三维纸基电化学传感器件其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种三维纸基电化学传感器件的制备方法，包括以下步骤：步骤一：提供纤维纸、上层塑封膜以及下层塑封膜，上层塑封膜上具有与纤维纸形状一致的开孔；步骤二：将纤维纸夹设在上层塑封膜与下层塑封膜之间，使开孔与纤维纸保持中心对齐；对夹有纤维纸的塑封膜进行封装，使得纤维纸被塑封膜固定住；步骤三：将导电浆料印制在封装好的塑封膜上得到电极；步骤四：将印制好的电极烘干、消毒处理后，在电极的工作区域上修饰(Fe,Mn)

【技术实现步骤摘要】
三维纸基电化学传感器件其制备方法与应用
本专利技术涉及电化学传感器
，具体涉及一种三维纸基电化学传感器件及其制备方法与应用。
技术介绍
细胞是生命研究中的基本功能单元，对其进行生化分析可以为生物和医学领域的研究提供关键的信息。但是目前细胞的培养还主要依赖于二维的培养体系，不能够实时监测活细胞在三维生长过程中的生理机能、结构等变化。微加工技术虽然已被用于构建复杂的支架来进行细胞的三维培养，然而这些方法通常涉及一些不常用的大型设备。因此，构建一个简单稳定的可用于实时高灵敏监测三维培养细胞释放小分子的便携式传感器件是非常有必要的。传统的检测细胞释放小分子的方法大都是先将细胞培养在培养皿中，然后把构建的电化学传感器置于培养皿中培养液里进行测试。由于细胞与传感器距离较远且细胞释放的小分子半衰期非常短，因此，这种方法使得检测的灵敏度和准确性受到了极大的限制。此外，有人报道了将细胞直接生长在二维传感膜上对细胞释放小分子进行检测，但是由于细胞在生物体内是处于三维的生长状态，这种方法会导致细胞生长维度的不匹配，从而使得检测结果的准确性不高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种三维纸基电化学传感器件，该三维纸基电化学传感器件可实现对三维培养细胞释放小分子的原位实时、高灵敏监测。为了解决上述技术问题，本专利技术第一方面提供了一种三维纸基电化学传感器件的制备方法，包括以下步骤：步骤一：提供一纤维纸、一上层塑封膜以及一下层塑封膜，所述纤维纸的厚度为0.15～0.25μm，截留粒子尺寸为10～30μm；所述上层塑封膜上具有与所述纤维纸形状一致的开孔，所述开孔的面积小于所述纤维纸的面积；步骤二：将所述纤维纸夹设在所述上层塑封膜与下层塑封膜之间，使所述开孔与纤维纸保持中心对齐，此时纤维纸与上层塑封膜的开孔边缘具有一定的重叠区域；通过塑封机对夹有纤维纸的塑封膜进行封装，使得所述纤维纸被塑封膜固定住；步骤三：通过印刷的方式将导电浆料印制在封装好的塑封膜上得到电极，并确保电极的工作区域印在开孔内的纤维纸上；步骤四：将印制好的电极烘干、消毒处理后，在所述电极的工作区域上修饰(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料，得到所述三维纸基细胞培养电化学传感器件；其中，所述(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料是按如下的方法制备而成：S1.将氮掺杂多孔碳材料N-CNRs配成浓度为1～3mg/mL的水溶液，超声分散20～80min；所述N-CNRs是按照申请号为201910510602.4的中国专利中记载的方法制备的；S2.向步骤S1得到的溶液中加入二价Fe盐、二价锰盐和还原剂，充分溶解后得到混合液，控制混合液中Fe2+与Mn2+的浓度比为1:1～1:15；S3.将步骤S2得到的混合液与乙二醇混合，置于50～70℃水浴中，并在不断搅拌的条件下加入磷酸盐溶液，使得溶液中Mn2+和Fe2+与PO43-的浓度比为3:2；搅拌反应1～5h后，将混合溶液进行离心，得到的沉淀物经洗涤、冷冻干燥，即制得(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs。纸具有三维纤维素网络结构，且具有成本低、生物相容性好、易于操作和存储方便等优势，使其可用于制造一次性生物传感器件。而厚度为0.15～0.25μm，截留粒子尺寸为10～30μm的纤维纸非常适合细胞在表面或内部的网状结构中进行贴附生长。此外，纸的多孔纤维素网络结构可以通过毛细作用在不使用泵的情况下实现液体的流动。因此，本专利技术选择纸制作电化学传感器件，将能够特异性检测细胞释放小分子的纳米材料修饰在该纸基电化学传感器件的工作电极上，可实现对生长在三维纸纤维中的细胞释放小分子的原位实时、高灵敏检测。(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料中，(Fe,Mn)3(PO4)2对H2O2具有很强的催化分解作用，而N-CNTs由于拥有大量的纳米孔结构而具有很高的比表面积，这大大增加了沉积于其表面的(Fe,Mn)3(PO4)2与H2O2等小分子的接触面积，因此(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料具有电催化活性高、电导率高、稳定性好、生物相容性好等特性。本专利技术以(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料作为H2O2等小分子的电催化剂，无需使用传统的酶催化剂，克服了酶催化剂的缺陷，并且对于其他干扰物表现出很强的抗干扰能力。进一步地，步骤一中，所述纤维纸的形状为圆形或方形；更进一步地，所述开孔为直径或宽度比所述纤维纸窄2～4mm的圆孔或方孔。进一步地，步骤二中，所述塑封机的封装温度为105～115℃。进一步地，步骤三中，所述导电浆料为碳浆、银浆或导电凝胶。进一步地，步骤四中，所述烘干温度为80～110℃，烘干时间为3～10min。进一步地，步骤四中，所述修饰具体为：将(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料配制成浓度为2～5mg/mL的溶液，向电极上滴加1～3μL所述溶液，干燥后即可。进一步地，步骤S2中，Fe2+和Mn2+的总浓度是1～3mM。进一步地，步骤S2中，控制混合液中Fe2+与Mn2+的浓度比为1:7。本专利技术步骤S2中，加入还原剂的作用是防止Fe2+与Mn2+发生氧化。作为所述还原剂，可为抗坏血酸和/或硼氢化钠，其添加量优选为0.5～1.5mM。进一步地，步骤S3中，所述磷酸盐可为磷酸铵、磷酸钠、磷酸钾等。本专利技术第二方面提供了由第一方面所述的方法制备得到的三维纸基电化学传感器件。本专利技术第三方面提供了第二方面所述的三维纸基电化学传感器件在细胞释放小分子检测中的应用，所述小分子可为H2O2。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术的三维纸基电化学传感器件，制备方法简单且成本低；此外在修饰(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料后可使该传感器件表现出很好的催化性能和较强的抗干扰能力。与传统的检测方法相比，该三维纸基电化学传感器件可实现对生长在三维纸纤维中的细胞释放小分子的原位实时、高灵敏检测。2.本专利技术的纸基电化学传感器件，在临床诊断和日常疾病的早期监测中具有广阔的应用前景。附图说明图1是三维纸基细胞培养电化学传感器件的构建示意图，其中纸纤维可用于细胞的三维培养；图2是细胞在三维纸纤维上的生长状态荧光显微镜图(DAPI染色)；图3是在不同Fe2+,Mn2+比例下合成的(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs对200μM过氧化氢(H2O2)的电流响应柱状图；图4是由(Fe,Mn)3(PO4)2/碳纳米管和(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs分别修饰的传感器件在含200μMH2O2的0.01MPBS中的循环伏安曲线图对比；图5是由(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs修饰的传感器件对过氧化氢检测的抗干扰检测图(过氧化氢：H2O2，葡萄糖：Glucose，多巴胺：DA，抗坏血酸：AA，尿酸：UA)；图6是(Fe,Mn)3(PO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维纸基电化学传感器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：提供一纤维纸、一上层塑封膜以及一下层塑封膜，所述纤维纸的厚度为0.15～0.25μm，截留粒子尺寸为10～30μm；所述上层塑封膜上具有与所述纤维纸形状一致的开孔，所述开孔的面积小于所述纤维纸的面积；/n步骤二：将所述纤维纸夹设在所述上层塑封膜与下层塑封膜之间，使所述开孔与纤维纸保持中心对齐，保证纤维纸与上层塑封膜的开孔边缘具有一定的重叠区域；通过塑封机对夹有纤维纸的塑封膜进行封装，使得所述纤维纸被塑封膜固定住；/n步骤三：通过印刷的方式将导电浆料印制在封装好的塑封膜上得到电极，并确保电极的工作区域印在开孔内的纤维纸上；/n步骤四：将印制好的电极烘干、消毒处理后，在所述电极的工作区域上修饰(Fe,Mn)

【技术特征摘要】
1.一种三维纸基电化学传感器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：提供一纤维纸、一上层塑封膜以及一下层塑封膜，所述纤维纸的厚度为0.15～0.25μm，截留粒子尺寸为10～30μm；所述上层塑封膜上具有与所述纤维纸形状一致的开孔，所述开孔的面积小于所述纤维纸的面积；
步骤二：将所述纤维纸夹设在所述上层塑封膜与下层塑封膜之间，使所述开孔与纤维纸保持中心对齐，保证纤维纸与上层塑封膜的开孔边缘具有一定的重叠区域；通过塑封机对夹有纤维纸的塑封膜进行封装，使得所述纤维纸被塑封膜固定住；
步骤三：通过印刷的方式将导电浆料印制在封装好的塑封膜上得到电极，并确保电极的工作区域印在开孔内的纤维纸上；
步骤四：将印制好的电极烘干、消毒处理后，在所述电极的工作区域上修饰(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料，得到所述三维纸基细胞培养电化学传感器件；
其中，所述(Fe,Mn)3(PO4)2/N-CNRs纳米材料是按如下的方法制备而成：
S1.将氮掺杂多孔碳材料N-CNRs配成浓度为1～3mg/mL的水溶液，超声分散20～80min；所述N-CNRs是按照申请号为201910510602.4的中国专利中记载的方法制备的；
S2.向步骤S1得到的溶液中加入二价Fe盐、二价Mn盐和还原剂，充分溶解后得到混合液，控制混合液中Fe2+与Mn2+的浓度比为1:1～1:15；
S3.将步骤S2得到的混合液与乙二醇混合，置于50～70℃水浴中，并在不断搅拌的条件下加入磷酸盐溶液，使得溶液中Mn2+和Fe2+与PO43-的浓度比为3:2；搅拌反应1～5h后，将混合溶液进行离心，得到的沉淀物经洗涤、冷冻...

【专利技术属性】
技术研发人员：史转转，郭春显，吴小帅，李园，李长明，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32