一种石墨烯传感器微针的可穿戴设备

1.本发明涉及可穿戴传感领域，尤其是一种石墨烯场效应管生物传感器。


背景技术：

2.无痛实时疾病监控类智能技术主要指在不影响患者日常活动的前提下，可监测人体重要生理指标的可穿戴设备，在医学领域发挥着重要作用。
3.无痛实时疾病监控类智能技术不仅方便、快捷，而且可以提前预测疾病，从而争取抢救的宝贵时间，从而挽救突发性疾病患者的生命。
4.从目前无痛实时疾病监控技术角度来看，我国目前在心梗方面的疾病监控技术还有待提高。心梗不仅致死人数高，且多为突发性疾病，一旦发病，难以及时抢救。近年来，我国生活压力不断升高，导致我国心梗患者人数不断增加。
5.电子皮肤贴片是一种贴附在皮肤上的可穿戴产品。其电子元件涉及各种电子功能的集成，例如传感器、执行器、处理器和通信元件，使电子皮肤贴片实现互连和“智能化”。在许多方面，皮肤贴片将成为一种终极的可穿戴电子设备，以最小的负担和最大的舒适度增强佩戴者。目前的皮肤贴片贴剂在为了克服现有的皮肤贴片贴剂在拉伸，弯曲等情况下不能保持良好的导电性的问题，本发明提供一种贴剂，该贴剂不仅能在弯曲时能保持良好的导电性且导电性比目前的贴剂要高。
6.心肌蛋白在血液中含量低，浓度低，一维及其他二维材料难以满足准确检测浓度的精度，我们项目运用低悬空键密度零带隙的石墨烯表面，降低了电子散射和闪烁噪声的水平，使之具有更高度的灵敏度。石墨烯具有非常优异的电学、热学和力学性质，是一种有重要应用前景的二维新材料。单晶石墨烯具有高于商用硅片几十倍的载流子迁移率以及优良的电子传输特性，因此，石墨烯在微纳电子器件领域有着重要应用前景。由于石墨烯纳米材料具有高载流子、高迁移率(105 cm2/(v
·
s))、超高的体表比(2630m2/g)、高透明度(单层97.7％)以及生物相容性，因此作为传感器材料的石墨烯可以提高fet的灵敏度和稳定性。本项目结合已有的石墨烯材料，研制了高灵敏度石墨烯传感材料，该石墨烯材料具有灵敏的传感性能，能够极大缩短反应时间。现有的心梗检测手段或仪器多以采集人体血液细胞作为检测依据，但这种办法难以实现实时检测或者无法达到短时间内多次定期检测的检测效率。而且，如果采集的血液样本不足的话，也无法保障检测结果的精准度。


技术实现要素：

7.发明目的：针对以上问题，本发明提供了一种石墨烯传感器微针的可穿戴设备，可以及时对人体血液中的心梗检测黄金指标
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心肌蛋白进行检测，能及时诊断疾病和进行同时长时间持续监测，且检测时间短，检验效果佳，准确度高，能精准的反馈人体心血管健康状况信息。
8.技术方案：本发明提出了一种石墨烯传感器微针的可穿戴设备，包括：ti 基底，mns贴剂皮肤贴片，石墨烯，探针，连接剂，生物传感器，所述ti基底沉积在mns贴剂皮肤贴片
表层上作为粘合剂的可拉伸物质，所述的石墨烯为制备的单层的、均匀的石墨烯，所述的探针为心肌肌钙蛋白和肌红蛋白的抗体探针，所述的链接剂为1-芘丁酸n-羟基琥珀酰亚胺酯(pbase)，所述的生物传感器将组织液中的心肌蛋白引入与探针特异性结合，并引起石墨烯表面的电势变化，通过电信号的强弱，系统可以得到浓度数值。所述的生物传感器设置了cox-stuart 检验算法检测浓度变化趋势，并设计时间间隔，若血液中心肌蛋白浓度呈上升趋势，则系统智能检测1min/次；若浓度稳定不变，则系统智能检测1h/次，实现了有条件的时间间隔检测。
9.基于可穿戴微针开发的石墨烯fet传感器系统具有高灵敏度石墨烯传感材料，传感更灵敏，缩短反应时间。由于石墨烯纳米材料具有高载流子、高迁移率 (105cm2/(v
·
s))、超高的体表比(2630m2/g)、高透明度(单层97.7％)以及生物相容性，因此，作为传感器材料的石墨烯可以提高fet的灵敏度和稳定性。石墨烯fet生物传感器，能够在提供检测的血液量较少的情况下，精确检测心肌细胞中肌蛋白的浓度，从而实现对心梗的检测，解决了低浓度情况下，心肌蛋白难以检测的问题。其所需检测检测样品极少的性能，实现了对患者的实时检测。
附图说明
10.图1为石墨烯fet生物传感器的结构示意图及制备过程图；
11.图2为石墨烯传感器测量精度与商用蛋白试剂盒比较图。
具体实施方式
12.如图1，本发明提出了一种可穿戴的石墨烯fet生物传感器，包括：ti基底(1)，mns贴剂皮肤贴片(2)，石墨烯(3)，探针(4)，连接剂(5)，生物传感器(6)。
13.所述将ti(1)沉积在mns贴剂皮肤贴片(2)表层作为粘合剂的可拉伸物质，通过化学气相沉积法将制备的单层的、均匀的石墨烯(3)转移到ti基座(1) 上。石墨烯被喷涂并转移到苯乙烯嵌段异戊二烯嵌段苯乙烯软可拉伸物质上，形成可伸缩电极，再采用聚二甲基硅氧烷模具制备稳定耐用的固体聚苯乙烯mns，并在其表面用沉积一层薄薄的钛(10nm)作为粘合层，将可拉伸物质固定。因其网络结构和高导电性，石墨烯能在弯曲、扭曲和拉伸下保持良好的导电性。以 ti为基底形成的贴片，不仅能在弯曲时能保持良好的导电性，且导电性比现阶段市场上的贴片、贴剂要高。
14.所述的单层的、均匀的石墨烯(3)通过化学气相沉积法被转移到ti基座(1) 上。
15.所述的连接剂1-芘丁酸n-羟基琥珀酰亚胺酯(pbase)(5)修饰石墨烯将探针(4)固定在石墨烯(3)表面，所述连接剂(5)固定心肌肌钙蛋白和肌红蛋白的抗体为探针(4)，如此接种更多的探针在石墨烯表面，形成高浓度探针，制成石墨烯场效应管传感器。本产品将固定于柔性皮肤贴片的微针阵列与石墨烯扩展栅极场效应管结合，设计了实时监测患者心脏状况的系统，将其心肌蛋白等相关数据与正常指标数据对比，从而实现预测使用者的突发性心梗。一般的fet传感器可利用带电荷的生物分子在离子敏感膜上发生识别并形成复合物时，将引起离子敏感膜表面电荷密度的改变，从而改变离子敏感膜电位，这就相当于通过外电源调节栅极电压，达到控制源极与漏极之间的沟道电流的目的。而且，栅极敏感膜上的生物分子吸附量与漏极输出电流在一定范围内有线性相关性。因此，通过测量漏极电流大
小就可以定量分析发生在栅极离子敏感膜上的生物反应，这些生物反应包括核酸杂化、蛋白质作用、抗体抗原结合，以及酶底物反应。
16.利用市面已发展成熟的微针贴片，将微针刺入皮肤接触组织液，由于气压原因组织液会接触石墨烯传感通道，在其表面修饰1-芘丁酸n-羟基琥珀酰亚胺酯 (pbase)为连接剂，将心梗的“金指标”——心肌肌钙蛋白(myo)与肌红蛋白 (ctnⅰ)的抗体作为探针固定在石墨烯表面，重复此过程，使高浓度的探针分布表面。当心梗有发生迹象时，组织液中的心肌蛋白含量突增，被引入生物传感器(6)与探针(4)特异性结合，并引起石墨烯(3)表面的电势变化，通过电信号的强弱，系统可以得到浓度数值。除此之外，本项目设置了cox-stuart检验算法，检测浓度变化趋势，并设计智能时间间隔监测系统，若血液中心肌蛋白浓度呈上升趋势，则智能1min检测一次，若心肌蛋白浓度稳定不变，则智能1h 检测一次，实现了有条件的时间间隔检测和实时监测。
17.表1产品的灵敏度和精确度测定情况
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