无酶的葡萄糖电化学传感器及其检测方法与流程

本发明属于电化学传感器领域，具体涉及无酶的葡萄糖电化学传感器及其检测方法。

背景技术：

生物传感器是一种对生物物质敏感，并可将生物物质浓度信号转换为声、光、电等信号实现定量表征检测的器件。生物传感器器技术在生物、医药、食品、临床、环境等领域均有广泛应用。其中葡萄糖生物传感器对葡萄糖分子具有优异的选择性，能快速、直接地在复杂体系中获取葡萄糖浓度信息，在医疗、环境、工业和农业上均有丰富应用。根据识别元件可以将葡萄糖生物传感器分为酶葡萄糖传感器和无酶葡萄糖传感器。

血糖水平检测是糖尿病病人和高危人群及时控制疾病的重要环节。尽管汗液和泪液等其他体液中的葡萄糖浓度与血糖水平存在明确的依存关系，但其浓度却仅为血糖浓度的几十到几百分之一，远低于现有血糖仪的检出限，因此目前仍采用针刺采血进行测试。

铜及其氧化物具有低毒、低成本、易制备、高催化活性的优点，同时多价态cu基氧化物的氧化还原电子对可促进电子转移速率，从而提高传感器的传感性能，是最佳的无酶葡萄糖传感器电极材料之一，是当下备受瞩目的电极材料之一。大多数学者认为，cu基电极对葡萄糖的响应依赖于在碱性介质中cu基体表面形成的cuooh。目前报道的cu基电极多应用于强碱性条件下（naoh浓度一般在0.1m），而在接近人体液的弱碱性甚至中性环境中的电化学特性却少有报道。专利申请cn201810424973提出，在对电极施加检测电位前，先施加负电位，使其表面吸附oh^-，从而实现在中性环境中的葡萄糖检测。但该专利申请报道的方法需要大量汗液参与测试，需要进行大量运动方可提取，仍不够方便，无法真正实现实时检测。

技术实现要素：

针对现有无酶的葡萄糖电化学传感器存在的以下缺点：（1）需要在碱性条件下进行测试，对于近中性的体液，无法方便的实时检测；（2）在近中性条件下灵敏度不高，偏差较大；（3）对于汗液和泪液等体液的测试，一般需要通过运动、电刺激等方法实现大量样本提取，无法真正实现实时检测。本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种无酶的葡萄糖电化学传感器及其检测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

无酶的葡萄糖电化学传感器，包括由工作电极、参比电极和对电极组成的三电极体系，所述工作电极为多孔cu集流体表面构筑的具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

进一步的，所述工作电极的制备方法如下；

（1）将无颗粒铜导电墨水印制到电极位置；所述的无颗粒铜导电墨水指可在空气中加热得到金属铜的无颗粒导电铜墨水，其制备方法参照专利申请cn106700745；

（2）经80~200℃热处理1~60min获得多孔铜导电薄膜；

（3）经250~400℃热处理5~120min，在多孔铜表面构筑p型铜氧化物纤维阵列；

（4）将电极进行阳极氧化，通过添加卤素和调节ph值，促使卤素离子在铜氧化物表面吸附，并随晶体的生长而实现掺杂，利用卤素离子对空穴的诱捕，将铜氧化物改性为n型半导体，得到所述具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

步骤（4）所述的阳极氧化的电解液为草酸、硫酸、柠檬酸、苹果酸或酒石酸；所述卤素离子为cl^-、br^-或f^-；所述ph值范围在1~5。

所述参比电极为饱和甘汞电极或ag/agcl电极，所述对电极为铂电极。

本发明还提供了所述的无酶的葡萄糖电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）在基材上构筑微流控层（参考文章：anintegratedflex-microfluidic-sichipdevicetowardssweatsensingapplications,sensorsandactuatorsb:chemical.2016,227:427-437.）；所述的基材包括但不限于玻璃、单晶硅、pdms、ptfe、pet、pen、pi等，基材表面可以为平面、曲面或其他复杂形状；

（2）将三电极集成到基材上的微流控层流道上，用阳离子交换膜分割成上层a室和下层b室，其中工作电极和参比电极印制在下层b室，对电极印制在上层a室；所述工作电极、参比电极和对电极的印制方法包括丝印、喷墨打印、旋涂、喷涂或辊涂；

（3）在a室上方添加微型鼓风元件，所述微型鼓风元件作用在于通过减小气压，有利于汗液蒸腾，挥发和补充充盈测试室。

本发明还提供了利用上述无酶的葡萄糖电化学传感器的葡萄糖检测方法，包括以下步骤：

（1）在对电极预施加5~60s负电压-3~-1v，b室中h⁺消耗，ph值上升；

（2）在工作电极施加正电压0.1~0.8v，由于阳离子交换膜限制，在施加正电压时，b室保持碱性状态，实现对葡萄糖的检测。

本发明所述传感器用于柔性可穿戴器件的制备中，为可穿戴传感器，直接贴附皮肤，在蒸腾和毛细作用下，汗液由毛细孔进入测试仓，用于检测葡萄糖。

本发明采用以上技术方案，提供一种可穿戴的全印制铜基葡萄糖传感器，将工作电极设计为在多孔cu集流体表面构筑的具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列，其中p-n结的形成促进了工作电极电子-空穴分离，有利于电催化效率提高，通过预施加负电压，使工作电极表面附着oh^-，在切换为正电压时，可以利用表面吸附的oh^-对体液中的葡萄糖进行检测。此外，本发明采用微流道实现对微量汗液或泪液的采集，利用微型鼓风元件，一方面通过蒸腾实现体液的单向收集，另一方面促进供氧进入阴极形成oh^-。

本发明的有益著效果在于：目前报道的铜基的葡萄糖传感器一般需要在碱性条件下才对葡萄糖有灵敏地检测，而体液一般为中性。本发明的铜基葡萄糖传感器在中性环境下也可实现对葡萄糖的检测，适用于针对人体体液的在线实时检测。此外，本发明术采用印制电子方法，具有灵活、快速、高效和无模版的优势，适合于柔性可穿戴器件的制备。本发明结合微流控技术，可同时实现对微小汗液的收集，实现对汗液等体液的实时检测。

附图说明

图1为本发明的传感器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

工作电极的制备，即具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列的制备：

（1）将无颗粒铜导电墨水印制到电极位置；

（2）经80℃热处理60min获得多孔铜导电薄膜；

（3）经250℃热处理120min，在多孔铜表面构筑p型铜氧化物纤维阵列；

（4）以草酸为电解液，将电极进行阳极氧化，通过添加卤素（cl^-）和调节ph值到1.5，促使卤素离子在铜氧化物表面吸附，并随晶体的生长而实现掺杂，利用卤素离子对空穴的诱捕，将铜氧化物改性为n型半导体，得到所述具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

实施例2

工作电极的制备，即具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列的制备：

（1）将无颗粒铜导电墨水印制到电极位置；

（2）经200℃热处理1min获得多孔铜导电薄膜；

（3）经400℃热处理5min，在多孔铜表面构筑p型铜氧化物纤维阵列；

（4）以硫酸为电解液，将电极进行阳极氧化，通过添加卤素（br^-）和调节ph值到4，促使卤素离子在铜氧化物表面吸附，并随晶体的生长而实现掺杂，利用卤素离子对空穴的诱捕，将铜氧化物改性为n型半导体，得到所述具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

实施例3

工作电极的制备，即具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列的制备：

（1）将无颗粒铜导电墨水印制到电极位置；

（2）经150℃热处理30min获得多孔铜导电薄膜；

（3）经300℃热处理60min，在多孔铜表面构筑p型铜氧化物纤维阵列；

（4）以柠檬酸为电解液，将电极进行阳极氧化，通过添加卤素（f^-）和调节ph值到5，促使卤素离子在铜氧化物表面吸附，并随晶体的生长而实现掺杂，利用卤素离子对空穴的诱捕，将铜氧化物改性为n型半导体，得到所述具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

实施例4

工作电极的制备，即具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列的制备：

（1）将无颗粒铜导电墨水印制到电极位置；

（2）经120℃热处理45min获得多孔铜导电薄膜；

（3）经350℃热处理40min，在多孔铜表面构筑p型铜氧化物纤维阵列；

（4）以苹果酸为电解液，将电极进行阳极氧化，通过添加卤素（cl^-）和调节ph值到1，促使卤素离子在铜氧化物表面吸附，并随晶体的生长而实现掺杂，利用卤素离子对空穴的诱捕，将铜氧化物改性为n型半导体，得到所述具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

实施例5

无酶的葡萄糖电化学传感器的制备方法，所述传感器包括由工作电极、参比电极和对电极组成的三电极体系，所述参比电极为饱和甘汞电极或ag/agcl电极，所述对电极为铂电极，所述工作电极为实施例1-4之一制备的多孔cu集流体表面构筑的具有p-n结特性的同质结铜氧化物纳米纤维阵列。

所述萄糖电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）在基材上构筑微流控层，所述的基材为玻璃、单晶硅、pdms、ptfe、pet、pen、pi等；

（2）如图1所示，将三电极集成到基材上的微流控层流道上，用阳离子交换膜分割成上层a室和下层b室，其中工作电极和参比电极印制在下层b室，对电极印制在上层a室；其中，工作电极、参比电极和对电极的印制方法包括丝印、喷墨打印、旋涂、喷涂或辊涂。

（3）在a室上方添加微型鼓风元件。

实施例6

利用本发明的无酶的葡萄糖电化学传感器的葡萄糖检测方法：

（1）在对电极预施加30s负电压-2v；

（2）在工作电极施加正电压0.5v，由于阳离子交换膜限制，在施加正电压时，b室保持碱性状态，实现对葡萄糖的检测。

实施例7

利用本发明的无酶的葡萄糖电化学传感器的葡萄糖检测方法：

（1）在对电极预施加5s负电压-3v，b室中h⁺消耗，ph值上升；

（2）在工作电极施加正电压0.1v，由于阳离子交换膜限制，在施加正电压时，b室保持碱性状态，实现对葡萄糖的检测。

实施例8

利用本发明的无酶的葡萄糖电化学传感器的葡萄糖检测方法：

（1）在对电极预施加60s负电压-1v，b室中h⁺消耗，ph值上升；

（2）在工作电极施加正电压0.8v，由于阳离子交换膜限制，在施加正电压时，b室保持碱性状态，实现对葡萄糖的检测。

实施例9

利用本发明的无酶的葡萄糖电化学传感器的葡萄糖检测方法：

（1）在对电极预施加20s负电压-1.5v，b室中h⁺消耗，ph值上升；

（2）在工作电极施加正电压0.3v，由于阳离子交换膜限制，在施加正电压时，b室保持碱性状态，实现对葡萄糖的检测。

实施例10

利用本发明的无酶的葡萄糖电化学传感器的葡萄糖检测方法：

（1）在对电极预施加50s负电压-2v，b室中h⁺消耗，ph值上升；

（2）在工作电极施加正电压0.65v，由于阳离子交换膜限制，在施加正电压时，b室保持碱性状态，实现对葡萄糖的检测。