一种高选择性的纤维传感器及其制备方法

本技术涉及纤维传感器领域，更具体地说，涉及一种高选择性的纤维传感器及其制备方法。

背景技术：

1、高香草酸是重要中枢神经递质多巴胺的主要代谢产物。与多巴胺不同，高香草酸能够穿过血脑屏障进入血液循环系统。因此，许多研究表明，血液中高香草酸的波动与中枢神经系统中的多巴胺周转密切相关。中枢神经系统中多巴胺的实时监测受到开颅手术植入器件和脑脊液分析造成的重大创伤的限制。相比之下，血液样本易于收集，植入器件带来的创伤较小。因此，血液中高香草酸的动态波动是对当前研究中枢神经系统中多巴胺周转的有力补充。此外，血液中的高香草酸还可被用作评估精神分裂症进展和相关治疗药物有效性的指标。它也与帕金森病和阿尔茨海默病等神经退行性疾病的发病机制有关。因此，实现血液高香草酸的实时监测对于研究中枢多巴胺活性、疾病发病机制和相关药物疗效评价均具有重要意义。

2、目前可以通过高效液相色谱法或酶联免疫吸附测试盒来实现血液中高香草酸的浓度测定，但由于受到血液采样频率和采样数量的限制，以及需要在实验室中进行长时间的样本分析，使得这些方法本质上是非实时非连续的。因此，据我们所知，目前尚无工具能够用于血液中高香草酸的实时监测。

3、电化学传感技术已被证明了在实时监测方面具有巨大应用潜力。然而，将其应用于体内检测高香草酸仍然面临着重大挑战。一方面，血液中含有各种活性生化物质，尤其是儿茶酚胺及其代谢产物，其分子结构与高香草酸非常相似，甚至只有一个官能团的差异，准确地将高香草酸和这些化合物区分开来以进行实时监测仍然是一个挑战；另一方面，高香草酸正常情况下在血液中含量极低，浓度为纳摩尔级别，而病理状态下可上升至微摩尔级别，浓度范围变化大，对纤维传感器的检测限和检测范围亦提出了严苛的要求。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、针对现有技术中植入式电化学传感器存在选择性差、检测范围窄、生物相容性较差的问题，本技术提供了一种纤维传感器的制备方法及该方法制备的纤维传感器，它通过分子印迹聚合物提供模板分子特异性识别，采用碳纳米管纤维提高灵敏度，设计成螺旋结构增强柔软性，实现了对血液中高香草酸的准确监测，检测范围覆盖正常与病理状态，同时确保了器件的生物相容性，满足了植入体内长期监测的需求。

3、2.技术方案

4、本技术的目的通过以下技术方案实现。

5、本说明书实施例的一个方面提供一种高选择性的纤维传感器的制备方法，包括：制备纤维电极，通过高香草酸模板的分子印迹聚合膜修饰取向碳纳米管纤维表面，得到纤维电极；其中，高香草酸模板包含：高香草酸、3-氨基苯硼酸单体和吡咯溶剂；具体的，采用高香草酸作为模板分子，与3-氨基苯硼酸单体和吡咯溶剂共同构成模板溶液。将取向碳纳米管纤维浸没在模板溶液中，在纤维表面进行电化学聚合。高香草酸作为目标识别分子，在电化学聚合过程中与功能单体和交联剂发生聚合反应，在纤维表面形成含有高香草酸印迹位点的分子印迹聚合膜。分子印迹聚合膜具有对高香草酸具有高选择性识别的功能。将修饰了分子印迹聚合膜的取向碳纳米管纤维作为纤维电极。该纤维电极可用于对高香草酸具有高选择性检测的传感器。3-氨基苯硼酸单体在这里起到功能单体的作用，吡咯溶剂起到交联剂的作用，共同将高香草酸模板固定在聚合膜中。利用分子印迹技术可准确识别特定目标分子，实现高选择性检测。

6、制备参比电极，通过在取向碳纳米管纤维表面采用多电流沉积法沉积银纳米粒子，然后用氯化铁溶液进行氯化处理制备参比电极；其中，采用多电流沉积法在取向碳纳米管纤维表面沉积银纳米粒子。多电流沉积是一种电化学方法，通过施加不同电流密度，在导电基质表面沉积纳米材料。在一定电流下，银离子在碳纳米管纤维表面得到还原，形成银纳米粒子沉积。多电流沉积可以控制银纳米粒子的尺寸分布。将沉积了银纳米粒子的纤维置于氯化铁溶液中，进行氯化处理。氯化处理形成了包覆纤维表面的氯化银层。氯化银层可以提高参比电极的稳定性。最终获得银/氯化银复合纤维作为参比电极。该参比电极具有良好的导电性、稳定性和生物相容性。与纤维电极配对，可构成纤维型传感器。

7、制备纤维传感器，在制备获得的纤维电极和参比电极的表面分别涂覆绝缘层，将涂覆有绝缘层的纤维电极和参比电极螺旋固定，得到纤维传感器。其中，将分别制备得到的纤维电极和参比电极进行传感器装配。在纤维电极和参比电极的表面各涂覆一层绝缘层。绝缘层采用绝缘性能好的材料，如二甲基硅氧烷。涂覆绝缘层是为了避免电极之间短路，保证电化学测试的准确性。将涂有绝缘层的电极平行排列，并固定在旋转电机的轴上。通过旋转电机转动，使电极形成螺旋缠绕结构。螺旋结构可提高电极表面的有效活性面积。对形成的螺旋结构再次涂覆绝缘层，确保绝缘性能。最终获得螺旋排列的纤维电极和参比电极作为纤维传感器。

8、进一步的，制备纤维电极，包括如下步骤：将浓度比例为n1：n2：n3的高香草酸、3-氨基苯硼酸单体和吡咯溶剂，溶解在磷酸盐缓冲液中，生成聚合溶液a；将取向碳纳米管纤维浸没在聚合溶液a中，采用线性循环伏安法在取向碳纳米管纤维表面进行电化学聚合修饰分子印迹聚合膜；将修饰有分子印迹聚合膜的取向碳纳米管纤维置于四苯硼钠缓冲液中，通过任意恒电位阶梯波法，提取包含高香草酸模板的纤维电极。

9、具体地，将高香草酸、3-氨基苯硼酸单体和吡咯溶剂按照浓度比n1：n2：n3溶解在磷酸盐缓冲液中，配置成聚合溶液a。n1、n2、n3的浓度取值范围分别是(1-7)mm、(3-17)mm和(5-19)mm。将取向碳纳米管纤维浸泡在聚合溶液a中。在纤维表面用线性循环伏安法进行电化学聚合反应。线性循环伏安法是一种控制电位，在工作电极上生成均匀聚合膜的方法。在纤维表面生成含有高香草酸分子印迹的均匀聚合物膜。将修饰后的纤维浸泡在四苯硼钠缓冲液中。用任意恒电位阶梯波法提取模板分子高香草酸。阶梯波法可以控制模板分子的释放。最终获得修饰有分子印迹聚合膜的纤维电极。

10、进一步的，高香草酸模板中的高香草酸、3-氨基苯硼酸单体和吡咯溶剂的浓度的比例n1：n2：n3为(1-7)：(3-17)：(5-19)。

11、进一步的，制备参比电极，包括如下步骤：将浓度比例为m1：m2：m3的硝酸银、硫代硫酸钠和亚硫酸氢钠，溶解在去离子水中，生成聚合溶液b；将取向碳纳米管纤维浸没在聚合溶液b中，采用多电流沉积法在取向碳纳米管纤维表面沉积银纳米粒子，生成修饰了银纳米粒子的取向碳纳米管纤维；将生成的修饰了银纳米粒子的取向碳纳米管纤维置于氯化铁溶液中进行氯化处理，获得银/氯化银纤维参比电极。

12、具体的，将硝酸银、硫代硫酸钠和亚硫酸氢钠按照浓度比m1：m2：m3溶解在去离子水中，配置成沉积溶液b。m1、m2、m3的浓度取值范围分别是(1-9)m、(3-4)m和(5-7)m。将取向碳纳米管纤维浸泡在沉积溶液b中。在纤维表面用多电流沉积法沉积银纳米粒子。多电流沉积法通过控制不同电流密度，沉积银纳米粒子。获得表面修饰有银纳米粒子的取向碳纳米管纤维。将修饰的纤维浸泡在氯化铁溶液中，进行氯化处理。氯化铁溶液浓度在0.05m-0.5m之间。氯化处理形成氯化银层，提高稳定性。最终获得银/氯化银复合纤维参比电极。

13、进一步的，硝酸银、硫代硫酸钠和亚硫酸氢钠的浓度的比例m1：m2：m3为(1-9)：(3-4)：(5-7)。

14、进一步的，氯化铁溶液的浓度取值范围0.05m至0.5m。

15、进一步的，制备纤维传感器，还包括如下步骤：将涂覆有绝缘层的纤维电极和参比电极平行排列固定在旋转电机轴上；通过旋转电机的转动，形成螺旋结构；对形成的螺旋结构再次涂覆绝缘层，得到纤维传感器。

16、具体的，将制备好的纤维电极和参比电极的表面涂覆绝缘层。采用二甲基硅氧烷作为绝缘层材料。将涂层后的电极平行排列，固定在旋转电机的轴上。启动旋转电机，使电极按照一定转速进行旋转。旋转速度在100rad/min至500rad/min之间。通过旋转，电极形成螺旋缠绕结构。螺旋结构可以增加电极的有效表面积。对形成的螺旋电极再次涂覆绝缘层。再次涂覆绝缘层，提高绝缘效果，避免短路。最终获得螺旋绕组的纤维电极和参比电极作为纤维传感器。

17、进一步的，采用二甲基硅氧烷作为绝缘层。其中，在制备纤维传感器时，需要在纤维电极和参比电极表面涂覆绝缘层；绝缘层的作用是防止电极之间发生短路，保证传感器的正常工作；绝缘层材料的选择需要考虑绝缘性能好、生物相容性以及在纤维表面涂覆的过程适用性；二甲基硅氧烷是一种硅橡胶，具有优异的绝缘性能、生物惰性以及良好的涂布性能；采用二甲基硅氧烷涂层，可以通过旋转涂布、浸泡涂布等方式轻松实现在纤维表面的均匀包覆；二甲基硅氧烷层可有效阻隔电极间的电荷转移，保证电化学测试的准确性；同时，二甲基硅氧烷具有一定的柔韧性，不会对纤维电极的弯曲特征产生影响。

18、进一步的，旋转电机的转速的取值范围100rad/min至500rad/min。

19、本说明书实施例的另一个方面还提供一种高选择性的纤维传感器，包括：纤维电极，采用高香草酸模板的分子印迹聚合膜修饰取向碳纳米管纤维表面而制备得到；参比电极，采用多电流沉积法在取向碳纳米管纤维表面沉积银纳米粒子，然后进行氯化处理而制备得到；绝缘层，设置在纤维电极和参比电极表面；其中，纤维电极和参比电极平行排列后以螺旋结构固定。

20、具体的，纤维传感器由纤维电极、参比电极和绝缘层组成。纤维电极采用分子印迹技术制备：在取向碳纳米管纤维表面，利用含有高香草酸的模板溶液进行修饰；通过电化学聚合，在纤维表面形成分子印迹聚合膜；该聚合膜可实现对高香草酸的高选择性检测。参比电极采用两步制备：在取向碳纳米管纤维表面利用多电流沉积银纳米粒子；对沉积的银纳米粒子进行氯化处理，形成稳定的氯化银层。在两电极表面涂覆绝缘层，以防止短路。将电极平行排列后以螺旋形结构固定，增加有效检测面积。

21、3.有益效果

22、相比于现有技术，本技术的优点在于：

23、(1)利用高香草酸作为模板分子进行分子印迹聚合，该技术能够在纤维电极的表面形成具有高度选择性的识别位点；这些位点能够特异性地与目标分子(此处为高香草酸)结合，从而提高了传感器在复杂生物样本中的选择性；这种分子印迹技术使得传感器能够区分目标分子与其他结构相似的干扰物，解决了现有植入式电化学传感器选择性差的问题；

24、(2)通过采用取向碳纳米管纤维作为电极基材，可以大大增加电极的表面积，提高电极的电化学活性，并增强电极与目标分子之间的电子转移效率；碳纳米管的这些特性使得纤维电极对目标分子的响应更加灵敏，即使在低浓度下也能进行有效检测。这样的设计显著提高了传感器的灵敏度，使得检测范围可以覆盖从正常到病理状态的不同浓度水平，解决了传统植入式传感器检测范围窄的问题；

25、(3)通过将纤维电极和参比电极设计为螺旋结构，并采用二甲基硅氧烷作为绝缘层材料，不仅提供了良好的绝缘保护，还赋予了传感器较高的柔软性和弹性，使其更适合植入体内。螺旋结构能够使传感器在植入体内时更容易弯曲和适应组织的形状，减少对周围组织的损伤和异物感；同时，二甲基硅氧烷作为生物医用材料，具有良好的生物相容性，减少了植入后的免疫和炎症反应，保障了器件在体内长期稳定运作的可能性。这样的设计优化了植入式传感器的生物相容性，解决了传统传感器生物相容性较差的问题。

26、本技术通过将分子印迹聚合物引入可植入电化学传感器体系，设计了一种用于体内高香草酸实时监测的高选择性植入式纤维传感器，进而首次实现了高香草酸分子在体监测。分子印迹聚合物仅允许与识别结合位点精确匹配的分子通过，从而为传感器提供了特异性识别高香草酸分子的能力。结果表明，该传感器对高香草酸的响应是对儿茶酚胺及其代谢物的响应的12.6倍以上，进而在体内实现了97.8％的监测准确度。同时，由于取向碳纳米管纤维高电化学活性面积和对高香草酸分子的高催化能力，该传感器具有在生理ph条件下的最低检测限4.58nm。通过在不同浓度区间分别使用差分脉冲伏安法和恒电位极化方法，该传感器表现出宽线性响应范围10nm-100μm，涵盖了高香草酸在血液中生理或病理状态下的浓度范围。此外，还对传感器的生物相容性进行了评估，没有观察到明显的血栓、生物粘附或炎症。本技术提出了一种通用的设计策略，以提高植入式电化学传感器的选择性。