一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器及其制备方法，涉及柔性传感器领域。此制备方法柔性基底上设有检测电极组件，检测电极组件包括并列设置的工作电极和参比电极，二者平行且互不接触。工作电极与参比电极的两端分别为工作区和电极连接区，且二者的工作区位于同侧，工作电极和参比电极的中部均覆盖有绝缘层，以使二者各自的工作区和电极连接区彼此绝缘，工作电极工作区设有对氢离子敏感的负载金属纳米粒子的氮掺杂碳材料。此pH传感器的基底由柔性绝缘材料制成，灵敏度高、柔韧性好，且相比于玻璃电极，成本低，且制备条件简单，条件易控。

A flexible strip pH sensor for real-time detection of body fluids and its preparation method

The invention provides a flexible strip pH sensor capable of real-time detection of body fluids and a preparation method thereof, which relates to the field of flexible sensors. A detection electrode assembly is arranged on the flexible substrate of the preparation method, and the detection electrode assembly comprises a working electrode and a reference electrode arranged side by side, which are parallel and not in contact with each other. The two ends of the working electrode and the reference electrode are respectively the working area and the connecting area of the electrode. The working area of the two electrodes is located on the same side. The middle part of the working electrode and the reference electrode is covered with an insulating layer to insulate the working area and the connecting area of the two electrodes. The working area of the working electrode is equipped with nitrogen-doped carbon materials sensitive to hydrogen ions loaded metal nanoparticles. The base of this pH sensor is made of flexible insulating material. It has high sensitivity and good flexibility. Compared with glass electrode, it has low cost, simple preparation conditions and easy to control.

【技术实现步骤摘要】
一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器及其制备方法
本专利技术涉及柔性传感器领域，且特别涉及一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器及其制备方法。
技术介绍
体液的检测在医疗诊断中发挥巨大作用，其中，人体液的酸碱度(pH值)可反映多种生化信息。例如：伤口渗出物反应伤口溃烂程度，泪液反应泪道感染，唾液反应口腔卫生，汗液反应人体身体状况，尿液反应肾脏疾病。而且使用汗液、唾液和尿液等非侵入式的体液诊断可使患者更为舒适。因此，需要对体液进行准确和实时分析的pH传感器。然而，目前市售的pH传感器均采用玻璃电极，价格较贵且不具备柔性。因此，如果能制备出一种成本低、性能好、舒适感好且柔韧性高的pH传感器对体液的检测具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，此pH传感器的基底由柔性绝缘材料制成，电极线上涂覆有对氢离子敏感的负载金属纳米粒子的氮掺杂碳材料，灵敏度高、柔韧性好，且相比于玻璃电极，成本低。本专利技术的另一目的在于提供一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的制备方法，该制备方法材料简单易得，条件易控。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提供一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，柔性基底上设有检测电极组件，所述检测电极组件包括并列设置的工作电极和参比电极，二者平行且互不接触；所述工作电极与所述参比电极的两端分别为工作区和电极连接区，且二者的工作区位于同侧，所述工作电极和所述参比电极的中部均覆盖有绝缘层，以使二者各自的工作区和电极连接区彼此绝缘；所述工作电极工作区设有对氢离子敏感的负载金属纳米粒子的氮掺杂碳材料。进一步地，所述柔性基底为条带状，长度为1.5～5cm，宽度为0.5～1.5cm；所述工作电极和所述参比电极均为条状电极，长度均为1.2～4.5cm，宽度均为0.25～1mm；所述工作电极的工作区面积为1.0～5.0mm2；所述参比电极的工作区面积为0.5～5.0mm2。本专利技术还提供一种上述的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在柔性基底的表面制备出所述参比电极和所述工作电极；步骤二，在所述参比电极和所述工作电极的中部覆盖所述绝缘层，以使所述参比电极和所述工作电极各自的工作区和电极连接区彼此绝缘。进一步地，所述柔性基底选自聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、纸、纸板、陶瓷和再生丝素蛋白中的一种或多种的复合物。进一步地，在柔性基底的表面制备出所述参比电极和所述工作电极的步骤，具体包括：S1，使用丝网印刷或喷墨印刷技术在所述柔性基底表面印刷出两条电极线；其中，所述电极线的材料选自石墨、石墨烯、碳纳米管、铂、钯、银、金中的一种或多种；S2，在一条所述电极线的一端涂覆所述氮掺杂碳材料形成所述工作电极；在另一条所述电极线的一端涂覆银/氯化银材料形成所述参比电极；所述工作电极和所述参比电极的涂覆区域分别作为二者的工作区；其中，所述银/氯化银材料由银纳米粒子或银纳米线经FeCl3溶液氯化制成。进一步地，所述氮掺杂碳材料中的碳材料为石墨、多孔碳、碳纳米管或石墨烯。进一步地，氮掺杂多孔碳由含有巯基的生物蛋白经碳化得到；其中，所述生物蛋白选自角蛋白、牛血清白蛋白、改性角蛋白、改性牛血清白蛋白、酪氨酸蛋白激酶、修饰蛋白激酶、β-乳球蛋白、修饰β-乳球蛋白、大豆蛋白11S、修饰大豆蛋白11S、人血清白蛋白、修饰人血清白蛋白、α球蛋白、修饰α球蛋白、肌动蛋白、修饰肌动蛋白、冠蛋白、修饰冠蛋白、纤维连接蛋白、修饰纤连蛋白、肌球蛋白、修饰肌球蛋白、血影蛋白、修饰血影蛋白、原肌球蛋白、改良原肌球蛋白、微管蛋白、修饰微管蛋白和修饰β球蛋白中的一种或多种。进一步地，负载金属纳米粒子的氮掺杂多孔碳材料按照以下步骤制备：S21，在含有生物蛋白和金属前驱体的混合液中加入碱液反应得到反应液，所述反应液中含有金属纳米粒子、生物蛋白质、碱性反应介质；将所述反应液静置反应一段时间后，干燥获得金属纳米粒子@生物蛋白；S22，将所述金属纳米粒子@生物蛋白在100℃～1000℃条件下碳化，得到蛋白质基氮掺杂碳/金属纳米粒子复合材料。进一步地，在步骤S22中，所述碳化步骤包括：S221，在惰性气氛下，将所述金属纳米粒子@生物蛋白以1～5℃/min的升温速率升温至100～200℃维持1～4h；S222，以1～10℃/min的升温速率升温至250～450℃保持2～5h；S223，以3～7℃/min的升温速率升温至400～1000℃保持1～4h；以及S224，以7～20℃/min的降温速率降温至20～30℃后取出，碳化产物经洗涤干燥后得到所述蛋白质基氮掺杂碳/金属纳米粒子复合材料。进一步地，所述绝缘层由柔性疏水材料制成。本专利技术实施例提供的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器及其制备方法的有益效果是：(1)本专利技术提供的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，该pH传感器是基于两电极的电化学系统，先通过测定工作电极和参比电极之间的开路电势，而后工作电极工作区的敏感材料的功能基团与氢离子发生反应，使得氢离子都向敏感材料移动，导致工作电极的电势发生变化，从而经过相应的换算得出体液的pH值。该pH传感器响应快、体积小，可用于分析人体体液的pH水平，即健康状况的检测。而且该pH传感器为柔性的，可通过柔性导管等装置，将该传感器放至导管中，通过喉管引入体内进行检测胃液等pH值的实时检测。(2)本专利技术提供的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的制备方法，材料简单易得，条件易控，且使用的对氢离子敏感的材料为负载金属纳米粒子的氮掺杂碳材料。其中，属负载金属纳米粒子的氮掺杂多孔碳材料的效果最佳。该材料选择具有巯基(-SH)的生物蛋白(BP)材料作为还原剂和修饰剂，将金属离子还原成原子形式，随后形成金属纳米粒子(MNPs)。而残余的蛋白质中的巯基则会和金属纳米粒子形成配位，从而对纳米粒子修饰性包裹，增加了纳米粒子的稳定性。将得到的金属纳米粒子@生物蛋白(MNPs@BP)反应液冷冻干燥后高温碳化，获得金属纳米粒子负载的氮掺杂多孔碳材料(MNPs@NPC)。此方法制备的金属纳米粒子可以良好的分散于多孔碳基体中，因此可提供丰富的电化学活性位点。同时多孔碳基体具有高比表面积、高孔隙率特性，增大了氢离子与金属纳米粒子接触面积，促进了电荷和离子在电极表面快速转移，降低了电化学传输内阻，提高了传感器的灵敏度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为实施例1提供的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的结构图；图2为实施例1提供的pH传感器在不同pH值中的电势测试图；图3为实施例1提供的pH传感器的灵敏度测试图。图标：1-柔性基底；21-工作电极；22-参比电极；23-电极线；24a-工作电极工作区；24b-参比电极工作区；25-电极连接区；3-绝缘层。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，其特征在于，柔性基底上设有检测电极组件，所述检测电极组件包括并列设置的工作电极和参比电极，二者平行且互不接触；所述工作电极与所述参比电极的两端分别为工作区和电极连接区，且二者的工作区位于同侧，所述工作电极和所述参比电极的中部均覆盖有绝缘层，以使二者各自的工作区和电极连接区彼此绝缘；所述工作电极工作区设有对氢离子敏感的负载金属纳米粒子的氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，其特征在于，柔性基底上设有检测电极组件，所述检测电极组件包括并列设置的工作电极和参比电极，二者平行且互不接触；所述工作电极与所述参比电极的两端分别为工作区和电极连接区，且二者的工作区位于同侧，所述工作电极和所述参比电极的中部均覆盖有绝缘层，以使二者各自的工作区和电极连接区彼此绝缘；所述工作电极工作区设有对氢离子敏感的负载金属纳米粒子的氮掺杂碳材料。2.根据权利要求1所述的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，其特征在于，所述柔性基底为条带状，长度为1.5～5cm，宽度为0.5～1.5cm；所述工作电极和所述参比电极均为条状电极，长度均为1.2～4.5cm，宽度均为0.25～1mm；所述工作电极的工作区面积为1.0～5.0mm2；所述参比电极的工作区面积为0.5～5.0mm2。3.一种如权利要求1～2任意一项所述的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在柔性基底的表面制备出所述参比电极和所述工作电极；步骤二，在所述参比电极和所述工作电极的中部覆盖所述绝缘层，以使所述参比电极和所述工作电极各自的工作区和电极连接区彼此绝缘。4.根据权利要求3所述的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性基底选自聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、纸、纸板、陶瓷和再生丝素蛋白中的一种或多种的复合物。5.根据权利要求3所述的可实时检测体液的柔性条带状pH传感器的制备方法，其特征在于，在柔性基底的表面制备出所述参比电极和所述工作电极的步骤，具体包括：S1，使用丝网印刷或喷墨印刷技术在所述柔性基底表面印刷出两条电极线；其中，所述电极线的材料选自石墨、石墨烯、碳纳米管、铂、钯、银、金中的一种或多种；S2，在一条所述电极线的一端涂覆所述氮掺杂碳材料形成所述工作电极；在另一条所述电极线的一端涂覆银/氯化银材料形成所述参比电极；所述工作电极和所述参比电极的涂覆区域分别作为二者的工作区；其中，所述银/氯化银材料由银纳米粒子或银纳米线经FeCl3溶液氯化制成。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向阳，安尼如德·帕蒂尔，杨丽坤，刘强，孟照辉，马丽芸，吴荣辉，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35