一种无酶纳米柔性血糖微传感器及其制备方法与流程

本发明属于电化学传感器的制备领域，尤其是涉及一种纳米柔性血糖传感器及其制备方法，用于实现人体血糖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稳定工作，并能实现无创或微创血糖监测，并满足了糖尿病的大范围血糖监测。

背景技术：

血糖与人体健康息息相关，长期高血糖会引起各种并发症(如尿毒症、肢体坏死、失明等)，而低血糖会造成晕厥、心慌无力等后果，因此血糖检测对人体健康有着重要意义。但传统血糖测试设备体积庞大，耗时长，不能实现实时精确检测，限制了在家庭中的推广和使用。庞大的市场需求促使科研人员研发一种高效廉价、精确便携的血糖检测设备。

现有非光学型的血糖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。大部分基于电阻或电势响应的血糖传感器都需要葡萄糖氧化物酶转换为h⁺离子进行探测。无酶血糖传感器近年来引起了人们的关注与重视。赵等在论文《3dnanoporousgoldscaffoldsupportedongraphenepaper:freestandingandflexibleelectrodewithhighloadingofultrafineptcoalloynanoparticlesforelectrochemicalglucosesensing》中将3d纳米多孔贵金属支架负载到石墨烯纸上，再将铂钴超细晶颗粒组装在支架上来制备葡萄糖传感器,制备工艺复杂，成本高昂，测试需要在碱性环境下进行。shabnam等在论文《dopedgraphene/cunanocomposite:ahighsensitivitynon-enzymaticglucosesensorforfood》中采用一锅法，将铜纳米颗粒与掺氮石墨烯混合制备cu-ngr材料，检测葡萄糖，三电极法测试较为复杂。但是现有血糖传感器和传感材料存在下面一系列问题：1，使用效用低，结构设计复杂，体积大，难以实现便携可穿戴功能；2，工艺繁琐，制备成本过高，使用寿命短、使用成本高；3，检测精度较低，难以实现原位实时监测；4，血糖响应范围窄，难以满足糖尿病人的大范围血糖浓度的监测；5，无酶血糖传感器由于稳定性及精度问题，当前暂无相关市场产品。

技术实现要素：

针对实际使用时存在的上述问题，本发明设计了一种纳米柔性血糖传感器及其制备方法，通过纳米线传感微沟道结构与亲水保护层的结合，可以实现微量分析与快速监测，并可满足传感器的高效廉价和小体积高集成的要求，同时通过选用对皮肤友好的各种必备材料制备传感器，避免了作用层与皮肤接触带来的人体不适与材料损坏。测试环境简单，通过电流响应实时分析血糖变化，工艺简单，成本低廉。无酶化的传感器提升传感器使用寿命，降低使用成本。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种无酶纳米柔性血糖微传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：碳纳米管成膜

按照0.1-0.3mg/ml浓度称取碳纳米管，将其置于体积比3：1质量分数95-98％浓硫酸与质量分数65-68％浓硝酸的混合酸中，在110℃下搅拌45-90min，离心去上清液、调节ph至中性；平铺于30-60℃下蒸干水分，得到羧基化碳纳米管薄膜；

步骤二：葡萄糖传感材料制备

以ga2o3粉末与碳粉按照摩尔比为1:3混合，研磨5min以上得到前驱粉体，用步骤一得到的薄膜作为衬底，镀5nm-30nm的金属催化剂薄膜；将前驱粉体和衬底放入等离子增强化学气象沉积系统pecvd中进行制备：前驱粉体与薄膜质量比为3:1-15:1，采用n2和h2作为反应气体，气压30-120pa；衬底温度500℃-1200℃；射频电源功率40-100w；n2和h2气体混合气体，n2和h2气体流速均为10厘米³/分钟-100厘米³/分钟，反应时间为45-120min；

步骤三：柔性衬底预处理

将柔性基底材料在等离子增强化学气相沉积系统中处理：采用氢气或氧气反应气压20-120pa，射频功率为20-80w，室温下处理柔性基底，使其与液体接触角小于5°；在预处理后的衬底上悬涂厚度为1-3μm环氧树脂；

步骤四：电极及传感微沟道设计

在预处理后的柔性基底上通过紫外曝光做好电极模板，通过电子束蒸镀镀上间隔1-10μm金属电极，两端电极通过压焊或者银胶引出电极引线；制得微沟道电极层，设计微沟道长度小于1-6cm，宽度3-100μm，将传感材料导入微沟道；

步骤五：亲水保护层

将孔径为0.01-0.5微米的偏氟乙烯pvdf膜在等离子增强化学气相沉积系统中处理：采用氢气或氧气反应气压20-120pa，射频功率为20-80w，室温下处理，使其与液体接触角小于5°，作为离子选择亲水保护层，粘贴在电极与传感材料上方，保护电极材料、传感材料同时保证葡萄糖分子透过。

步骤二和步骤三的顺序能够先后互换。

进一步，磁控溅射与蒸镀，膜层厚度控制在100-250nm。

进一步，电极采用ti/au电极，紫外曝光参数：az5214胶110℃前烘1-15min,曝光0.1-20s，120℃后烘1-5min，曝光10-15s，显影0.1-5min；电子束蒸镀参数：真空度5×10^-6mbar，ti/au厚度分别为10/100nm。

所制备的纳米柔性血糖微传感器用于对浓度为1-28mmol/l血糖线性响应。

一种无酶纳米柔性血糖传感器及其制备方法，包括：柔性基底、电极结构、葡萄糖检测微沟道、离子透过亲水保护层。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，以离子透过亲水耐磨层覆盖电极与敏感层实现葡萄糖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、抗弯折聚合物如聚酰亚胺(pi)等，通过等离子体处理增强亲水性(接触角＜5°)。

所述柔性基底厚度为50-200μm，整体面积小于1cm²。

所述敏感层材料选择以织构纳米线微沟道中采用微纳加工将生长有氮化镓纳米线的羧基功能化碳纳米管织构导入微沟道作为葡萄糖分子的原位感应区材料。

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。

一种无酶纳米柔性血糖微传感器及其制备方法，包括如下步骤：

(1)柔性基底的选择及表面处理：柔性基底材料选择包括pi等，具有良好的力学与温度适应性，表面处理增强电极、传感沟道及亲水薄膜等粘附性能。制得柔性基底1。

(2)电极微沟道结构设计与制作：可根据器件测试与集成要求设计结构尺寸，为保证电极良好导电性能与节省成本，通过最有结构设计，为抗酸碱腐蚀，选用au、pt等化学稳定性好的金属材料。采用光刻法制得电极微沟道2。

(3)纳米织构葡萄糖敏感层制作。通过pecvd生长有氮化镓纳米线的羧基化碳纳米管织构导入微沟道作为葡萄糖分子的原位感应区材料，制备葡萄糖分子敏感层3。

(4)离子透过亲水保护层处理与封装，将处理后的亲水耐磨层进行表面贴装，整体面积大于基底大小，且将电极与敏感层完全遮盖避免摩擦，保证电极层与敏感材料长期多次使用不脱落。离子透过亲水耐磨层为多孔亲水聚合物薄膜，处理方式为氧等离子体处理，孔径在0.1-1μm，厚度不大于0.1mm。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的一种无酶纳米柔性葡萄糖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耐磨涂层的结合，实现器件的小体积高集成，且充分保护器件作用层，防止因反复使用出现剥落和失效。gan与羧化碳管薄膜形成异质结，对葡萄糖分子产生电流线性响应，

(2)本发明所述的一种无酶纳米柔性葡萄糖传感器及其制备方法，通过离子透过亲水耐磨层的使用，避免敏感材料和电极材料与被测体的直接接触，应用到可穿戴生物葡萄糖传感器上，能够消除材料与人体直接接触到来的过敏与不适反应，同时保护敏感层不受损伤长期精确工作。同时整个材料中不含葡萄糖氧化酶，避免酶受温度、酸碱性等影响而改变活性所造成的测试误差。

(3)本发明测试原理基于电阻变化造成的电流响应，测试环境要求低，传感器对于对浓度为1-28mmol/l血糖线性响应(人体正常血糖浓度为3.61-6.11mmol/l)。

附图说明

图1为传感器结构图(1为柔性基底，2为电极层，3为叉指电极位置即传感材料位置，4为保护层)

图2为传感器结构图中3放大示意图，掩膜版制作电极微沟道结构示意图

图3为碳管薄膜生长gan纳米线

图4为实施例1响应曲线

图5为实施例2响应曲线

图6弯曲试验对传感性影响

具体实施方式

实施例1

(1)以体积比为3：1的分析纯浓硝酸(质量分数68％)及分析纯浓硫酸(质量分数98％)混合液作为酸化液体，在单壁碳纳米管中引入羧基基团，在110℃下搅拌90min，在高速离心机9500rad/min中离心，滤去上清液，调节碳管ph至中性，平铺50℃下蒸干水分，得到单壁羧基功能化碳管薄膜；以ga2o3粉末与碳粉(摩尔比为1:3)混合，研磨5min得到前驱粉体：在羧基化碳管薄膜作为衬底，镀10nm的au作为催化剂薄膜；将前驱粉体和衬底放入等离子增强化学气象沉积系统中进行制备：前驱粉体与薄膜质量比为10:1,采用n2和h2混合气体为反应气体，气压90pa；衬底温度700℃；射频电源功率80w；n2气体流速80厘米³/分钟，h2气体流速50厘米³/分钟，反应65min。制得传感材料，其大小与微沟道相同。

(2)将100μm柔性pi基底在氧等离子体处理，具体参数：真空度0.1pa，工作气压20pa，工作气体o2，流量20sccm，射频功率60w，室温处理5min使柔性基底与液体接触角小于5°，在预处理衬底上悬涂1μm环氧树脂；随后裁剪成1×1cm²片子，制得柔性基底。

(3)设计如图1光刻模板，在处理的pi片子上通过紫外曝光做好电极模板，通过电子束蒸镀镀上间隔3μmti/au电极，紫外曝光参数：az5214胶110℃前烘3min,曝光1s，120℃后烘2min，曝光20s，显影1min。电子束蒸镀参数：真空度5×10^-6mbar，ti/au厚度分别为10/100nm。两端电极通过压焊或者银胶引出电极引线。设计微沟道长度为1cm，宽度10μm，制得微沟道电极层，电极层厚150nm。将步骤(1)制得的传感材料导入沟道。

(4)将厚度100μm，孔径0.47μm的pvdf微孔耐磨层进行表面氧等离子体处理增加亲水性，具体参数：真空度0.1pa，工作气压20pa，工作气体o2，流量20sccm，射频功率60w，室温处理5min。随后裁剪成1×1cm²片子，贴装在电极与传感材料上方，制得离子透过亲水耐磨层，使其与液体接触角小于5°；

(5)pi衬底可在400℃以下使用，传感器件对葡萄糖溶液敏感，响应曲线接近线性，分别各取3μl浓度为3mmol/l、4mmol/l、5mmol/l、6mmol/l的葡萄糖溶液，测试其敏感性能。测试数据见图4，响应时间小于1s，并测试器件回复性，回复率大于90％。

实施例2

(1)以体积比为3：1的分析纯浓硝酸(质量分数68％)及分析纯浓硫酸(质量分数98％)混合液作为酸化液体，在单壁碳纳米管中引入羧基基团，在110℃下搅拌90min，在高速离心机9500rad/min中离心，滤去上清液，调节碳管ph至中性，平铺50℃下蒸干水分，得到单壁羧基功能化碳管薄膜；以ga2o3粉末与碳粉(摩尔比为1：3)混合，研磨4min得到前驱粉体：在羧基化碳管薄膜作为衬底，镀20nm的au作为催化剂薄膜；将前驱粉体和衬底放入等离子增强化学气象沉积系统中进行制备：前驱粉体与薄膜质量比为5:1，采用n2和h2作为反应气体，气压60pa；衬底温度500℃；射频电源功率80w；n2气体流速60厘米³/分钟，h2气体流速50厘米³/分钟，反应时间为75min。制得传感材料，其大小与微沟道相同。

(2)将100μm柔性pi基底在氧等离子体处理，具体参数：真空度0.1pa，工作气压20pa，工作气体o2，流量20sccm，射频功率60w，室温处理5min使柔性基底与液体接触角小于5°，在预处理衬底上悬涂1μm环氧树脂；随后裁剪成1×1cm²方片，制得柔性基底。

(3)设计如图1光刻模板，在处理的pi片子上通过紫外曝光做好电极模板，通过电子束蒸镀镀上间隔6μmti/au电极，紫外曝光参数：az5214胶110℃前烘5min,曝光1s，120℃后烘2min，曝光20s，显影1min。电子束蒸镀参数：真空度5×10^-6mbar，ti/au厚度分别为10/100nm。两端电极通过压焊或者银胶引出电极引线。制得微沟道电极层，电极层厚200nm，长度为2cm，宽度10μm。将步骤(1)制得的传感材料导入沟道。

(4)将厚度100μm，孔径0.47μm的pvdf微孔耐磨层进行表面氧等离子体处理增加亲水性，具体参数：真空度0.1pa，工作气压20pa，工作气体o2，流量20sccm，射频功率60w，室温处理5min。随后裁剪成1×1cm²片子，贴装在电极与传感材料上方，制得离子透过亲水耐磨层，使其与液体接触角小于5°；

(5)pi衬底可在400℃以下使用，传感器件对葡萄糖溶液敏感，响应曲线接近线性，分别各取3μl浓度为2mmol/l、4mmol/l、6mmol/l、8mmol/l的葡萄糖溶液，测试其敏感性能。测试数据见图5，响应时间小于1s，并测试器件回复性，回复率大于90％。