一种高灵敏度及高选择性汗液收集与检测电化学传感器及其制备方法

本发明属于电化学传感器领域，具体涉及一种用于柔性可穿戴电化学传感器的制备方法，尤其涉及一种高灵敏度及高选择性汗液收集及检测电化学传感器及其制备方法，该制备方法获得的电化学传感器具有工艺简单，成本低，灵敏度高，选择性好、多模式传感的特点，可用于汗液中的多种电活性物质检测。

背景技术：

1、随着高嘌呤饮食造成的痛风等疾病越来越多，通过汗液无创监测人体代谢物水平成为人们关注的热点，已经出现通过汗液中的乳酸、葡萄糖、氯离子浓度来监测高血糖、囊性纤维化等疾病的传感器。因此，一种使用方便、成本低廉、可直接用于现场检测或监测点的新型柔性传感器越来越重要。传统的柔性电极(碳糊电极、金属电极，石墨烯电极)在电化学传感方面有很多的不足，这些电极通常需要多个制作步骤，制作过程耗时且成本高，并且他们对汗液中的尿酸等电活性物质的检测限很高，难以检测到汗液中超低浓度的尿酸等电活性物质，需要通过在其表面进行修饰及改性以提高其性能，额外的修饰步骤进一步增加了传感器的制作成本和难度。因此，有必要制作一种工艺简单、成本低同时具有高灵敏度的传感器以有效地检测电活性物质。并且，目前的传感器只能特定的检测单一的分析物，用于多种分析物的传感器通常需要多个传感器组成阵列，这对于低成本的传感器制造来说是有挑战性的。因此，有必要制备一种能够具有多模式传感的传感器，实现单个传感器检测多种分析物。

2、cn110877902b公开了一种自支撑碳纤维的柔性、高选择性非酶尿酸电极碳纤维膜的制备方法及其应用。该发明将pan溶解在dmf中，制成含pan质量浓度为10-14％的电纺丝前驱体，通过在针和铝箔收集器之间施加电压进行静电纺丝，将制备的聚合物纳米纤维膜真空干燥，使dmf挥发；再放入石英管式炉中进行热处理，然后降至室温，将得到的碳纤维膜用铂电极夹固定，曝光，浸入h2so4溶液中，通过循环伏安法活化，即成柔性碳纤维薄膜，可有效解决自支撑碳纤维的柔性、高选择性非酶尿酸电极碳纤维膜的制备，所制备的尿酸传感器具有检出限0.23μm，在分析和能量相关器件中具有广阔的应用前景。但是该电极的制备工艺复杂，需要多个步骤，无法低成本、大批量的生产。

3、cn111474222b公开了一种同时检测肾上腺素和尿酸的可再生的电化学传感器，属于电化学分析检测技术领域。本技术可再生的电化学传感器，其为表面涂覆有卟啉基共轭聚合物p-tp-还原氧化石墨烯rgo复合材料的玻碳电极，记为p-tp/rgo/gce。本发明所制备的传感器中，p-tp/rgo/gce修饰电极能够有效催化肾上腺素和尿酸的电氧化，此外，该传感器具备在检测后通过简单的电化学还原过程达到电化学传感器的再生及自清洁效果。但是该电化学传感器的电极是刚性材料，不具备柔性，同时电极需要额外的修饰催化反应，制备工程复杂且耗时。

4、cn114235915a公开了一种同时探测水溶液中抗坏血酸、多巴胺和尿酸的电化学传感器及其制备方法和电化学方法。电化学传感器的制备包括以下步骤：1)电极修饰液的制备：以β环糊精(cd)的用量就计，将0.9-1.1gβ环糊精均匀分散于15ml 0.4-0.55mg·ml-1的氧化石墨烯(go)水溶液中，超声分散10-15小时，得到氧化石墨烯与β环糊精的电极修饰液；2)修饰玻碳电极的制备：将18-22μl的氧化石墨烯与β环糊精的电极修饰液滴涂至玻碳电极表面，红外线加热烤干，得到修饰玻碳电极。以本发明得到的修饰玻碳电极作为工作电极，可以在低浓度的情况，识别水溶液中抗坏血酸、多巴胺和尿酸，检测限，灵敏度高。但是该电化学传感器需要额外的修饰步骤，并且传感器的响应与目标物质浓度之间不成线性，需要额外的计算公式计算目标物质的浓度。

技术实现思路

1、考虑到上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种简便高效的用于汗液收集与检测的柔性电化学传感器的制备方法，适用于低成本，批量化生产，同时具有高灵敏度、低检测限、高选择性、多模式传感的特点。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

3、一种高灵敏度及高选择性汗液收集及检测电化学传感器的制备方法，包括：

4、1)在洁净的聚酰亚胺薄膜表面利用高能量激光诱导三维多孔石墨烯图案，所述图案包括三电极：对电极、参比电极及工作电极，对三电极引出部及反应池之外的区域进行绝缘处理；得到传感层；

5、2)利用高能量激光在上层pdms薄膜上雕刻形成进样口，在下层pdms薄膜上雕刻形成微通道；将清洗去杂后的上、下两层pdms薄膜蘸取未固化的pdms，之后孔位对准贴合在一起，固化；得到pdms层；

6、3)将pdms层通过双面胶与传感层贴合为一体，且双面胶上开孔对准反应池，进样口、微通道、反应池连通，得到所述传感器。

7、上述技术方案中，通过激光烧蚀在柔性基底上一步制备多孔石墨烯电极，不仅实现了传感器敏感层的低成本、高效制备，而且本发明通过调节制备石墨烯的激光参数，制备出了导电性良好，多孔的石墨烯，所制得的多孔石墨烯具有超大比表面积，为反应物提供了大量的活性位点和接触面积，从而实现了高灵敏、高选择性的电化学传感。通过优化参数，1)中所述高能量激光为：波长1064nm的激光器，激光参数为：光栅模式，激光功率2.46w，扫描速度51mm/s，每英寸点数500。在该激光诱导下制得的石墨烯的扫描电子显微镜(sem)显示石墨烯具有多孔结构，方阻低至13ω/sq，具有超亲水性，疏水角为0°。

8、进一步的，所述1)中多孔石墨烯的厚度为0.04-0.06mm。

9、进一步的，所述2)中形成进样口所用高能量激光为：波长1064nm的激光器，激光参数为：光栅模式，激光功率9w，扫描速度102 -127mm/s，每英寸点数500。

10、进一步的，所述2)中形成微通道所用高能量激光为：波长1064nm的激光器，激光参数为：光栅模式，激光功率4.5w，扫描速度102-127mm/s，每英寸点数500。

11、进一步的，所述2)中固化后的pdms层厚度为0.25-0.35mm。

12、上述方法制得的电化学传感器通过将pdms层表面贴附在皮肤表面可实现汗液收集及检测，具有极高的灵敏度及高选择性，所述传感器能同时检测汗液中的尿酸、酪氨酸、及氯化钾三种成分；且尿酸检测限为0.28μm，酪氨酸检测限为1.43μm，氯化钾检测限低至1mm。具体的，所述传感器在差分脉冲伏安法模式下检测尿酸及酪氨酸，在电化学阻抗谱模式下检测氯化钾。

13、进一步的，所述传感器中工作电极面积为4mm2，设有若干进样口，进样口直径为2mm，反应池的直径为6mm，各进样口通过微通道与反应池连通，微通道的宽度和深度为300微米。其具体尺寸可根据需要进行设计。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

15、本发明用于汗液收集与检测的电化学传感器的制备方法流程具有操作简单，性能优异，成本低的特点。此方法通过激光直写技术，在聚酰亚胺基底上一步制备得到了具有多孔结构的石墨烯电极，并对传感器进行了一体化设计，传感器的三电极均有石墨烯电极构成，进一步减少了工艺流程以及制作成本，在低成本的同时，利用多孔石墨烯超大的比表面积实现高灵敏汗液传感。

16、通过差分脉冲伏安法对汗液中的电活性物质进行定量分析。通过差分脉冲伏安法测试缓冲液中不同浓度电活性物质的差分脉冲伏安曲线，根据氧化峰电流和电活性物质浓度的关系，绘制线性回归曲线，获得线性回归曲线以及检测限。经过上述实验分析，传感器对尿酸、酪氨酸的灵敏度分别为6.49/0.94μa μm-1cm-2，检测限低至0.28/1.43μm。由于不同的电活性物质的氧化峰在差分脉冲伏安测试过程中会先后出现在不同的电势上，并且同一种电活性物质的氧化峰电势是固定的，尿酸、酪氨酸的氧化电势分别为0.23/0.49v,因此可以通过差分脉冲伏安曲线判断电活性物质，通过差分脉冲法可以实现溶液中的多种电活性物质同时检测。尤其可针对汗液中尿酸及酪氨酸实现高灵敏度、高选择性彼此独立互不干扰的检测，此外，在电化学阻抗谱模式下，还能实现对汗液中氯化钾成分的检测。该传感器具有汗液收集及多种成分的优异检测功能。

17、使用激光雕刻的方法制备微流控芯片是一种简单且低成本的方法。通过激光的高能量将pdms薄膜的表面烧蚀出微通道。然后在pdms上下表面进行封装，形成密闭的微流体通道。所制备的微流体通道具有良好的汗液收集能力，微流体通道能够实现汗液的自动进样，向微通道的入口出滴加墨水，墨水可以在30秒左右填满反应池。基于pdms的微流控芯片与电化学传感器结合，实现汗液的自动采集、存储与分析，微流控芯片保证了传感器与外界隔绝，能够避免传感器受到外界污染或者磨损。同时微流控芯片保证汗液与传感器具有稳定的接触面积，避免液体快速流动造成的传感器响应不稳定。微流控芯片还避免了汗液蒸发导致的电活性物质浓度升高，提升了汗液检测的可靠性。

18、这种操作简单、低成本的电化学传感器与微流器件控制备方法，能够广泛用于柔性可穿戴电化学传感器，实现汗液检测，疾病预防与诊断等目标。相比于已有的电化学传感器制备方法，本发明提供的方法有助于实现汗液的原位分析与检测，传感器可与柔性电路板连接，实现数据在线采集以及无线传输，提高了传感器检测结果的可靠性，有望为实现汗液的无创检测提供发展机遇。