一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法，包括柔性基底，微沟道电极结构，电极引线，纳米线织构敏感层，离子选择透过膜；柔性衬底上通过模板法制备两个相对的电极组成沟道结构，电极通过引线与外部连接；电极沟道区域内制备织构化纳米线材料作为pH敏感层；离子选择透过膜覆盖于电极表面。本发明专利技术pH传感器通过结构设计将纳米线敏感材料置于衬底、两个电极组成的沟通以及上方的离子选择透过膜的完全包覆中，解决了产品设计中无机非金属纳米线材料在柔性穿戴式传感器中易磨损、易受干扰的问题，可实现人体体液pH值得原位实时测量与分析。

Nanowire based texture flexible biological pH sensor and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of nano wire texture flexible biological sensor and method based on pH, including a flexible substrate, micro channel electrode structure, the electrode leads, nanowires texture sensitive layer, ion selective membranes; flexible substrate by template synthesis of two opposite electrode composed of channel structure, connected by electrode lead and the external electrode; the channel region for preparing textured nanowire materials as pH sensitive layer; ion selective membranes covering on the surface of electrode. The invention of pH sensor through the structural design will be composed of nanowires sensitive material substrate, two electrodes placed in communication and at the top of the ion selective membrane coated completely through, solve the metal nano wire material is easy to wear and easy interference problems in a flexible wearable sensor in inorganic non product design, can realize the human body fluid pH worthy of real time measurement and analysis of in situ.

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法
本专利技术属于电化学传感器的制备领域，尤其是涉及一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法，用于实现对包括汗液、血液等人体体液的原位实时检测与分析，并确保传感器适合人体长期佩戴与准确工作。
技术介绍
新型生物传感器的高效、快速检测的特点将为生物医学、环境检测、食品、医药工业等领域带来新的技术革命。其中，pH值的检测在生物
应用中是一个非常重要的技术手段，比如快速、精确的检测人体血液、尿液等pH值，对人体疾病的治疗和预防都具有重要的意义。但是目前的pH测试手段包括pH计、pH试纸等不适合随身携带且测试分析比较笨拙，难以实现人体健康需要的实时原位检测。现有的pH传感器研究主要集中在材料改性、表面修饰、复合电极等方面，刘璐等在论文《HighperformanceflexiblepHsensorbasedoncarboxyl-functionalizedandDEPalignedSWNTs》中提到对碳纳米管进行改性，以羧基化处理的碳纳米管作为敏性材料并采用双向电泳技术制备pH传感器。在柔性传感器阵列方面设计，WeiGao等在论文《Fullyintegratedwearablesensorarraysformultiplexedinsituperspirationanalysis》中提到柔性一体化传感阵列设计，将葡萄糖、钠钾离子、pH值传感微型器件合并在同一柔性衬底上。但是存在实用时表面摩擦问题等，在实际产品应用中将存在很大问题，不能长时间使用，且对材料与人体皮肤直接接触，存在过敏或者其他安全问题。专利技术内容针对实际使用时敏感层与人体长期直接接触带来的影响，我们设计了一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，通过纳米线传感微沟道结构与亲水层的结合，实现了传感器的高效、微型化，同时避免了敏感层与皮肤接触带来的人体不适与材料损坏。本专利技术通过以下技术手段实现上述技术目的。1.一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，其特征在于，包括柔性基底，微沟道电极结构，电极引线，纳米线织构敏感层，离子选择透过膜；柔性基底上通过模板法制备两个相对的电极组成沟道结构，电极通过引线与外部连接；电极沟道区域内制备织构化纳米线材料作为pH敏感层；离子选择透过膜覆盖于电极上表面；柔性基底厚度不超过0.15mm；柔性基底一侧使用氧等离子体处理，同时满足接触角＜5°；纳米线织构敏感层选择羧基化碳纳米管材料，通过将碳纳米管置于体积比3：1质量分数98％的硫酸与质量分数65％的浓硝酸中，在110℃下搅拌45-90min，离心取上清液、调节pH至中性，干燥后通过介电泳或聚合物复合方式将羧基化纳米管制备成阵列结构；同时纳米线织构敏感层不超过电解微沟道范围，厚度为1-100nm。2.进一步，所述柔性基底为PDMS、PET、PI中的一种。所述电极微沟道结构为通过模板法制备所得，电极材料选择Ti、Au、Pt、中一种或多种，相对电极间间距不超过0.1mm，厚度在100nm-200nm之间。3.进一步，所述电极微沟道结构使用物理气相沉积方法制备。4.进一步，所述离子选择透过膜孔径0.1-10μm，H离子电导率≥0.1S/cm，接触角＜5°，厚度5-500μm。5.制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)：厚度为75～150μm柔性基底用氧等离子体处理，具体参数：真空度0.1Pa，通入氧气，氧气流量10～20sccm，使工作压力达到20～120Pa，射频功率60～100W，室温下处理5min；(2)：电极微沟道结构设计与制作：电极微沟道直接在柔性基底上制作，两端电极通过压焊或者银胶制作与外部测试电路连接的引线。(3)：纳米线织构pH敏感层制作：通过PECVD、静电纺丝或磁控溅射手段制备纳米线织构敏感层；(4)：离子选择透过膜处理与封装：选择孔径0.1-10μm，H离子电导率≥0.1S/cm，接触角＜5°，厚度5-500μm的离子选择透过膜，通过氧等离子体处理。所选离子选择透过膜包括位于电极结构上方，同时面积不小于电极结构保证能够完全覆盖。6.进一步，步骤(1)柔性基底厚度不大于0.2mm，整体面积不大于1×1cm27.进一步，通过掩膜版、紫外曝光或者电子束曝光手段中的一种或几种设计电极结构。8.进一步，所制备的纳米结构长度不小于5μm，直径1-100nm。一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法，包括：柔性基底、电极结构、pH传感微沟道、离子选择透过亲水层。采用抗弯折柔性聚合物作为基底，通过模板法设计电极微沟道结构，将纳米线织构材料转移到微沟道中作为敏感层，以离子选择透过亲水层覆盖电极与敏感层实现H+/OH-快速吸附并避免与人体直接接触。所述柔性基底采用无毒无害、抗弯折聚合物如PDMS、PI、PET等，等过氧等离子体表面处理。所述柔性基底厚度为50-200μm，整体面积小于1cm2。所述纳米线织构敏感层材料选择表面处理的碳纳米管或金属氧化物中的一种或多种复合。所述电极微沟道结构通过模板法制作，微沟道长度小于5mm，宽度3-100μm。所述离子选择透过膜孔径0.1-10μm，H离子电导率≥0.1S/cm，接触角＜5°，厚度5-500μm。离子选择透过膜可选，氟磺酸型聚合物薄膜、微孔无机膜中填充H离子电解质。一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法，包括如下步骤：(1)：选择柔性基底并对其表面进行处理增大亲水性与粘附性。(2)：在处理好的柔性基底一侧通过模板法制备相对的两个电极构成微沟道结构；两端电极通过压焊或者银胶引出与外部测试电路的引线。(3)：在电极微沟道中制备纳米线织构敏感层，并对敏感材料进行表面官能团的引入与表面修饰。(4)在电极上方覆盖离子选择透过膜，保证电极与敏感材料不与外界直接接触。步骤(1)所述表面处理手段包括氧等离子体处理。步骤(2)电极微沟道结构设计方法包括通过制备相应的光刻板，随后进行紫外曝光手段制备电极结构。步骤(2)电极微沟道结构制备方式可以为磁控溅射、电子束蒸镀，电极厚度控制在120-150nm，电极材料选择Ti、Au、Pt。步骤(3)所述纳米线织构敏感材料制作是采用PECVD、静电纺丝、磁控溅射、离子束刻蚀等手段中的一种或几种，纳米线长度不小于5μm，直径1-100nm。步骤(3)所述纳米线织构敏感材料处理方式，通过化学反应在纳米结构表面引入-COOH、-NH2基团，通过磁控溅射、化学浴沉积贵金属(Au、Pt、Pd)纳米颗粒。步骤(4)所述离子选择透过亲水膜为多孔亲水聚合物薄膜，处理方式为氧等离子体处理；所述离子选择透过亲水膜满足H离子电导率≥0.1S/cm，接触角＜5°，厚度5-500μm、孔径在0.1-1μm。步骤(4)所述离子选择透过亲水膜可选，氟磺酸型聚合物薄膜、微孔无机膜中填充H离子电解质。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术所述的一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法，通过模板法设计纳米线织构传感微沟道与离子选择亲水涂层的结合，实现微型化、快速测量的同时避免杂质与其他外部环境的干扰。(2)本专利技术所述的一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器及其制备方法，通过离子透过亲水层的使用，避免敏感材料和电极材料与被测体的直接接触，在应用到可穿戴生物pH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，其特征在于，包括柔性基底，微沟道电极结构，电极引线，纳米线织构敏感层，离子选择透过膜；柔性基底上通过模板法制备两个相对的电极组成沟道结构，电极通过引线与外部连接；电极沟道区域内制备织构化纳米线材料作为pH敏感层；离子选择透过膜覆盖于电极上表面；柔性基底厚度不超过0.15mm；柔性基底一侧使用氧等离子体处理，同时满足接触角＜5°；纳米线织构敏感层选择羧基化碳纳米管材料，通过将碳纳米管置于体积比3：1质量分数98％的硫酸与质量分数65％的浓硝酸中，在110℃下搅拌45‑90min，离心取上清液、调节pH至中性，干燥后通过介电泳或聚合物复合方式将羧基化纳米管制备成阵列结构；同时纳米线织构敏感层不超过电解微沟道范围，厚度为1‑100nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，其特征在于，包括柔性基底，微沟道电极结构，电极引线，纳米线织构敏感层，离子选择透过膜；柔性基底上通过模板法制备两个相对的电极组成沟道结构，电极通过引线与外部连接；电极沟道区域内制备织构化纳米线材料作为pH敏感层；离子选择透过膜覆盖于电极上表面；柔性基底厚度不超过0.15mm；柔性基底一侧使用氧等离子体处理，同时满足接触角＜5°；纳米线织构敏感层选择羧基化碳纳米管材料，通过将碳纳米管置于体积比3：1质量分数98％的硫酸与质量分数65％的浓硝酸中，在110℃下搅拌45-90min，离心取上清液、调节pH至中性，干燥后通过介电泳或聚合物复合方式将羧基化纳米管制备成阵列结构；同时纳米线织构敏感层不超过电解微沟道范围，厚度为1-100nm。2.根据权利要求1所述的一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，其特征在于，所述柔性基底为PDMS、PET、PI中的一种。3.根据权利要求1所述的一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，其特征在于，所述电极微沟道结构为通过模板法制备所得，电极材料选择Ti、Au、Pt、中一种或多种，相对电极间间距不超过0.1mm，厚度在100nm-200nm之间。4.根据权利要求1所述的一种基于纳米线织构柔性生物pH传感器，其特征在于，所述电极微沟道结构使用物理气相沉积方法制备。5.根据权利要求1所述的一种基于纳米线织构柔性生物pH传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：王如志，沈震，张曼晨，严辉，张铭，王波，汪浩，宋雪梅，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11