一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器及其制备方法。本发明专利技术在超薄柔性的绝缘支持层和粘结层上制备纳米级的对电极和工作电极的图案，在工作电极的图案上形成普鲁士蓝薄膜，在普鲁士蓝薄膜上形成固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜，粘贴在皮肤表面，葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下产生过氧化氢，过氧化氢与积普鲁士蓝薄膜发生催化反应，生成水和自由电子，测量反应电流，从而得到葡萄糖的浓度；本发明专利技术的传感器具有超薄柔性的特点，能够贴附在人体皮肤表面的任何位置，在不影响人体运动和正常生活的情况下，无创、准确测量皮肤表面存在的葡萄糖的浓度，实现对糖尿病病人血糖的无创监测。

【技术实现步骤摘要】
一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器及其制备方法
本专利技术涉及生物传感器技术，具体涉及一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器及其制备方法。
技术介绍
葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物的主要组成部分，因此葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要的位置。1954年Clark的氧电极分析方法使活体组织氧分压的无损测量成为可能，由此打开了生物传感器这一研究领域。50多年来各国科研人员对生物传感器的研究和发展使得葡萄糖传感器在食品分析、发酵控制、临床检验等诸多方面得到应用并发挥了重要的作用。本文对葡萄糖生物传感器的分类、原理及发展概况等作一简要概述。葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器，为葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase，GOD)经固化后于氧电极组成成。酶具有高选择性，高亲和力，在较温和条件下也能对底物反应起催化作用，因此被选为生物传感器中首选的生物活性物质。酶传感器因为多由固定化酶和电化学装置(电极)组合构建而成，所以又称为酶电极(enzymeelectrode)。将GOD固定在能透过葡萄糖和氧的薄膜上，然后固定在氧电极的前端，当溶液中存在着葡萄糖时，葡萄糖在通过固定化酶膜时被GOD氧化。在反应发生过程中需要消耗氧气，而这种消耗量可用氧电极测定到，因此能够以此检查葡萄糖含量。但是大气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度产生变化，从而影响测定的准确性，这是酶电极葡萄糖生物传感器在应用时要解决的问题。经典葡萄糖氧化酶传感器是采用过氧化氢电极作为基础电极，通过检测H2O2的产生量，进而检测血清中的葡萄糖含量。其优点是，葡萄糖浓度与产生的H2O2有当量关系，不受血液中氧浓度变化的影响。采用过氧化氢作为基础电极的生物传感器是最早的生物传感器。从1962年第一个生物传感器的诞生开始，葡萄糖传感器在整个生物传感器发展过程中的各个阶段都占有重要的地位。在商品化方面，葡萄糖生物传感器的应用是其它任何生物传感器所不能比拟的，现在全世界每年用于血糖测试的酶电极产量已达到数十亿支。在发酵工业中，葡萄糖传感器也已广泛应用于原料分析和远程控制等。在研究领域，与其他生物传感器相比，葡萄糖传感器发表论文的比例一直占据首位。近年来，纳米生物传感器及DNA生物传感器的研究报道迅速增加，但葡萄糖生物传感器在整个传感器研究报道的比例没有大的变化。这是因为许多新型生物传感器的研究同葡萄糖传感器有关。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器及其制备方法，用于检测皮肤表面存在的葡萄糖浓度。本专利技术的一个目的在于提出一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器。本专利技术的类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器包括：柔性薄膜基底、绝缘支持层、粘结层、对电极、工作电极和固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜；其中，在基板上形成转印层，在转印层上形成绝缘支持层，在绝缘支持层上形成粘结层，在粘结层上形成导电层；表面刻蚀导电层至绝缘支持层的上表面，在导电层形成对电极的图案和工作电极的图案，对电极的图案和工作电极的图案之间绝缘，在工作电极的图案上形成普鲁士蓝薄膜，工作电极的图案及其上形成的普鲁士蓝薄膜构成工作电极，对电极的图案作为对电极；在工作电极上形成固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜；绝缘支持层、粘结层、对电极、工作电极和固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜构成多层结构；多层结构从转印层上剥离，转印到柔性薄膜基底上；对电极和工作电极分别通过导线连接至电化学工作站或者测量电路；固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜粘贴在皮肤表面，皮肤表面的葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下产生过氧化氢，过氧化氢与积普鲁士蓝薄膜发生催化反应，生成水和自由电子，自由电子产生的数量与葡萄糖的浓度成正比，自由电子通过普鲁士蓝薄膜传递到电化学工作站或者测量电路形成反应电流，电化学工作站在测量模式下或者采用测量电路测量反应产生的电流，从而得到葡萄糖的浓度。对电极和工作电极的厚度为100nm～1cm，对电极和工作电极具有可弯曲和折叠的特性。本专利技术的对电极和工作电极的厚度小，易于将葡萄糖测量传感器与皮肤贴合，保证了工作电极能够与皮肤表面紧密贴合。工作电极和对电极的形状为平面电极、插指电极或丝状电极。丝状电极是指工作电极和对电极分别为一根金属丝，或者表面电镀、电化学沉积、气相沉积、磁控溅射了导电物质层的有机物材料细丝。本专利技术的对电极和工作电极具有可转印的特性，即能够将多层结构从基板表面上剥离下来，形成一个独立的薄膜电极，绝缘支持层能够在薄膜电极和测量电路贴合时起到绝缘的效果，防止互通干扰，同时绝缘支持层能够作为支撑层，将厚度为纳米级的导电层作为支撑成为独立的柔性薄膜，粘结层和绝缘支持层具有很强的粘附力，导电层和粘结层具有很强的粘附力，通过粘结层的作用能够将导电层和绝缘层紧密黏附在一起，降低电极的表面导电层脱落的几率。绝缘支持层采用聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate，PET)和聚乙烯醇(PolyvinylAlcohol，PVA)中的一种。通过旋涂或者刮膜的方式制备，或者使用现成的薄膜绝缘材料粘贴固定在转印层的表面，进行后续粘结层和导电层的沉积。绝缘支持层的厚度≤1cm。粘结层采用Cr或Pt，厚度≤0.5cm。通过电镀、电化学沉积、气相沉积或磁控溅射的方式得到导电层；导电层的材料为Au、Cu、Al、Ag和ITO中的一种。通过表面刻蚀的方式在导电层表面形成纳米尺度的微结构，能够提高电化学。普鲁士蓝薄膜的制备采用将工作电极的图案连接至电化学工作站，工作电极的图案沉浸在KCl、K3[Fe(CN)6]、FeCl3和HCl的混合溶液中，在工作电极的图案上进行电化学沉积，从而形成普鲁士蓝薄膜；或者将普鲁士蓝制成墨水溶液，利用打印、印刷、旋涂、滴涂将墨水滴在电极表面，待墨水干燥后也可以得到普鲁士蓝薄膜。利用短时间的恒电位沉积的方式得到纳米级的普鲁士蓝薄膜，得益于具有表面微结构的薄膜柔性的导电层，普鲁士蓝薄膜在电化学循环伏安特性检验下氧化还原电位明显，幅值较大，而且多圈扫描后扫描曲线稳定。电化学沉积后得到的普鲁士蓝薄膜在电化学工作站中进行循环伏安扫描，加热至普鲁士蓝薄膜干燥，在低电位下进行恒电位活化后，再次进行循环伏安扫描。电化学沉积后的循环伏安扫描能够使普鲁士蓝薄膜在不同的电位下发生氧化还原反应，使沉积后的普鲁士蓝薄膜变得稳定，释放内部裂纹和缺陷，加热薄膜至干燥后普鲁士蓝薄膜内部结构变的致密，去除孔隙间的水分，再次进行低电位恒电位活化后提高普鲁士蓝薄膜在低电位附近的反应活性，增强葡萄糖的体表测量效果。普鲁士蓝薄膜的厚度≤10μm。工作电极通过各向异性导电薄膜ACF柔性导线与电化学工作站或者测量电路连接。柔性ACF导线为以聚合物为基材的导电金属颗粒构成的导线，横截面为扁平状，厚度较小，柔性好，能够通过加热加压的方式与电化学沉积了普鲁士蓝薄膜的柔性的工作电极表面连接，不会引起工作电极高度增加过多，同时柔性、低弹性模量的特性减小了柔性导线与工作电极连接处的应力集中，防止因为柔性导线或者柔性的工作电极的弯曲变形而引起电极破裂和导线脱粘。或者通过银胶粘接、焊锡焊接的方式将金属柱状导线与电化学沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器，其特征在于，所述葡萄糖测量传感器包括：柔性薄膜基底、绝缘支持层、粘结层、对电极、工作电极和固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜；其中，在基板上形成转印层，在转印层上形成绝缘支持层，在绝缘支持层上形成粘结层，在粘结层上形成导电层；表面刻蚀导电层至绝缘支持层的上表面，在导电层形成对电极的图案和工作电极的图案，对电极的图案和工作电极的图案之间绝缘，在工作电极的图案上形成普鲁士蓝薄膜，工作电极的图案及其上形成的普鲁士蓝薄膜构成工作电极，对电极的图案作为对电极；在工作电极上形成固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜；绝缘支持层、粘结层、对电极、工作电极和固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜构成多层结构；多层结构从转印层上剥离，转印到柔性薄膜基底上；对电极和工作电极分别通过导线连接至电化学工作站或者测量电路；固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜粘贴在皮肤表面，皮肤表面的葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下产生过氧化氢，过氧化氢与积普鲁士蓝薄膜发生催化反应，生成水和自由电子，自由电子产生的数量与葡萄糖的浓度成正比，自由电子通过普鲁士蓝薄膜传递到电化学工作站或者测量电路形成反应电流，电化学工作站在测量模式下或者采用测量电路测量反应产生的电流，从而得到葡萄糖的浓度。...

【技术特征摘要】
1.一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器，其特征在于，所述葡萄糖测量传感器包括：柔性薄膜基底、绝缘支持层、粘结层、对电极、工作电极和固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜；其中，在基板上形成转印层，在转印层上形成绝缘支持层，在绝缘支持层上形成粘结层，在粘结层上形成导电层；表面刻蚀导电层至绝缘支持层的上表面，在导电层形成对电极的图案和工作电极的图案，对电极的图案和工作电极的图案之间绝缘，在工作电极的图案上形成普鲁士蓝薄膜，工作电极的图案及其上形成的普鲁士蓝薄膜构成工作电极，对电极的图案作为对电极；在工作电极上形成固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜；绝缘支持层、粘结层、对电极、工作电极和固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜构成多层结构；多层结构从转印层上剥离，转印到柔性薄膜基底上；对电极和工作电极分别通过导线连接至电化学工作站或者测量电路；固定了葡萄糖氧化酶的壳聚糖膜粘贴在皮肤表面，皮肤表面的葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下产生过氧化氢，过氧化氢与积普鲁士蓝薄膜发生催化反应，生成水和自由电子，自由电子产生的数量与葡萄糖的浓度成正比，自由电子通过普鲁士蓝薄膜传递到电化学工作站或者测量电路形成反应电流，电化学工作站在测量模式下或者采用测量电路测量反应产生的电流，从而得到葡萄糖的浓度。2.如权利要求1所述的葡萄糖测量传感器，其特征在于，所述对电极和工作电极的厚度为100nm～1cm；工作电极和对电极的形状为平面电极、插指电极或丝状电极。3.如权利要求1所述的葡萄糖测量传感器，其特征在于，所述绝缘支持层采用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯醇中的一种；所述粘结层采用Cr或Pt。4.如权利要求1所述的葡萄糖测量传感器，其特征在于，所述工作电极通过各向异性导电薄膜ACF柔性导线与电化学工作站或者测量电路连接。5.一种类皮肤的超薄柔性葡萄糖测量传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)提供洁净干燥的基板；2)在基板上旋涂转印层；3)在转印层上通过旋涂或者刮膜的方式，或者使用现成的薄膜绝缘材料粘贴固定在转印层的表面，制备绝缘支持层；4)在绝缘支持层上溅射粘结层；5)在粘结层上电镀、电化学沉积、气相沉积或磁控溅射的方式制备导电层；6)表面刻蚀导电层至绝缘支持层的上表面，在导电层形成对电极的图案和工作电极的图案，对电极的图案和工作电极的图案之间绝缘；7)在工作电极的图案上形成普鲁士蓝薄膜，工作电极的图案及其上形成的普鲁士蓝薄膜构成工作电极，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，陈毅豪，鲁思渊，陆炳卫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11