一种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，用于实现对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，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，李等在论文《flexiblechitosan/carbonnanotubesaerogel,arobustmatrixforin-situgrowthandnon-enzymaticbiosensingapplications》中提到对碳纳米管进行改性，采用冰模版法将碳纳米管与壳聚糖组装在一起作为敏性材料在柔性基底上制备血糖传感器，但测试过程需要参比电极，测试环境要求为碱性溶液。在柔性传感器阵列方面设计，weigao等在论文《fullyintegratedwearablesensorarraysformultiplexedinsituperspirationanalysis》中提到柔性一体化传感阵列设计，将葡萄糖、钠钾离子、ph值传感微型器件合并在同一柔性衬底上，设计工艺复杂，不利于实现产品大规模生产制造。综合考虑现有葡萄糖传感器普遍存在一系列问题：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，器件成本过高；3，检测精度较低，难以实现实时原位监测；4，测试环境要求高；5，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。

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，通过传感微沟道结构与亲水耐磨层的结合，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无毒无害且体感舒适好的材料制备传感器，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。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种纳米柔性血糖传感器的制备方法，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

利用磁控溅射在步骤一制得薄膜上制备氧化锌，靶材选用氧化锌，溅射气压为1pa，靶基距5-10cm，溅射功率50-300w，用氩气作为保护气，基片温度为常温，溅射20-90min；在该材料上喷涂5-30μl葡萄糖氧化酶溶液，所制得传感材料与微沟道大小相同；葡萄糖氧化酶溶液浓度为1-40mg/ml；

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

在处理后的柔性基底材料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1-6cm，宽度3-100μm；

步骤五：亲水保护层的制备

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，通过环氧树脂贴装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与析出。

进一步，采用磁控溅射或蒸镀制备的膜层厚度控制在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；

葡萄糖传感材料制备与柔性衬底处理无先后顺序。

所制备的血糖微传感器用于对浓度为0.5-30mmol/l血糖线性响应。

一种纳米柔性血糖传感器及其制备方法，包括：柔性基底、环氧树脂层、电极结构、葡萄糖氧化酶负载微沟道、离子透过亲水耐磨层。采用抗弯折柔性聚合物作为基底，采用悬涂法在聚酰亚胺(pi)衬底上悬涂1-3μm环氧树脂，通过模板法设计电极微沟道结构，将纳米线织构材料(碳纳米管氧化锌复合材料)与1～40mg/ml葡萄糖酶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pi等，通过处理亲水性与表面附着性良好。

所述柔性基底厚度为50-200μm，整体面积小于1cm²。

所述纳米线织构敏感层材料选择羧基化表面处理的碳纳米管氧化锌复合薄膜负载葡萄糖氧化酶膜。

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。

所述离子透过亲水耐磨层为多孔聚合物薄膜，亲水性好，葡萄糖分子透过率高。

一种纳米柔性葡萄糖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。制得电极微沟道2。

(3)通过强酸(浓硫酸、浓硝酸)处理，在碳纳米管中引入羧基基团，增强碳纳米管亲水性(接触角小于5°)，利用磁控溅射制得碳纳米管氧化锌薄膜，在碳纳米管薄膜氧化锌复合材料上喷涂适量(1-40mg/ml)葡萄糖氧化酶作为敏性材料导入微沟道中。

(4)离子透过亲水耐磨涂层处理与封装，将处理后的亲水耐磨层进行表面贴装，整体面积不超过基底大小，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。

步骤(1)所述表面处理手段包括氧等离子体处理。

步骤(2)电极微沟道结构设计方法包括通过掩膜版、紫外曝光或者电子束曝光等手段中的一种或几种设计电极结构。

步骤(2)电极微沟道结构制备方式可以为磁控溅射、电子束蒸镀等pvd手段中的一种或几种制作电极层，电极厚度控制在100-150nm，保证导电性能的同时降低成本。

步骤(4)所述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)本发明提供的一种纳米柔性葡萄糖微传感器及其制备方法，通过模板法设计纳米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。基于碳纳米管薄膜较大的表面能，采用溅射氧化锌，同时喷涂葡萄糖氧化酶的方法制备传感材料，对葡萄糖线性敏感。

(2)本发明所述的一种纳米柔性葡萄糖微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，在应用到可穿戴生物葡萄糖微传感器上，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。

(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0.5-30mmol/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实施例一响应曲线

图4实施例二响应曲线

图5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。采用氧化锌作为靶材，溅射气压为1pa，靶基距7cm，溅射功率50w，氩气流量40sccm，室温条件下制得碳纳米管氧化锌复合材料，厚度为200nm。在该材料上喷涂10μl(浓度35mg/ml)葡萄糖氧化酶，用作传感材料，所用传感材料与微沟道大小相同；

(2)将厚度为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厚度1μm环氧树脂；随后裁剪成1×1cm²方片，制得柔性基底，导入1中所制传感材料。

(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。电极厚50nm，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，厚100nm。在沟道中导入步骤(1)制备的传感材料。

(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柔性衬底可用在温度低于300℃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3，响应时间小于0.1s，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110℃下搅拌60min，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。靶材选用氧化锌，溅射气压为1pa，靶基距5cm，溅射功率80w，氩气流量30sccm，基片温度温度为室温，溅射80min，制得碳纳米管氧化锌复合材料，厚度为100nm，在该材料上喷涂20μl(浓度25mg/ml)葡萄糖氧化酶，用作传感材料，制得传感材料与微沟道大小相同；

(2)将厚度为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厚度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。电极厚150nm，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2cm，宽度80μm，制得微沟道电极层。在沟道中导入步骤(1)制备的传感材料。

(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300℃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4，响应时间小于0.1s，并测试器件回复性，回复率大于90％。