一种电致变色传感器阵列及其制备、使用方法技术

本发明专利技术公开了一种电致变色传感器阵列及其制备方法，并成功将此传感器阵列应用于乳酸检测。该传感器阵列包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分，传感部分包含传感电极和样品反应池，传感电极的工作电极上修饰有普鲁士蓝点，样品反应池的阴极反应区和阳极反应区分别包含由纸构成的基底以及检测试剂，阴极反应区中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，阳极反应区的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液。乳酸检测时，根据待测乳酸浓度的不同，指示点阵列变色的个数不同。可以通过裸眼观察指示点变色的个数来判断乳酸的浓度。该传感器阵列制备简单，使用方便，无需检测电路，可通过肉眼直接观测反应结果，具有很好的应用价值。

Electrochromic sensor array and preparation and use method thereof

The invention discloses an electrochromic sensor array and a preparation method thereof, and the sensor array is successfully applied to the detection of lactic acid. The sensor array includes a plurality of sensors, each sensor includes a battery part and the sensing part, sensing part contains the sensing electrode and the sample reaction tank, the working electrode on the sensing electrode modified with Prussian blue, cathodic reaction region and anode reaction zone sample reaction pool includes a base and a kit which is made from paper, kit the cathode in the reaction zone as a buffer solution containing lactic acid oxidase, kit anodic reaction zone for buffer solution containing potassium ferricyanide. When lactic acid is detected, the number of color changes in the indicator array varies according to the lactic acid concentration to be measured. The concentration of lactic acid can be determined by the number of naked eyes to observe the color change of the indicator. The sensor array has the advantages of simple preparation, convenient use, no detection circuit, and direct observation of the reaction result through the naked eye, and has good application value.

【技术实现步骤摘要】
一种电致变色传感器阵列及其制备、使用方法
本专利技术属于电化学检测分析领域，尤其涉及一种基于裸眼检测的电致变色传感器阵列及其制备方法，并用于乳酸的半定量检测。
技术介绍
2007年，哈佛大学的Whiteside课题组首次提出纸芯片实验室的概念，即把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本单元集成在纸上完成。由于纸芯片实验室具有成本低、制备方法简单(利用简单的打印技术，且无需无尘室等苛刻条件)、操作简单(无需外加设备，如泵等)、使用后可任意处理等优点，受到人们的广泛关注。目前，建立在纸芯片技术平台上的分析方法主要分为两类，一类是定性分析方法如比色法，这类方法只能给出“是/否”的信号响应，且比色法灵敏度较低，选择性较差；另一类是定量分析方法如电化学检测法，是将生物信号通过氧化还原反应转换成电信号，这类方法检测灵敏度高，响应速度快，但是需要专门的检测仪器进行结果的检测，增加了检测的复杂性及成本，且影响了纸芯片的便携性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对目前纸芯片技术在分析方法中应用存在的问题，提供一种灵敏度高、选择性好、成本低廉、使用简便的电致变色传感器阵列，该电致变色传感器阵列可成功应用于乳酸检测。同时，本专利技术提供了制备和使用该电致变色传感器阵列的方法。该传感器阵列结合了定性检测和定量检测的优点，制备简单，使用方便，无需检测电路，可通过肉眼直接观测反应结果，具有很好的应用价值。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供了一种电致变色传感器阵列，其包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分；传感部分包含传感电极和样品反应池；传感电极包含工作电极和参比电极，工作电极上修饰有普鲁士蓝点；样品反应池包含阴极反应区和阳极反应区，阴极反应区和阳极反应区分别由纸构成并通过Nafion膜隔开，所述阴极反应区和阳极反应区内分别装有检测试剂，所述阴极反应区中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，所述阳极反应区中的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液。由于ITO薄膜具有高导电率，适合作为电极材料，且具有高透光性便于观察，可弯曲性适合与纸传感器进行结合，同时成本低廉，因此传感电极均选用ITO薄膜电极。为了降低成本，提高电致变色响应灵敏度，使阴极反应区的检测试剂为含有250U乳酸氧化酶的0.01M磷酸缓冲盐溶液，pH7.4，使阳极反应区的检测试剂为含有500mM铁氰化钾的0.01M磷酸缓冲盐溶液，pH7.4。为了提高传感芯片的集成度，本专利技术将电池直接与传感部分集成在一起。基于纸的金属氧电池已有很多研究，本专利技术选择铝作为金属材料，制出铝氧电池，其输出电压在1V左右，适合后续传感检测的需求，且铝成本低廉，便于获取。铝氧电池的正极采用印刷油墨，其正极与参比电极在同一片ITO薄膜的导电侧；铝氧电池的负极采用铝箔材料，其负极与所述工作电极在同一片ITO薄膜的导电侧；正极和负极通过纸隔开。本专利技术的另一个方面提供了一种电致变色传感器阵列的制备方法，其包括以下步骤：1)将两个矩形ITO薄膜分别切割成梳状；取一个经切割的ITO薄膜，将梳齿部作为参比电极，将梳齿部一端相互连接的梳柄部涂覆电池正极材料形成正极；取另一个经切割的ITO薄膜，梳齿部作为工作电极，并将梳齿部一端相互连接的梳柄部覆盖电池负极材料作为负极；2)在工作电极的导电侧修饰普鲁士蓝点；3)依次层叠设置阴极反应区、Nafion膜和阳极反应区，形成中间层，将所述中间层设置为与所述工作电极和参比电极相同的形状，形成样品反应池，所述中间层设置在工作电极和参比电极之间，所述阴极反应区与所述工作电极相互重合，所述阳极反应区与所述参比电极相互重合；4)正极和负极之间通过纸隔开，纸形状大于正极和负极；5)在阴极反应区滴加含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，常温避光阴干；在阳极反应区滴加含有铁氰化钾的缓冲溶液，常温避光阴干；6)取标准浓度梯度的乳酸溶液，依次吸入步骤5)得到的传感器阵列的样品反应池，常温阴干，形成预置溶液区；7)取不同已知浓度的乳酸溶液，分别用步骤6)得到的形成有预置溶液区的传感器阵列进行检测，得到待测乳酸溶液浓度与普鲁士蓝点变色情况的对应关系，所述不同已知浓度的乳酸溶液浓度分别为0，4，8，12，16，20mM。为了降低成本，提高电致变色响应灵敏度，将普鲁士蓝点采用电沉积方法修饰在工作电极表面；使电沉积采用的沉积液pH为2.0，沉积液包含10mM氯化铁、10mM铁氰化钾和2.6mM盐酸。正常情况下人体汗液乳酸浓度在2mM以下，当大量运动后汗液乳酸浓度能达到20mM，为了使乳酸检测范围在0～20mM，且结合传感器阵列中传感器的个数，将乳酸检测的区分度设置为4mM，因此使步骤6)浓度梯度为0，4，8，12，16，20mM。本专利技术的又一个方面提供了一种电致变色传感器阵列的使用方法，1)吸取饱和氯化钠溶液进入所述电池部分，使电池正负极导通；2)取待测乳酸溶液进入所述样品反应池，使样品反应池内开始进行氧化还原反应；3)反应一段时间后，观察普鲁士蓝点的颜色变化，根据变色的普鲁士蓝点的个数即可获知待测乳酸溶液的浓度。有益效果：本专利技术提供的电致变色传感器阵列，将生物信号转换为裸眼可直接识别的颜色变化用于半定量检测，检测过程简单快速，无需专业人员操作，无需外部供能，无需额外检测设备，芯片易于制备、可量产制备，价格低廉并具有很好的实用性。本专利技术中涉及的基于裸眼检测的电致变色传感器阵列的研制方法与现有技术相比具有以下优点：1、制备简单，价格低廉；2、操作简便，适合非专业人士使用；3、无需外部供电，传感器阵列自带铝氧电池，使用方便；4、无需额外检测装置，裸眼直接识别进行半定量检测；5、检测快速：检测时间控制在1分钟之内，能够满足现场检测的需求。附图说明图1为本专利技术的传感器阵列的各层剖面结构示意图；图2A-2C为形成预置溶液区的传感器阵列检测不同浓度的乳酸溶液时，普鲁士蓝点的变色情况示意图；其中，图2A为未加入待测乳酸溶液时传感器阵列的整体示意图，图2B为加入10mM乳酸溶液时传感器阵列中普鲁士蓝点的变色情况示意图，图2C为加入1mM乳酸溶液时传感器阵列中普鲁士蓝点的变色情况示意图；图3为不同浓度的待测乳酸溶液加入传感器阵列中普鲁士蓝点变色的结果图；图4为乳酸溶液浓度与普鲁士蓝点变色的个数的对应关系曲线。图5为用6mM乳酸溶液对本专利技术的传感器阵列的重复性进行测试结果。1、工作电极；2、参比电极；3、普鲁士蓝点；4、电池正极；5、电池负极；6、电池分隔纸；7、阴极反应区；8、Nafion膜；9、阳极反应区；10、预置溶液区。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。实施例1基于裸眼检测的电致变色传感器阵列一种基于裸眼检测的电致变色传感器阵列，由6个传感器构成，每个传感器都包含两部分：电池部分和传感部分。如图1所示，传感部分包括ITO电极和样品反应池。ITO电极包含工作电极1和参比电极2，它们都采用ITO薄膜材料，其中工作电极上修饰有普鲁士蓝点3作为指示剂。普鲁士蓝点3的直径是1.12mm，采用电沉积方法修饰在工作电极1表面，沉积方法采用的沉积液是60μL溶液，pH2.0，所述溶液包含10mM氯化铁、10mM铁氰化钾和2.6mM盐酸。样品反应池包括阴极反应区7和阳极反应区9，且阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电致变色传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分；所述传感部分包含传感电极和样品反应池；所述传感电极包含工作电极(1)和参比电极(2)，所述工作电极(1)上修饰有普鲁士蓝点(3)；所述样品反应池包含阴极反应区(7)和阳极反应区(9)，所述阴极反应区(7)和阳极反应区(9)分别由纸构成并通过Nafion膜(8)隔开，所述阴极反应区(7)和阳极反应区(9)内分别装有检测试剂，所述阴极反应区(7)中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，所述阳极反应区(9)中的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液。

【技术特征摘要】
1.一种电致变色传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分；所述传感部分包含传感电极和样品反应池；所述传感电极包含工作电极(1)和参比电极(2)，所述工作电极(1)上修饰有普鲁士蓝点(3)；所述样品反应池包含阴极反应区(7)和阳极反应区(9)，所述阴极反应区(7)和阳极反应区(9)分别由纸构成并通过Nafion膜(8)隔开，所述阴极反应区(7)和阳极反应区(9)内分别装有检测试剂，所述阴极反应区(7)中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，所述阳极反应区(9)中的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液。2.根据权利要求1所述的电致变色传感器阵列，其特征在于，所述工作电极(1)和参比电极(2)均采用ITO薄膜电极。3.根据权利要求1所述的电致变色传感器阵列，其特征在于，所述含有乳酸氧化酶的缓冲溶液为含有250U乳酸氧化酶的0.01M磷酸缓冲盐溶液，pH在7.0～7.5范围内。4.根据权利要求1所述的电致变色传感器阵列，其特征在于，所述含有铁氰化钾的缓冲溶液为含有500mM铁氰化钾的0.01M磷酸缓冲盐溶液，pH在7.0～7.5范围内。5.根据权利要求1所述的电致变色传感器阵列，其特征在于，所述电池为铝氧电池，所述铝氧电池的正极(4)采用印刷油墨，所述正极(4)与所述参比电极(2)在同一片ITO薄膜的导电侧；所述铝氧电池的负极(5)采用铝箔材料，所述负极(5)与所述工作电极(1)在同一片ITO薄膜的导电侧；所述正极(4)和负极(5)通过纸(6)隔开。6.权利要求1～5任一项所述的电致变色传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将两个ITO薄膜分别切割成梳状；取一个经切割的ITO薄膜，将梳齿部作为参比电极(2)，将梳齿部一端相互连接的梳柄部涂覆电池正极材料形成正极(4)；取另一个经切割的ITO薄膜，梳齿部作为工作电极(1)，将梳齿部一端相互连接的梳柄部覆盖电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，张凤玲，蔡天一，马良，詹李源，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32