一种基于PET的柔性电极及其制备方法和应用

一种基于pet的柔性电极及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及电化学传感器技术领域，具体涉及一种基于pet的柔性电极及其制备方法。


背景技术：

2.皮质醇由肾上腺产生，它具有影响葡萄糖生成、脂肪代谢、炎症反应、中枢神经系统和 免疫功能的几个重要功能。体内皮质醇水平的异常分泌会抑制免疫系统，抑制炎症并降低脂 肪和氨基酸的浓度。生理上较高的皮质醇浓度与库欣病有关，并导致疲劳、骨骼脆弱和肥胖 的症状；而较低的皮质醇浓度会导致爱迪生病。皮质醇也被认为是压力的生物标志物，而长 期的压力会导致很多负面后果，并对免疫、心血管和中枢神经系统产生不利影响。因此，如 果身体受到慢性压力的影响，检测皮质醇可能是非常有用的指标，并有助于这些疾病的早期 诊断。
3.目前，基于物理信号监测的柔性可拉伸传感器迅速发展，并在人类活动健康监测和个性 化治疗方面展示了巨大的应用前景。柔性电化学传感器则是获取生物体内信号分子丰富化学 信息的强有力监测工具，由于其具有良好的力学性能、灵敏度和稳定性等特性而广泛应用到 健康监护系统中。然而，与当前发展迅猛的物理传感器相比，电化学传感器对材料的导电性 和电化学惰性要求更高，导致柔性电化学设备发展相对缓慢。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于pet的柔性电极及其制备方法，在pet衬底 上依次形成柔性mxene和mwcnt复合层、皮质醇抗体层以及牛血清蛋白层，电极结构简 单，制作过程简单，具有较高的电化学性能、机械柔韧性和生物相容性，在广泛的应用于临 床诊断的便携式分析设备、病情实时监控和人体健康监测等领域具有巨大潜力。
5.为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
6.一种基于pet的柔性电极，包括印刷有碳浆的pet衬底，在所述pet衬底上从下至上 依次设有mxene和mwcnt复合层、皮质醇抗体层、以及牛血清蛋白层。
7.其中，mxene和mwcnt复合层，设置在所述pet衬底的表面；皮质醇抗体层，设置 在所述mxene和mwcnt复合层的表面；以及牛血清蛋白层，设置在所述皮质醇抗体层的 表面。
8.上述基于pet的柔性电极的制备方法，包括以下步骤：
9.s10，将pet衬底固定在印刷模板上，再将碳浆滴在丝网上，然后用刮板印刷，将pet 衬底与丝网印刷模板分离并放置在真空干燥箱中在70
±
5℃下干燥240
±
5min后制成丝网印刷 碳电极，作为工作电极；
10.s20，将mxene和mwcnt的混悬液滴在s10的工作电极表面，在真空干燥箱中25-35℃ 放置325-35min形成mxene和mwcnt复合层；
11.s30，将edc滴加在s20的mxene和mwcnt复合层表面，室温孵育25-35min，然后 将nhs滴加在其表面室温孵育25-35min，最后将皮质醇抗体滴加到edc-nhs表面室温孵育 30
±
5min，获得皮质醇抗体层；
12.s40，将牛血清蛋白添加到皮质醇抗体层表面，室温孵育25-35min，得到所述柔性电极。
13.进一步地，所述步骤s20中，所述mxene和mwcnt混悬液的浓度为1～15mg/ml， mxene和mwcnt之间的质量比为1:1。
14.进一步地，所述步骤s30中，所述edc的浓度为0.1mm，nhs的浓度为0.15mm，皮质 醇抗体的浓度为1～10μg/ml。
15.进一步地，所述步骤s40中，所述牛血清蛋白的浓度为1mg/ml。
16.一种检测皮质醇的电极系统，包括：工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极为上 述基于pet的柔性电极，参比电极为ag/agcl电极，对电极为碳浆印刷电极。
17.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
18.本发明的一种基于pet的柔性电极及其制备方法，在pet衬底上依次形成柔性mxene 和mwcnt复合层、皮质醇抗体层以及牛血清蛋白层，该柔性电极以pet为基底，mxene 和mwcnt无序网络复合结构为导电层及传感层，结构简单，制作过程简单，具有较高的电 化学性能、机械柔韧性和生物相容性，在广泛的应用于临床诊断的便携式分析设备、病情实 时监控和人体健康监测等领域具有巨大潜力。
附图说明
19.下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有 益效果显而易见。
20.图1所示为本发明一实施例的s20～s40步骤的流程图解；
21.图2所示为本发明一实施例的不同比例的mxene和mwcnt悬浮液所制备的电极在10 mmol/l的铁氰化钾中的循环伏安图；
22.图3所示为本发明一实施例的不同浓度mxene和mwcnt悬浮液所制备的电极在10 mmol/l的铁氰化钾中的循环伏安图；
23.图4所示为本发明一实施例的不同皮质醇抗体浓度所制备的电极与抗原抗体结合前后电 流差的关系图；
24.图5所示为本发明一实施例的添加标准皮质醇溶液不同孵育时间所制备的电极与抗原抗 体结合前后电流差的关系图；
25.图6所示为本发明一实施例的基于pet的柔性电极的扫描电子显微镜图片；
26.图7所示为本发明一实施例的基于pet的柔性电极的透射电子显微镜图；
27.图8所示为本发明一实施例的基于pet的柔性电极的eds能谱；
28.图9所示为本发明一实施例的分析装置应用于皮质醇标准溶液分析时，加入不同浓度的 皮质醇产生的电流响应；
29.图10所示为本发明一实施例的分析装置应用于皮质醇标准溶液分析时，皮质醇的浓度与 相应电流信号值的线性关系；
30.图11所示为本发明一实施例的基于pet的柔性电极的添加不同干扰物的电极与产生的 电流响应关系图；
31.图12所示为本发明一实施例的基于pet的柔性电极的添加标准皮质醇溶液分析
时，不 同电极测试结果的差异关系图；
32.图13所示为本发明一实施例的分析装置应用于汗液皮质醇的测量。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属 于本发明保护的范围。
34.实施例1
35.本实施例提供了一种基于pet的柔性电极，包括：印刷有碳浆的pet衬底；mxene和 mwcnt复合层，设置在所述pet衬底的表面；皮质醇抗体层，设置在所述mxene和mwcnt 复合层的表面；以及牛血清蛋白层，设置在所述皮质醇抗体层的表面。
36.本实施例还提供了上述基于pet的柔性电极的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
37.s10首先，将pet衬底固定在印刷模板上；其次，将碳浆滴在丝网上，然后用刮板印刷 作为工作电极；ag/agcl浆同样浇注到模板上印刷作为参比电极。最后，将pet膜与丝网印 刷模板分离并放置在真空干燥箱中在70
±
5℃下干燥240
±
5min后制成丝网印刷碳电极。
38.s20配置mxene和mwcnt的混悬液滴在上述工作电极表面，在真空干燥箱中30
±
5℃ 放置30
±
5min形成mxene和mwcnt复合层。
39.s30将edc滴在mxene和mwcnt复合层表面，室温孵育30
±
5min，然后将nhs同样 滴在mxene和mwcnt复合层表面，室温孵育30min
±
5min，最后将皮质醇抗体固定到 edc-nhs表面，室温孵育30
±
5min，获得皮质醇抗体层。
40.以及s40将牛血清蛋白添加到皮质醇抗体层表面，室温孵育30
±
5min，获得最终柔性电 极。
41.所述步骤s20中，所述mxene和mwcnt混悬液的浓度为7.5mg/ml，两者之间的比例 为1:1。所述mxene和mwcnt复合层与pet衬底组成了一个柔性工作电极，具有优异的电 化学性能和较高的柔韧性，加工处理方便。
42.所述步骤s20中，所述mxene和mwcnt混悬液的浓度为1～15mg/ml，优选1mg/ml、 5mg/ml、7.5mg/ml、10mg/ml或15mg/ml，其中最优浓度为7.5mg/ml。mxene和mwcnt 具有大的比表面积，碳纳米管具有大纵横比、高机械强度、低刚度和化学惰性，是制备柔性 传感器的理想材料。
43.所述步骤s30中，所述edc浓度为0.1mm，nhs浓度为0.15mm；皮质醇抗体浓度为 1～10μg/ml，优选1μg/ml、2.5μg/ml、5μg/ml、7.5μg/ml或10μg/ml，其中最优浓度为5μg/ml。 电化学响应此时达到最大，为皮质醇检测提供了优良的电化学性能。
44.所述步骤s40中，牛血清蛋白浓度为1mg/ml，电化学响应此时达到最大。
45.性能测试
46.分别配置质量比为4:1、2:1、1:1、1:2、1:4的mxene和mwcnt的混悬液，滴到工作 电极表面，在真空干燥箱中30
±
5℃放置30
±
5min形成mxene和mwcnt复合层。制备完成 后用
电化学工作站测量其在10mmol/l铁氰化钾中的循环伏安图。如图2所示，当mxene和 mwcnt的质量比为1:1时其氧化峰值电流高于其他质量比，选择质量比为1:1时的mxene 和mwcnt混悬液作为制备传感器的最佳比例。
47.分别配制浓度为1mg/ml、5mg/ml、7.5mg/ml、10mg/ml和15mg/ml的mxene和 mwcnt混悬液滴在工作电极表面，在真空干燥箱中30
±
5℃放置30
±
5min形成mxene和 mwcnt复合层。制备完成后用电化学工作站测量其在10mmol/l铁氰化钾中的循环伏安图。 如图3所示，mxene和mwcnt的混悬液的浓度在7.5mg/ml下给出最高响应，而进一步增 加时其氧化还原峰值电流的变化微不足道。因此，综合考虑机械、电学和电化学性能，选择 7.5mg/ml的mxene和mwcnt混悬液浓度作为制备柔性传感器的最佳浓度。
48.如图4所示，当皮质醇的抗体浓度高于5μg/ml时，电流信号趋于平稳，皮质醇抗体与 过量的皮质醇之间没有进一步的显著结合。因此使用5μg/ml的最佳抗体浓度来构建免疫传 感器。电流信号与孵育时间的关系如如图5所示，电流信号从5分钟到20分钟迅速上升，然 后当皮质醇的孵育时间高于20分钟时略有下降。因此在随后的实验里使用了皮质醇孵育时间 为20分钟。
49.图6～7为mxene和mwcnt的交联结构；图8所示的eds能量谱显示了氟、氧、钛和 碳元素在电极表面的分布。
50.实施例2
51.以上述pet的柔性电极为工作电极、ag/agcl电极为参比电极、碳浆印刷电极为对电极 构成了三电极检测系统，使用此三电极检测系统可以实现人体汗液中皮质醇的检测。
52.用汗液中的几种常见物质进行了研究，包括葡糖糖(glu)，乳酸(la)，抗坏血酸(aa)， 氯化钠(nacl)，尿素(ua)和氯化钾(kcl)。如图11所示，皮质醇是唯一引起剧烈电流 响应的物质，而其他研究的物质始终表现出较低的相应电流变化。电极的相对电阻(r/r0)没有 发生明显的变化。
53.如图12所示，准备八个单独的制备好的工作电极并在相同条件下进行测量，以确保工作 电极测试结果的重复性。由图可以看出制备的工作电极具有可接受的皮质醇检测重现性。
54.以ph＝7.4、浓度为0.1mol/l的磷酸缓冲溶液配置不同浓度的皮质醇标准液，如图9～10 所示，随着皮质醇浓度的增加，响应电流相应减小，反映出较好的电化学传感能力。响应电 流显示出与皮质醇浓度在0.1fg至1ng之间的线性关系，相关系数为0.998，检测限为 0.03fg/ml。
55.实际汗液样品中皮质醇的检测
56.为了验证所发明的电极作为柔性传感器的可行性，将实际汗液滴加到电极表面。选择差 分脉冲伏安法监测电极表面皮质醇的浓度。制备的电极与皮质醇孵育20分钟，为抗原-抗体 相互作用提供足够的时间。为了评估测量结果的准确性，使用化学发光免疫分析方法，即clia 方法进行验证。如图13所示，本工作电极测量方法与clia方法具有良好的一致性。
57.以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。