本发明涉及聚合物功能膜材料及生物传感器领域，具体涉及一种生物传感器和该生物传感器的制备方法，尤其涉及一种基于中空纤维膜的生物传感器及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着环境污染日益加重，绿色化学在工业生产以及物质检测领域的应用也越来越广泛，其中以生物活性物质作为催化剂的工业生产以及物质检测成为研究的焦点。生物活性物质包含酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织和核酸等，生物活性物质能够专一、高效地催化某一反应或识别某一物质，而且反应条件温和，效率高，被广泛应用于各个领域。
其中，生物传感器方面的应用更受瞩目，生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。随着智能化与信息化的高速发展及人们对身体健康的高度关注，各式各样的智能穿戴式监测设备正在涌入我们的生活(例如穿戴式血糖仪，可以实时连续监测人体内的血糖浓度，对于糖尿病人来说非常重要，可以减轻糖尿病患者需要每天多次采血的痛苦)，这些智能穿戴式监测设备中最重要也最关键的部分就是传感器的工作电极，而起到监测作用的则是电极上负载的生物活性物质。穿戴式监测设备通常需要将工作电极植入人的皮下组织，即工作电极与生物组织直接接触，存在以下问题：首先，电极上负载的生物活性物质在组织内会发生脱落并在组织液中扩散；其次，生物组织的免疫系统会对外来物质进行攻击，破坏生物活性物质；因此，生物传感器在被植入组织后寿命大大降低，通常为3天-7天。
很多研究者针对这一问题做了很多工作，多种合成高分子材料被用作生物传感器的保护膜，如聚氨酯、聚乳酸、聚合物水凝胶和聚偏氟乙烯等，使传感器的使用寿命大大延长，但同时也存在一些问题。例如，疏水材料及无孔材料会限制葡萄糖的扩散，降低了传感器的灵敏度，而亲水性物质则存在溶胀问题，使得植入组织的传感器响应信号与体外测试的响应信号之间存在偏差，传感器校准困难；膜的固定方法通常采用浸涂法，电极上的生物活性物质直接与溶剂进行接触，活性降低，若有机溶剂等化学物质没有清洗干净还可能对人体产生危害。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种生物传感器，该生物传感器基于中空纤维膜，中空纤维膜的多孔结构不会影响葡萄糖的传质扩散，中空纤维膜可作为生物活性物质的载体，通过固定化技术将生物活性物质截留在中空纤维膜内，提高其稳定性，同时中空纤维膜还可作为金属电极基底(工作电极)的保护膜，能够减少组织免疫反应对生物传感器的破坏，延长生物传感器的使用寿命；中空纤维膜可直接套设在金属电极基底的外表面，金属电极基底不需要与有机溶剂及其他化学物质接触，保持其最高的活性。
本发明还提出一种生物传感器的制备方法，该制备方法不仅可以提高生物活性物质的负载量和负载稳定性，还可以保护生物活性物质，延长生物传感器的使用寿命，具有操作简便快捷等优点。
根据本发明第一方面实施例的生物传感器，包括：金属电极基底，所述金属电极基底形成为针状；中空纤维膜，所述中空纤维膜套设在所述金属电极基底的外周，所述中空纤维膜负载有生物活性物质和电子传输介质。
根据本发明实施例的生物传感器，通过在具有多孔结构的中空纤维膜上负载生物活性物质和电子传输介质，电子传输介质能够提高中空纤维膜与金属电极基底之间的电子传输效率，中空纤维膜可作为生物活性物质的载体和金属电极基底的保护层，将生物活性物质负载至中空纤维膜上可有效提高生物活性物质的固定化稳定性和生物传感器的使用寿命。
根据本发明的一个实施例，所述中空纤维膜形成为与所述金属电极基底同轴设置的环形，所述生物活性物质沿所述金属电极基底的周向负载在所述中空纤维膜内侧，所述电子传输介质沿所述金属电极基底的周向负载在所述生物活性物质内侧。
根据本发明的一个实施例，所述金属电极基底为不锈钢电极、银电极、金电极、铂电极或金属合金电极。
根据本发明的一个实施例，所述电子传输介质为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、银纳米粒子、金纳米粒子、金属及金属氧化物纳米材料中的至少一种，所述生物活性物质为酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织或核酸。
根据本发明的一个实施例，所述中空纤维膜为聚砜膜、聚醚砜膜、纤维素膜、聚酰胺膜、聚四氟乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚苯胺膜、聚丙烯腈膜、聚醚醚酮膜、聚偏氟乙烯膜、陶瓷膜或氧化铝膜。
根据本发明的一个实施例，所述中空纤维膜的平均孔径为0.01μm-5.0μm，内径为0.1mm-5mm，厚度为10μm-500μm，孔隙率为10％-90％。
根据本发明第二方面实施例的生物传感器的制备方法，包括：
s1、在中空纤维膜内固定所述生物活性物质，制得生物活性中空纤维膜；
s2、在步骤s1制得的生物活性中空纤维膜内固定电子传输介质，制得改性生物活性中空纤维膜；
s3、将步骤s2制得的改性生物活性中空纤维膜固定在所述金属电极基底的外表面后，采用密封材料进行密封。
根据本发明的一个实施例，所述步骤s1中，所述生物活性中空纤维膜的生物活性物质负载量为0.01g/m2-5g/m2，所述步骤s2中，所述改性生物活性中空纤维膜的电子传输介质负载量为0.01g/m2-20g/m2。
根据本发明的一个实施例，所述步骤s1中所述生物活性物质的固定方法为循环死端过滤或循环错流过滤，所述步骤s2中所述电子传输介质的固定方法为循环死端过滤或循环错流过滤。
根据本发明的一个实施例，步骤s3中，所述密封材料密封所述中空纤维膜的轴向两端，所述密封材料为石蜡或环氧ab胶。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的生物传感器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的生物传感器的制备方法的流程示意图。
附图说明：
生物传感器100；
金属电极基底10；
中空纤维膜20；生物活性物质21；电子传输介质22。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的生物传感器100。
如图1所示，根据本发明实施例的生物传感器100包括金属电极基底10和中空纤维膜20。
具体而言，金属电极基底10可形成为针状，中空纤维膜20可套设在金属电极基底10的外周，中空纤维膜20负载有生物活性物质21和电子传输介质22。
换言之，根据本发明实施例的生物传感器100主要由金属电极基底10和中空纤维膜20组成，金属电极基底10可形成针状，在金属电极基底10的外周套设有具有多孔结构的负载有生物活性物质21及电子传输介质22的中空纤维膜20，金属电极基底10可作为生物传感器100的电极的基材，中空纤维膜20可作为生物活性物质21的载体和保护层，可有效提高生物活性物质21的稳定性和生物传感器100的使用寿命，负载的电子传输介质22可作为连接层，能提高中空纤维膜20与金属电极基底10之间的电子传输效率。
由此，根据本发明实施例的生物传感器100通过采用金属电极基底10和中空纤维膜20相结合的装置，在具有多孔结构的中空纤维膜20上负载有电子传输介质22，电子传输介质22能够提高中空纤维膜20与金属电极基底10之间的电子传输效率，中空纤维膜20上还负载有生物活性物质21，中空纤维膜20可作为生物活性物质21的载体和金属电极基底10的保护层，多孔的中空纤维膜20中的海绵状微孔结构不会影响葡萄糖的扩散传输，具有更高的比表面积，可提供更多的吸附位点，从而可以提高生物活性物质21的负载量，将生物活性物质21负载至中空纤维膜20上可有效提高生物活性物质21的固定化稳定性和生物传感器100的使用寿命。
根据本发明的一个实施例，中空纤维膜20可形成为与金属电极基底10同轴设置的环形，生物活性物质21可沿金属电极基底10的周向负载在中空纤维膜20内侧，不仅可以提高生物活性物质21的负载量和负载稳定性，还可以保护生物活性物质21，提高生物传感器100的使用寿命，电子传输介质22可沿金属电极基底的周向负载在生物活性物质内侧，可提高金属电极基底10的中空纤维膜20之间的电子传输效率。
需要说明的是，电子传输介质22过滤层一方面可以将生物活性物质21包覆在中空纤维膜20的孔内，起到辅助固定化的作用，另一方面可以提高中空纤维膜20与金属电极基底10之间的电子传输，提高生物传感器100的敏感度。
在本发明的一些具体实施方式中，金属电极基底10可为不锈钢电极、银电极、金电极、铂电极或金属合金电极，金属电极基底10还可以为其他金属电极。
可选地，电子传输介质22可为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、银纳米粒子、金纳米粒子、金属及金属氧化物纳米材料中的至少一种，生物活性物质21可为酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织或核酸，其中酶可为葡萄糖氧化酶、半乳糖氧化酶、谷氨酸脱氢酶、胆固醇氧化酶、乙醇氧化酶、乳酸氧化酶等。
可选地，中空纤维膜20可为聚砜膜、聚醚砜膜、纤维素膜、聚酰胺膜、聚四氟乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚苯胺膜、聚丙烯腈膜、聚醚醚酮膜、聚偏氟乙烯膜及其他有机聚合物膜，陶瓷膜或氧化铝膜以及其他无机膜。
根据本发明的一个实施例，中空纤维膜20的平均孔径可为0.01μm-5.0μm，内径可为0.1mm-5mm，厚度可为10μm-500μm，孔隙率可为10％-90％。
优选地，膜的平均孔径为0.2μm～1μm，膜的厚度为50-120μm，内径为0.260mm-0.420mm。
总而言之，根据本发明第一方面实施例中的生物传感器100在具有多孔结构的中空纤维膜20上负载有生物活性物质21和电子传输介质22，中空纤维膜20可作为生物活性物质21的载体和金属电极基底10的保护层，电子传输介质22能够提高中空纤维膜20与金属电极基底10之间的电子传输效率，将生物活性物质21负载至中空纤维膜20上可有效提高生物活性物质21的固定化稳定性和生物传感器100的使用寿命。
根据本发明实施例的生物传感器的制备方法包括：
s1、在中空纤维膜20内固定生物活性物质21，制得生物活性中空纤维膜；
s2、在步骤s1制得的生物活性中空纤维膜内固定电子传输介质22，制得改性生物活性中空纤维膜；
s3、将步骤s2制得的改性生物活性中空纤维膜固定在金属电极基底10的外表面后，采用密封材料进行密封。
具体而言，首先，依次将生物活性物质21负载至中空纤维膜20的外圈；然后，将电子传输介质22负载至中空纤维膜20的内圈；最后，将负载有生物活性物质21及电子传输介质22的中空纤维膜20套设至金属电极基底10的外表面，并将中空纤维膜20的顶端和底端进行密封。
换言之，根据本发明实施例的生物传感器的制备方法为：首先，在多孔的中空纤维膜20上固定生物活性物质21，获得负载有生物活性物质21的中空纤维膜20；随后，进一步在中空纤维膜20上固定电子传输介质22，电子传输介质22过滤层一方面可以将生物活性物质21包覆在中空纤维膜20的多孔结构内，起到辅助固定化的作用，另一方面可以提高中空纤维膜20与金属电极基底10之间的电子传输，提高生物传感器100的敏感度；最后，将改性的生物活性中空纤维膜直接套在针型的金属电极基底10的外表面，中空纤维膜20的顶端和底端分别采用密封材料进行密封。
由此，根据本发明实施例的生物传感器的制备方法不仅可以制备得到提高生物活性物质21的负载量和负载稳定性以及延长传感器使用寿命的生物传感器100，还具有操作方便简单等优点。
进一步地，生物活性中空纤维膜的生物活性物质21负载量可为0.01g/m2-5g/m2，步骤s2中，改性生物活性中空纤维膜的电子传输介质22负载量可为0.01g/m2-20g/m2。
根据本发明的一个实施例，步骤s1中生物活性物质21的固定方法可为循环死端过滤或循环错流过滤，如有必要可进一步进行交联实验，步骤s2中电子传输介质22的固定方法可为循环死端过滤或循环错流过滤。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤s3中，密封材料密封中空纤维膜20的轴向两端，密封材料可为石蜡或环氧ab胶以及其他密封材料，步骤s3中改性生物活性中空纤维膜固定在金属电极基底10的外表面的方法可以为将改性生物活性中空纤维膜直接套在针型的金属电极基底10的外表面。
下面结合具体实施例对本发明生物传感器的制备方法进行具体说明。
实施例1
金属电极基底10为不锈钢针型电极，中空纤维膜20为聚砜亲水多孔中空纤维膜，平均孔径为0.01μm，内径为0.1mm，厚度为10μm，孔隙率为10％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为葡萄糖氧化酶，负载量为0.01g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为多臂碳纳米管，负载量为0.01g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将葡萄糖氧化酶(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将多臂碳纳米管(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有葡萄糖氧化酶和多臂碳纳米管的中空纤维膜20套到不锈钢针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用石蜡进行密封。
实施例2
金属电极基底10为铜电极，中空纤维膜20为聚砜亲水多孔中空纤维膜，平均孔径为0.08μm，内径为0.22mm，厚度为50μm，孔隙率为30％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为抗体蛋白，负载量为0.5g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为石墨烯纳米粒子，负载量为1.2g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将抗体蛋白(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将石墨烯纳米粒子(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有抗体蛋白和石墨烯纳米粒子的中空纤维膜20套到不锈钢针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用石蜡进行密封。
实施例3
金属电极基底10为银针型电极，中空纤维膜20为醋酸纤维素多孔中空纤维膜，平均孔径为0.2μm，内径为0.32mm，厚度为80μm，孔隙率为40％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为乳酸氧化酶，负载量为1g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为多臂碳纳米管，负载量为2g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将乳酸氧化酶(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将多臂碳纳米管(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有乳酸氧化酶和多臂碳纳米管的中空纤维膜20套到不锈钢针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用石蜡进行密封。
实施例4
金属电极基底10为金针型电极，中空纤维膜20为聚醚醚酮多孔中空纤维膜，平均孔径为0.3μm，内径为0.6mm，厚度为240μm，孔隙率为25％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为谷氨酸脱氢酶，负载量为0.8g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为铂纳米粒子和氧化石墨烯纳米片，负载量为5g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将谷氨酸脱氢酶(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将铂纳米粒子和氧化石墨烯纳米片(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有谷氨酸脱氢酶、铂纳米粒子和氧化石墨烯纳米片的中空纤维膜20套到金针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用石蜡进行密封。
实施例5
金属电极基底10为银针型电极，中空纤维膜20为聚偏氟乙烯亲水多孔中空纤维膜，平均孔径为0.4μm，内径为0.4mm，厚度为100μm，孔隙率为30％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为乙醇氧化酶，负载量为1g/m2，固定方法为循环错流过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为多臂碳纳米管，负载量为2g/m2，固定方法为循环死端过滤。
制备方法：
将乙醇氧化酶(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将多臂碳纳米管(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有乙醇氧化酶和多臂碳纳米管的中空纤维膜20套到银针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用石蜡进行密封。
实施例6
金属电极基底10为铂针型电极，中空纤维膜20为聚丙烯多孔中空纤维膜，平均孔径为0.6μm，内径为0.8mm，厚度为300μm，孔隙率为90％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为胆固醇氧化酶，负载量为2g/m2，固定方法为循环错流过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为氧化石墨烯纳米片，负载量为5g/m2，固定方法为循环死端过滤。
制备方法：
将胆固醇氧化酶(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将氧化石墨烯纳米片(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有胆固醇氧化酶和氧化石墨烯纳米片的中空纤维膜20套到铂针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用环氧ab胶进行密封。
实施例7
金属电极基底10为铂针型电极，中空纤维膜20为聚丙烯腈多孔中空纤维膜，平均孔径为1μm，内径为1.2mm，厚度为300μm，孔隙率为70％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为酵母菌，负载量为4g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为金纳米粒子，负载量为9g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将酵母菌(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将金纳米粒子(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有酵母菌和金纳米粒子的中空纤维膜20套到铂针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用环氧ab胶进行密封。
实施例8
金属电极基底10为铜针型电极，中空纤维膜20为氧化铝多孔中空纤维膜，平均孔径为2.3μm，内径为2.5mm，厚度为350μm，孔隙率为45％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为酵母菌，负载量为4g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为金纳米粒子，负载量为9g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将酵母菌(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将金纳米粒子(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有酵母菌和金纳米粒子的中空纤维膜20套到铜针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用环氧ab胶进行密封。
实施例9
金属电极基底10为铂铱合金针型电极，中空纤维膜20为氧化铝多孔中空纤维膜，平均孔径为3μm，内径为3.5mm，厚度为450μm，孔隙率为55％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为抗体蛋白酶，负载量为3g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为氧化锌纳米晶须和多臂碳纳米管，负载量为10g/m2，固定方法为循环死端过滤。
制备方法：
将抗体蛋白酶(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将氧化锌纳米晶须和多臂碳纳米管(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有抗体蛋白酶、氧化锌纳米晶须和多臂碳纳米管的中空纤维膜20套到铂铱合金针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用环氧ab胶进行密封。
实施例10
金属电极基底10为不锈钢针型电极，中空纤维膜20为陶瓷多孔中空纤维膜，平均孔径为5.0μm，内径为5mm，厚度为500μm，孔隙率为60％；中空纤维膜20负载的生物活性物质21为活性细胞，负载量为5g/m2，固定方法为循环死端过滤；中空纤维膜20负载的电子传输介质22为多臂碳纳米管，负载量为20g/m2，固定方法为循环错流过滤。
制备方法：
将活性细胞(生物活性物质21)过滤到中空纤维膜20的内侧，将多臂碳纳米管(电子传输介质22)过滤到生物活性物质21的内侧，再将负载有活性细胞和多臂碳纳米管的中空纤维膜20套到不锈钢针型电极(金属电极基底10)的外表面，最后将中空纤维膜20的顶端和底端采用石蜡进行密封。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。