一种光寻址电化学传感器及其制备方法和检测方法与流程

本发明属于生物样品电化学传感器检测领域，涉及一种光寻址电化学传感器及其制备方法和检测方法。

背景技术：

糖尿病是一组慢性代谢紊乱并导致严重并发症的疾病，其中血糖和尿糖含量是糖尿病的重要判断标准，因此能否有效地进行血糖和尿糖的检测对糖尿病的早期筛查非常重要。近年来，对葡萄糖浓度进行电化学分析检测多见于研究。传统电化学传感器对葡萄糖的检测方法具有反应灵敏、检测范围大、稳定性强等优点，但通常存在传感器制作周期长、设备过大、成本昂贵等情况。

光寻址电位传感器laps是基于半导体内光电效应的一种敏感器件。它包含一个参考电极、敏感面以及一个硅基底，通过电导线形成闭合回路。当半导体硅受到一定波长的光照射时会吸收光子并完成跃迁，出现电子空穴对。此时施加一个偏置电压，在外电路会产生可检测的光电流。

目前市场上并无成型的利用laps光电效应制备传感器实现葡萄糖灵敏检测的设备。现有的应用于葡萄糖检测的电化学传感器中，专利“一种电化学葡萄糖生物传感器的制备方法及其用于葡萄糖测试的检测方法”cn105548317a公开了一种设计钛酸钙纳米粒子修饰的电化学葡萄糖生物传感器的制备方法，以及利用所述电化学葡萄糖生物传感器进行检测的方法，可以利用钛酸钙纳米粒子固定葡萄糖氧化酶对葡萄糖进行检测。但该技术电极制备周期较长，传感器制备不易无法实现原位检测。然而，本发明的结合光电效应的电化学传感器可以有效解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有电化学葡萄糖检测传感器难以实现快速现场检测、成本高、制备复杂等问题，本发明公开一种光寻址电化学传感器及其制备方法和检测方法，本发明结合光电效应的电位传感器对葡萄糖检测，光寻址电化学传感器的制备包括系统拓扑结构的构建、laps芯片的制作和组装、传感器功能修饰、参比电极的制作和传感器的组装，并利用所制备的传感器进行葡萄糖浓度检测。由于laps芯片的传感面与被测溶液中特定物质发生作用，在表面吸附一层离子产生膜电位，导致绝缘层sio2和硅基底之间的电压产生偏移，因此引起伏安特性标准曲线偏移，通过偏移量就得到待测离子的浓度。本发明根据这个原理设计出微型光寻址电化学传感器实现对葡萄糖的现场检测，具有传感器制备成本低、制备过程简便、便于携带等优点，很好解决了传统电化学传感器检测时存在的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光寻址电化学传感器，包括集成有源驱动器、激光组件、光纤、laps芯片、参比电极和跨阻抗放大器；

所述激光组件包括激光二极管和微透镜；所述激光二极管、半反半透镜和微透镜在同一光路上，所述激光二极管与集成有源驱动器连接，激光二极管的光源经过微透镜到达光纤的一端，所述光纤的另一端设有laps芯片，laps芯片用于测量葡萄糖浓度；

laps芯片和参比电极分别与跨阻抗放大器的一端连接，跨阻抗放大器的另一端用于连接外部设备。

上述方案中，所述laps芯片包括依次连接的第一金层、二氧化硅层、n型硅晶基底和第二金层；用丙酮稀释隔离性环氧胶涂在除第一金层表面外的其他区域，在第一金层表面上先后滴裹葡萄糖氧化酶gox溶液和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物作为传感面。

上述方案中，所述激光组件还包括光电二极管、半反半透镜和反光镜；

所述光电二极管与集成有源驱动器连接，激光二极管的部分光源经过所述半反半透镜和微透镜到达光纤的一端，所述激光二极管的另一部分光源通过反光镜反射到光电二极管。

一种根据所述光寻址电化学传感器的制作方法，包括以下步骤：

拓扑结构的构建：所述光寻址电化学传感器包括集成有源驱动器、激光组件、光纤、laps芯片、参比电极和跨阻抗放大器；

所述激光组件包括激光二极管和微透镜；所述激光二极管、半反半透镜和微透镜在同一光路上，所述激光二极管与集成有源驱动器连接，激光二极管的光源经过微透镜到达光纤的一端，所述光纤的另一端设有laps芯片，laps芯片用于测量葡萄糖浓度；

laps芯片和参比电极分别与跨阻抗放大器的一端连接，跨阻抗放大器的另一端用于连接外部设备；

laps芯片的制作和组装：以n型硅晶片作为基底，在热干氧化下，n型硅晶片的两侧各生长了两层二氧化硅，用氢氟酸hf完全除去上面的一层二氧化硅，再使用热蒸发法在两侧各沉积第一金层和第二金层，接着通过影印石板术，将微环光刻在第二金层上，第二金层直接与n型硅晶片表面接触，与此同时在对侧就得到了一个固态金表面，即第一金层；将此芯片切成圆芯片，将光纤置于圆芯片的金环中心，使用银胶来组装laps芯片和光纤，银胶通过银漆线使得laps芯片和跨阻抗放大器连接，用丙酮稀释隔离性环氧胶涂在除第一金层表面外的其他区域；

传感器功能修饰：在第一金层表面上先后滴裹葡萄糖氧化酶gox溶液和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物作为传感面；

参比电极的制作：裸银线放置在盐酸中生成ag-agcl薄层，用环氧树脂将其组装在laps芯片7附近，作为参比电极；

传感器的组装：将集成有源驱动器、所述激光组件、跨阻抗放大器组装在印刷电路板上。

上述方案中，所述拓扑结构的构建步骤中激光组件还包括光电二极管、半反半透镜和反光镜；

所述光电二极管与集成有源驱动器连接，激光二极管的部分光源经过所述半反半透镜和微透镜到达光纤的一端，所述激光二极管的另一部分光源通过反光镜反射到光电二极管。

上述方案中，所述传感器功能修饰的步骤中葡萄糖氧化酶gox溶液的浓度为10-50g/l，用量为0.5-1.0μml。

上述方案中，所述传感器功能修饰的步骤中全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物为稀释液，所述稀释液为用95％乙醇将全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物稀释到质量分数为1％制得，稀释液的用量为0.4μml。

一种利用所述的光寻址电化学传感器的葡萄糖检测方法，包括以下步骤：

建立光电流的i/v曲线：laps芯片传感面直接与待测样品接触，在葡萄糖氧化酶gox的作用下，随着样品葡萄糖浓度的改变，氧化还原电位也随之改变，建立光电流的i/v标准曲线；

根据建立光电流的i/v曲线测出待测葡萄糖浓度：所述laps芯片和参比电极的传感区与待测样品接触，并在n型硅晶基底-二氧化硅层界面上施加直流偏压后产生耗尽层，当laps芯片被调制光照射后，光电流信号通过跨阻抗放大器放大并传输到计算机进行数据分析，所述光电流由直流偏压和金属层的氧化还原电位决定，当葡萄糖氧化酶gox存在于传感面时，酶催化反应并诱导产生h2o2，由于h2o2的存在，对应不同浓度的葡萄糖会产生不同的氧化还原电位，由于得到了建立在光电流和偏置电流上的i/v标准曲线，通过其位移能够测出葡萄糖浓度。

上述方案中，所述光电流的i/v的标准曲线为：y＝958-101.1lgx,r²＝0.992。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过葡萄糖氧化酶与样品中葡萄糖的反应，结合光电效应将检测结果输出测得葡萄糖浓度，实现了电化学传感器的便携灵敏式设计，为葡萄糖在线实时检测提供了可能性。本发明所涉及的光寻址电化学传感器传感面的新型修饰方法，弥补了一般电化学传感器参比电极修饰复杂、制作周期长、成本高的缺点，可实现对样品中葡萄糖浓度的原位检测，本发明能够应用到糖尿病患者的血糖检测。

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：本发明的光纤端面的微型光寻址电位传感器的电路设置；

图2：光寻址电位传感器敏感面的修饰过程；

图3：葡萄糖浓度测定曲线；

图4：葡萄糖浓度与传感器信号的标准曲线图；

图5：发明方法检测样本血糖浓度与标准方法检测对比图；

图6：发明方法检测样本尿糖浓度与标准方法检测对比图。

图中，1、集成有源驱动器；2、激光组件；3、激光二极管；4、光电二极管；5、微透镜；6、光纤；7、laps芯片；8、参比电极；9、跨阻抗放大器；10、恒电位器接口；11、半反半透镜；12、反光镜。

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种光寻址电化学传感器的制作方法，包括以下步骤：

拓扑结构的构建：如图1所示，所述光寻址电化学传感器包括集成有源驱动器1、激光组件2、光纤6、laps芯片7、参比电极8和跨阻抗放大器9；

所述激光组件2包括激光二极管3、光电二极管4、半反半透镜11和反光镜12和微透镜5；所述激光二极管3、半反半透镜11和微透镜5在同一光路上，所述激光二极管3、光电二极管4分别与集成有源驱动器1连接，激光二极管3的部分光源经过所述半反半透镜11和微透镜5到达光纤6的一端，所述光纤6的另一端设有laps芯片7，laps芯片7用于测量葡萄糖浓度；所述激光二极管3的另一部分光源通过反光镜12反射到光电二极管4；

laps芯片7和参比电极8分别与跨阻抗放大器9的一端连接，跨阻抗放大器9的另一端用于连接外部设备。

优选的，所述激光二极管3产生的≥70％的大部分光，会通过微透镜5聚焦，然后由束尾光纤6输出，所述激光二极管3产生的约5-10％的光会被耦合到光电二极管4上并激发光电流，以作为检测和反馈信号传送到集成有源驱动器1。当laps芯片7和固态参比电极8伸入待测样品进行检测时，用光纤6调制光照射laps芯片7后产生可检测的光电流。

所述跨阻抗放大器9分别与laps芯片7和参比电极8连接，可以缩短信号长度、减少电磁干扰。

所述集成有源驱动器1接收并放大外部正弦信号后驱动激光二极管3，激光二极管3不具有线性的v-i特性，集成有源驱动器1需要设计成电流放大模式，该模式下的输出电流正比于输入信号的电压幅值。与此同时，待测样品电阻和光电二极管4产生的误差信号作为集成有源驱动器1的负反馈因子。

图1所示的电路，具体的，在集成有源驱动器1中，运算放大器op1a接收外部，如恒电位仪提供的激励正弦波信号，经放大后用于驱动激光二极管3；采样电阻r1a两端分别与op1a反向输入端和地连接，流经激光二极管3的驱动电流经采样电阻r1a接地，并在r1a上产生电流负反馈信号。激光二极管3产生的激光在模块内部由半反半透镜11、反光镜12和微透镜5分成两部分，其中绝大部分能量经光纤6对laps芯片7进行激发照射；其他能量在模块内部对光电二极管4进行激发照射。光电二极管4产生的光电信号经op1b进行缓冲放大后，经r1b输出至op1a反向输入端，作为光强负反馈信号。laps芯片7与参比电极8在溶液环境中构成了两电极系统，并分别与op10和跨阻抗放大器9连接。跨阻抗放大器9与外部恒电位仪参比电极接口连接，恒电位信号经由运算放大器op9与电阻r9构成的电路输出至固态参比电极8；laps芯片7产生的光电流信号经op10进行i/v变换后输出至外部恒电位器。

如图2所示，laps芯片7的制作和组装：以厚度为500μm，晶面取向为100的n型硅晶片作为基底，在1100℃温度条件下热干氧化45分钟，n型硅晶片的两侧各生长了两层二氧化硅，用氢氟酸hf完全除去上面的一层二氧化硅，再使用热蒸发法autoe306，edwards，uk在两侧各沉积90-100nm第一金层和第二金层，接着通过影印石板术，将微环光刻在第二金层上，第二金层直接与n型硅晶片表面接触，与此同时在对侧就得到了一个固态金表面，即第一金层；将此芯片切成圆芯片，优选的，所述圆芯片的内径为900μm，外直径为950μm，切割芯片的直径应大于光纤直径，才能达到较好的通过率。利用精密运动平台将光纤置于金环中心，保持紧密接触才能满足有效照射。将光纤6置于圆芯片的金环中心，使用银胶来组装laps芯片7和光纤6，银胶通过银漆线使得laps芯片7和跨阻抗放大器9连接，用丙酮稀释隔离性环氧胶涂在除第一金层表面外的其他区域；

传感器功能修饰：在第一金层表面上先后滴裹葡萄糖氧化酶gox溶液和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物作为传感面，具体的，准确量取500mg葡萄糖氧化酶gox溶于0.01m磷酸缓冲盐溶液pbs中，葡萄糖氧化酶gox的浓度为10-50g/l，相应pbs的值为10-50ml，得到的溶液用氮气流净化15分钟，除去溶解氧，在进行功能修饰前，用乙醇和蒸馏水冲洗laps芯片7传感面的第一金层，将0.5-1.0μml葡萄糖氧化酶gox溶液滴裹到第一金层，于室温下自然干燥，用95％乙醇将全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物稀释到质量分数为1％，再用0.4μml稀释液滴裹第一金层并干燥12h，得到修饰后的传感面可以检测葡萄糖浓度；

参比电极的制作：用紫外/臭氧的方法处理裸银线处理20分钟以上，优选的，所述裸银线的直径为100μm，裸银线放置在盐酸中生成ag-agcl薄层，用环氧树脂将其组装在laps芯片7＜1mm的附近，作为参比电极；

传感器的组装：将集成有源驱动器1、所述激光组件2、跨阻抗放大器9组装在印刷电路板上。，在印刷电路板底层的板载小信号线路采用接地或缓冲同步信号环路进行屏蔽，以避免不必要的电磁干扰。

根据本实施例，优选的，放大器为低噪音及超低噪音运算放大器，其中op1a和op1b两个放大器的型号为opa134au,op9放大器的型号为opa627au、op10放大器的型号为opa129au。

根据本实施例，优选的，所述集成有源驱动器1采用国产外接电源±7.5v,45ma和恒电位器发出的正弦调制信号。另外，集成有源驱动器1采用的2个可充电的电池组7.4v,100mah作为独立电源，以获得更好的信噪比。

根据本实施例，优选的，所有电位测量均使用恒电位器。通过跨阻抗放大器9采集laps芯片7上的光电流，并将其转换为固定系数为5×10⁵v/a的电压信号。电压信号被连接到恒电位器上，并通过可选的0-60分贝增益进行放大。将恒电位器上的模数转换器获得数字数据后传输到计算机进行数据分析。

实施例2

一种光寻址电化学传感器，本实施例2所述光寻址电化学传感器为利用实施例1所述的方法制备得到，因此具有实施例1所述的有益效果，此处不再赘述。

如图1所示，所述光寻址电化学传感器包括集成有源驱动器1、激光组件2、光纤6、laps芯片7、参比电极8和跨阻抗放大器9；

所述激光组件2包括激光二极管3、光电二极管4、半反半透镜11和反光镜12和微透镜5；所述激光二极管3、半反半透镜11和微透镜5在同一光路上，所述激光二极管3、光电二极管4分别与集成有源驱动器1连接，激光二极管3的部分光源经过所述半反半透镜11和微透镜5到达光纤6的一端，所述光纤6的另一端设有laps芯片7，laps芯片7用于测量葡萄糖浓度；所述激光二极管3的另一部分光源通过反光镜12反射到光电二极管4；

laps芯片7和参比电极8分别与跨阻抗放大器9的一端连接，跨阻抗放大器9的另一端用于连接外部设备。

根据本实施例，优选的，所述laps芯片7包括依次连接的第一金层、二氧化硅层、n型硅晶基底和第二金层；用丙酮稀释隔离性环氧胶涂在除第一金层表面外的其他区域，在第一金层表面上先后滴裹葡萄糖氧化酶gox溶液和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物作为传感面。

根据本实施例，优选的，所述激光组件2还包括光电二极管4、半反半透镜11和反光镜12；

所述光电二极管4与集成有源驱动器1连接，激光二极管3的部分光源经过所述半反半透镜11和微透镜5到达光纤6的一端，所述激光二极管3的另一部分光源通过反光镜12反射到光电二极管4。

实施例3

如图3所示，一种利用实施例2所述光寻址电化学传感器的葡萄糖检测方法，包括以下步骤：

建立光电流的i/v曲线：laps芯片7传感面直接与待测样品接触，在葡萄糖氧化酶gox的作用下，随着样品葡萄糖浓度的改变，氧化还原电位也随之改变，建立光电流的i/v标准曲线；

根据建立光电流的i/v曲线测出待测葡萄糖浓度：所述laps芯片7和参比电极8的传感区与待测样品接触，并在n型硅晶基底-二氧化硅层界面上施加直流偏压后产生耗尽层，当laps芯片7被调制光照射后，光电流信号通过跨阻抗放大器9放大并通过恒电位器接口10被外部电路如恒电位器或锁相放大器(又称相位检测器)捕获，传输到计算机进行数据分析，所述光电流由直流偏压和金属层的氧化还原电位决定，当葡萄糖氧化酶gox存在于传感面时，酶催化反应并诱导产生h2o2，

由于h2o2的存在，对应不同浓度的葡萄糖会产生不同的氧化还原电位，

h2o2→o2+2h⁺+2e^-

由于得到了建立在光电流和偏置电流上的i/v标准曲线，通过其位移能够测出葡萄糖浓度。可以看出本发明所述光寻址电化学传感器结构简单，操作方便，能够很好用于现场检测分析。

根据本实施例，优选的，所述光电流的i/v的标准曲线为：y＝958-101.1lgx,r²＝0.992。

本发明利用所述光寻址电位传感器实现葡萄糖浓度的检测，这样一种结合光电效应实现快速现场检测的传感器是其他传感器所没有的特点，并且本发明所述光寻址电化学传感器是首次在微米尺寸上实现应用的。

根据本实施例，优选的，所述光寻址电化学传感器的设置包括光源功率设置为1.0mw，光纤调制比为0.8，葡萄糖氧化酶gox浓度为30g/l，ph值为7.0左右，最佳工作ph值与人体血液ph值7.35非常接近，有利于简化样品处理程序。

测量范围：在0.01-100mm范围内，葡萄糖浓度与所述光寻址电化学传感器信号之间存在良好的对数线性关系，定义为y＝958-101.1lgx,r²＝0.992。坡度为101.1mv/十年，当葡萄糖浓度超过100mm时，由于酶反应的饱和行为，所述光寻址电化学传感器开始失去灵敏度。根据预先确定的葡萄糖浓度和传感器的读数，得到校准图，如图4所示。

样品分析：以江苏大学附属医院的糖尿病患者为测试对象，患者们均自愿参加。将采集的血样和尿样进行临床分析，根据患者年龄分为30-45岁、45-60岁和>60岁。在<180s的短时间内，每个样本测量3次，以3个读数的平均值作为最终记录。同时选取冰冻人血清中的葡萄糖(nistsrm965b)作为标准样品，并选用认证的临床分析仪(labospect008as，日立，日本)进行对照，然后用t检验的统计方法进行分析。本发明所述方法和标准方法对样本测得数据如图5和6所示，在预先设定的显著性水平为0.01时，两种方法的数据无统计学差异。验证了本发明基于光电效应的微型光寻址电化学传感器对葡萄糖检测具有良好的敏感性，可以实时有效地实现葡萄糖浓度的检测，且具有检测响应快，检测结果准确，操作简单、可测范围广、方便携带等特点，可以实现葡萄糖的现场检测以及应用于微分析等。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。