聚合物与生物活性酶混合层为一层或多层，位于所述导电聚合物层之上且尺寸不大于导电聚合物层；所述半渗透膜层全覆盖所述导电聚合物与生物活性酶混合层。

【技术特征摘要】
1.基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器，其特征在于，包括基底、工作电极传导层、工作电极层、工作电极绝缘层、导电聚合物层、导电聚合物与生物活性酶混合层、以及半渗透膜层；所述工作电极传导层位于所述基底之上；所述工作电极层和所述工作电极绝缘层覆盖所述工作电极传导层的一端；所述工作电极绝缘层位于所述工作电极层的周边，并在工作电极层与工作电极传导层的交界处作为上层与工作电极层部分重叠；所述导电聚合物层位于所述工作电极层之上且尺寸不大于工作电极层；所述导电聚合物与生物活性酶混合层为一层或多层，位于所述导电聚合物层之上且尺寸不大于导电聚合物层；所述半渗透膜层全覆盖所述导电聚合物与生物活性酶混合层。2.如权利要求1所述的基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器，其特征在于，构成所述基底的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯或聚酰亚胺；构成所述工作电极传导层的材料为可印刷的金属材料；构成所述工作电极层的材料为碳；构成所述工作电极绝缘层的材料为绝缘介电聚合物；构成所述导电聚合物层的材料为可喷墨印刷的导电聚合物；构成所述导电聚合物与生物活性酶混合层的材料为可喷墨印刷的导电聚合物与生物活性酶；构成半渗透膜层的材料为水不溶性聚合物。3.如权利要求2所述的基于导电聚合物的全印刷生物及环境传感器，其特征在于，构成所述基底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；构成所述工作电极传导层的材料为银；构成所述工作电极层的材料为碳；构成所述工作电极绝缘层的材料为绝缘介电聚合物；构成所述导电聚合物层的材料为可喷墨印刷的聚吡咯；构成所述导电聚合物与生物活性酶混合层的材料为可喷墨印刷的聚吡咯与生物活性酶；构成半渗透膜层的材料为乙基纤维素。4.权利要求1至3任一项所述的基于导电聚合物的全印刷生物及...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁博，李长明，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85