一种多参数柔性/可穿戴汗液传感器及其制备方法

本发明涉及微纳传感与柔性电子，具体为一种多参数柔性/可穿戴汗液传感器及其制备方法。

背景技术：

1、生化物质(如葡萄糖、乳酸、钠离子和钾离子)的浓度能够有效地反映人体的健康状况，因此快速、准确地检测生化物质的浓度具有非常重要的临床意义。目前，检测生化物质需要患者通过侵入式静脉抽血并用专用的设备对血样进行全面分析，并将分析结果作为临床诊断疾病的重要参考信息。然而，该过程需要使用昂贵的医疗检测设备，同时给患者带来一定的经济压力。另外，侵入式静脉抽血给患者带来一定的生理创伤和极大的心理压力，甚至会引发血液感染。因此，开发非侵入式、便携式的生化检测装置成为生化物质浓度检测的必然趋势。

2、近年来，随着微纳制造技术和柔性电子技术的快速发展，柔性/可穿戴汗液传感器受到了非常广泛的研究。由于该类传感器能够可靠地贴合在皮肤表面并通过汗液检测生化物质的浓度，因此可以实现生化物质浓度的无创、原位、实时检测。柔性/可穿戴汗液传感器一般由柔性基底、导电薄膜、功能纳米材料、敏感元件(如葡萄糖氧化酶、乳酸酶)组成。为了更好地满足可穿戴的要求，柔性/可穿戴汗液传感器研究的核心是开发高度柔性、可拉伸性且在一定变形条件下仍然保持导电性能的功能纳米材料，用以提高传感器的变形能力和响应能力。

3、尽管现有的柔性/可穿戴汗液传感器实现了变形条件下生化物质浓度的可靠检测，但由于人体汗液中一些生物分子浓度极低而很难确定其浓度，故传感器的灵敏度和检测下限仍需进一步改善，用以获得生化物质更加准确的浓度。另外，汗液中包含了丰富的生化物质(如葡萄糖、尿素、尿酸、多巴胺、钠离子、钾离子、氯离子等)，而现有的柔性/可穿戴传感器几乎只能检测单一生化物质的浓度，不能同时检测多种生化物质的浓度。而要检测多种生化物质的浓度，需要穿戴多个传感器，极大地降低了检测效率。综上所述，开发一种响应能力好、可同时检测多种生化物质浓度的柔性/可穿戴汗液传感器具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、针对柔性/可穿戴汗液传感器的响应能力改善、同时检测多种生化物质浓度的要求，本发明提供一种多参数柔性/可穿戴汗液传感器，其制备方法简单易行，无需使用昂贵复杂的加工设备，并且制备的柔性/可穿戴汗液传感器可以同时检测葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子的浓度。

2、本发明的一种多参数柔性/可穿戴汗液传感器，包括下端的pi柔性基底，以及固定在pi柔性基底上端的葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极、钠离子传感器用工作电极、钾离子传感器用工作电极、参比电极、对电极，设置在葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极、钠离子传感器用工作电极、钾离子传感器用工作电极、参比电极、对电极上端的pi钝化层，葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极、钠离子传感器用工作电极、钾离子传感器用工作电极、参比电极、对电极均分别连接有引脚。

3、优选的，所述葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极、钠离子传感器用工作电极、钾离子传感器用工作电极、参比电极、对电极先用曝光、湿法刻蚀工艺在pi柔性基底的epg535胶上形成微图案，然后在微图案结构里分别蒸镀厚度为25～50nm的cr薄膜作为粘附层、厚度为250～500nm的au薄膜而形成，并在葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极、钠离子传感器用工作电极、钾离子传感器用工作电极、参比电极、对电极及电极的引脚部位之外区域旋涂pi膜作为pi钝化层。

4、优选的，所述葡萄糖传感器用工作电极和乳酸传感器用工作电极上分别滴涂有2～10μl蘑菇状金纳米线@氧化石墨烯异质结；待干燥后，分别物理吸附2～10μl葡萄糖氧化酶和乳酸酶，而后在葡萄糖传感器用工作电极和乳酸传感器用工作电极表面包裹2～10μl的nafion离子交换膜以防止酶的脱落；所述钠离子传感器用工作电极上滴涂有2～10μl钠离子选择膜；所述钾离子传感器用工作电极上滴涂有2～10μl钾离子选择膜。

5、一种多参数柔性/可穿戴汗液传感器的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1：利用静电吸附作用，将pi膜贴在pet膜表面，并进行标准清洗、氮气吹干，形成pi柔性基底；

7、步骤2：在pi柔性基底上滴涂3～8mlepg535胶，先以转速500r/min离心处理6s，再以转速1000r/min离心处理30s，形成一层均匀的epg535胶；

8、步骤3：将涂有epg535胶的pi柔性基底放置在90℃烘台上前烘3～5min；

9、步骤4：将带有电极图案的掩模版贴合在涂有epg535胶的pi柔性基底上，并曝光5～10s；

10、步骤5：将曝光后的pi柔性基底浸入浓度为0.1％的naoh溶液中保持20～35s，而后用去离子水冲洗、氮气吹干，在epg535胶上形成微图案；

11、步骤6：将带有epg535胶微图案的pi膜放置在90℃烘台上后烘8～12min；

12、步骤7：在后烘完成的pi膜上epg535胶微图案中先蒸镀一层厚度为25～50nm的cr薄膜作为粘附层，再在之上蒸镀一层厚度为250～500nm的au薄膜作为导电层；

13、步骤8：用丙酮去除epg535胶，并依次采用无水乙醇和去离子水清洗、氮气吹干，得到多参数柔性/可穿戴汗液传感器电极阵列；其中，葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极、钠离子传感器用工作电极、钾离子传感器用工作电极为工作电极；

14、步骤9：在工作电极、参比电极和对电极及其引脚之外区域，滴涂pi膜作为pi钝化层；

15、步骤10：将pi膜从pet基底上剥离，从而获得多参数柔性/可穿戴汗液传感器。

16、优选的，采用化学还原法制备蘑菇状金纳米线@氧化石墨烯异质结，具体包括如下步骤：

17、步骤1.1：氧化石墨烯的氨基化，将浓度为1～12mg/ml的氧化石墨烯分散液在100w功率下超声处理30～60min，再将50～100mg/ml的pei溶液加入氧化石墨烯分散液中，超声处理30～60min且持续搅拌12h，从而获得表面氨基化的氧化石墨烯分散液；

18、步骤1.2：种子的吸附，将5～10mm氯金酸、5～10mm柠檬酸钠和0.1～0.5m硼氢化钠依次加入去离子水中，形成au种子溶液；将表面氨基化的氧化石墨烯加入au种子溶液中，得到吸附au种子的氧化石墨烯；

19、步骤1.3：蘑菇状金纳米线的生长，将10～15mm对巯基苯甲酸、200～250mm氯金酸和50～120mm抗坏血酸依次加入无水乙醇和去离子水的混合液中，形成au生长液；再将吸附au种子的氧化石墨烯加入au生长液中，并保持15min，而后通过离心获得蘑菇状金纳米线@氧化石墨烯异质结。

20、优选的，在步骤8之后步骤9之前，对电极进行如下步骤的处理：

21、步骤2.1：将5～10mg的蘑菇状金纳米线@氧化石墨烯异质结分散在5～10ml无水乙醇中以形成悬浮液，分别取2～10μl悬浮液滴涂在葡萄糖传感器用工作电极和乳酸传感器用工作电极上，并在室温下干燥；

22、步骤2.2：分别在干燥后的葡萄糖传感器用工作电极和乳酸传感器用工作电极上滴涂2～10μl葡萄糖氧化酶、乳酸酶；

23、步骤2.3：在干燥后的葡萄糖传感器用工作电极和乳酸传感器用工作电极表面包裹2～10μl的nafion离子交换膜以防止葡萄糖氧化酶、乳酸酶脱落；

24、步骤2.4：将100～200mg钠离子载体x、四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、聚氯乙烯、癸二酸二辛酯混合并溶于100～600μl四氢呋喃中，取2～10μl该溶液滴涂在钠离子传感器用工作电极上，室温下干燥，形成钠离子选择膜；

25、步骤2.5：将100～200mg缬霉素、四苯硼钠、聚氯乙烯、癸二酸二辛酯混合并溶于350～500μl环己酮中，取2～10μl该溶液滴涂在钾离子传感器用工作电极，室温下干燥，形成钾离子选择膜。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

27、(1)在一个传感器中有效地集成了四个工作电极、一对共用对电极和参比电极，实现了柔性/可穿戴汗液传感器的集成化和微型化，并且可同时检测葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子四种生化物质的浓度。

28、(2)利用曝光、湿法刻蚀工艺在旋涂于pi膜上的epg535光刻胶表面先形成目标微图案，再蒸镀cr膜和au膜分别作为粘附层和导电层，而后在工作电极、参比电极、对电极及其引脚之外区域滴涂pi膜作为钝化层。该工艺能够高效率、高质量地制备出柔性电极阵列。

29、(3)采用化学还原法在石墨烯薄片上生长蘑菇状金纳米线以获得蘑菇状金纳米线@氧化石墨烯异质，并将该异质结作为葡萄糖传感器用工作电极、乳酸传感器用工作电极中的功能纳米材料以吸附葡萄糖氧化酶和乳酸酶。该异质结具有独特的三维空间微结构，有利于葡萄糖氧化酶和乳酸酶的均匀、可靠吸附，能够有效地提高葡萄糖传感器和乳酸传感器的电子产率和传输速率，从而显著地改善传感器的灵敏度和检测限。上述制备过程简单易行，无需使用昂贵复杂的半导体加工设备，并且制备的柔性/可穿戴汗液传感器的集成化和微型化程度较高，可同时检测葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子的浓度。

30、(4)针对该发明所制备的多参数柔性/可穿戴汗液传感器，一方面，由于采用蘑菇状金纳米线@氧化石墨烯异质结作为功能纳米材料，为葡萄糖氧化酶和乳酸酶的可靠吸附提供了有利的三维空间微结构，能够提高葡萄糖传感器和乳酸传感器的电子产率和传输速率，从而有效地改善传感器的灵敏度和检测限。另一方面，将四个工作电极、一对共用对电极和参比电极集成于同一柔性基底上，有效地提高了柔性/可穿戴汗液传感器的集成化和微型化程度，实现了葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子四种生化物质的浓度的同时检测。另外，还可通过更换工作电极表面的分子识别元件或敏感膜，从而实现汗液中其他生化物质(如尿酸、尿素、抗坏血酸、钙离子、氯离子等)浓度的检测。