專利名稱：基于碳納米管的針式生物傳感器及其制作方法
技術領域：
本發明涉及生物、醫學檢測儀器的數據采集組件，尤其涉及一種可介入生物組織的基于碳納米管的針式生物傳感器及其制作方法。
背景技術：
電化學傳感器是以電信號為特征檢測對象，定性、定量檢測反應物質種類及濃度的一種裝置。除了在傳統領域的應用外，電化學分析方法也廣泛地用于生物樣品的檢測，例如血液和尿液，作為診查疾病的一種手段。在對生物樣品進行臨床分析時，采用的方法包括化學方法、光學方法、電學方法、核磁方法等，電化學方法是目前發展非常迅速的一種方法。
目前，臨床檢測上主要采用的取樣分析方法，是將病人的血液、尿夜、組織等樣品取樣后送至測試中心，通過使用大型分析儀器進行定量或定性的檢測。由于取樣時間的不確定性，采集到的樣品中生物物質的含量可能無法準確反映病情，或無法反映病情變化的趨勢。因此，在線的、長時間工作的檢測方法被普遍重視。而電化學傳感器是實現這種長時間在線檢測的一種非常好的手段。
電化學傳感器的基本構成元素是電極，電極所使用的材料的種類非常多，但主要分為兩大類金屬材料和非金屬材料。金屬材料中使用最多的是鉑和金，而非金屬材料中使用最多的是碳/石墨。特別是在生物傳感器中，很多應用中需要將生物活性物質固定在電極表面，而碳由于兼具導電性和易結合性，因此成為生物傳感器上使用最多電極材料。
以碳材料作為電極的生物傳感器所面臨的最大問題是由于碳的導電性相對于金屬而言較弱，因此傳感器的響應靈敏度較低，檢測范圍較小，在臨床應用上受到限制。
碳納米管，一種發現于1991年的具有全新結構的碳材料，由于具有超高的導電能力，同時又與傳統碳材料一樣，能夠非常好的固定化生物活性物質(如酶)，因此被認為將是傳統碳材料的最佳替代物，可用于制造生物傳感器電極。同時，由于碳納米管具有納米級的尺寸和超大的比表面積，通過對碳納米管的表面改性，能夠固定上大量的生物活性物質，并能保持活性穩定，因此碳納米管又是一種很好的生物固定化基材。
基于碳納米管上述兩個特性，本發明以碳納米管為電極材料制作新型的針式生物傳感器，用于埋入皮下組織中，長時間動態檢測體內生物物質含量的變化趨勢。
發明內容
本發明的目的是提供一種定量測量體內生物成分含量的電化學的基于碳納米管的針式生物傳感器及其制作方法。
它具有中空管，中空管內設有正電極，中空管外設有負電極，中空管上端設有導電接口，并與正電極和負電極相連接。
所述的正電極以碳納米管作為導電材料，負電極以金屬作為導電材料。正電極由碳納米管、導電石墨粉、生物活性物質和粘合劑在中空管內粘合而成。負電極為鉑金屬，鉑金屬層覆蓋在中空管外表面，在鉑金屬層表面復合有生物相容性高分子滲透膜層。中空管的材料為高分子材料、玻璃或陶瓷。正電極為一枚，負電極為相互并聯的二枚、三枚或四枚；負電極為一枚，正電極為相互并聯的二枚、三枚或四枚。生物活性物質為酶。正電極和負電極共同封裝在中空管上，并通過與之相連的導電接口末端的正電極引線，第一負電極引線，第二負電極引線與外部檢測環境連接。
碳納米管針式生物傳感器的制作方法包括如下步驟1)將碳納米管∶導電石墨粉∶酶凍干粉按50∶50∶1至1∶1∶5的質量比均勻混合；2)在上述混合粉末中加入粘合劑，攪拌均勻，成漿狀后，壓入中空管內；3)將裝填完畢的中空管放入真空濺射設備中，在中空管的外表面濺射形成鉑金屬層，金屬層的厚度為100納米到1毫米；4)將導電接口封裝在上述中空管的一端，中空管上的正、負電極與導電接口上的引出線相連接。
本發明要解決傳統的電化學生物傳感器無法兼顧優異的電子傳遞性能、催化性能和良好的生物活性物質固定化能力的問題，為此本發明提供一種新型材料構建的電化學生物傳感器。
本發明中所使用的碳納米管經過特殊的化學處理，表面被修飾了大量的活性基團，如羥基、羧基、氨基等，能夠在一定的環境中與酶分子發生共價結合，使酶分子牢固地結合在碳納米管表面，形成碳納米管-酶復合物。由于該種復合物特殊的結構，使酶活性能夠長期保持不變。由于介入式生物傳感器在長時間檢測過程中需要保持檢測結果的穩定，因此上述的這種特性使本發明所述的生物傳感器具有非常優異的穩定性，非常適用于介入式檢測系統。
由于碳納米管具有獨特的表觀結構，因此其導電性能非常優異。本發明所述的傳感器，由于使用碳納米管作為主要導電材料，不僅能夠有效保持生物物質的反應活性和保藏周期，而且能夠明顯提高電極的導電能力和催化能力，使所述傳感器具有較好的線性檢測范圍和較高的檢測靈敏度。
當本發明應用于介入式檢測時，可采用柔性的生物相容性材料制作傳感器所使用的中空管，將碳納米管酶復合物壓合在管中作為正電極，同時將鉑以涂敷或濺射的方法在中空管的外表面形成薄層作為負電極，制成針式生物傳感器。此傳感器具有柔韌性，可植入到皮下固定，動態檢測體內某些生化參數的變化情況。由于傳感器的體積可以通過微加工技術做得非常微細，植入時造成的創傷很小。
圖1是基于碳納米管的針式生物傳感器剖面結構示意圖；圖2是本發明的實施例3中的葡萄糖水溶液濃度/傳感器響應電流關系曲線圖；圖3是本發明的實施例4中的的24小時葡萄糖濃度/傳感器響應電流關系曲線圖。
具體實施例方式
如圖1所示，碳納米管針式生物傳感器具有中空管1，中空管內設有正電極2，中空管外設有負電極3，中空管上端設有導電接口4，并與正電極和負電極相連接。
本發明由多個電極組合而成。正電極以碳納米管作為導電材料，負電極以金屬作為導電材料。正電極由碳納米管、導電石墨粉、生物活性物質和粘合劑按一定比例混合，在中空管內粘合而成。負電極為鉑金屬，鉑金屬層覆蓋在中空管外表面，在鉑金屬層表面復合有生物相容性高分子滲透膜層。中空管的材料為高分子材料、玻璃或陶瓷。正負電極組裝在由生物相容材料制造的中空管中構成微型針式生物傳感器。上面描述的針式傳感器能夠插入待測樣品中，在線檢測樣品中被測物質的動態變化。
本發明所述的碳納米管針式生物傳感器，由至少一個正電極和一個負電極構成，正電極和負電極的上端連接有導電接口。所述的正電極和負電極共同封裝在一起，并通過與之相連的導電接口與外部檢測環境連接，導電接口的位置位于傳感器的一端。
封裝電極所使用的中空材料可以是任何可通過加工成型的物質，例如高分子材料、玻璃、陶瓷等。如果本傳感器使用在臨床醫療領域，則中空材料需使用生物相容性材料，如硅橡膠、醫用高聚物、陶瓷等。
在本發明中，正電極由碳納米管、導電石墨粉、生物活性物質和粘合劑共同構成，正電極的形狀和尺寸可根據中空材料的形狀和尺寸確定，尺寸范圍從微米到厘米，形狀可以是任何形狀。
本發明也可以是正電極為一枚，負電極為相互并聯的二枚、三枚或四枚；或者所述的負電極為一枚，正電極為相互并聯的二枚、三枚或四枚。
所述的正電極由碳納米管、導電石墨粉、生物活性物質和粘合劑壓合在中空材料內部而成，所述的負電極由鉑金屬構成，鉑金屬可涂覆在中空材料外形成鉑金屬層，也可封裝在中空材料內。
所述的生物活性物質為酶，其凍干粉以一定的比例與導電的碳納米管和石墨粉均勻混合，通過粘合劑黏結、壓合制成正電極。本發明所使用的酶是以氧作為反應物，過氧化氫作為生成產物的酶，如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、膽固醇氧化酶等。
實施例1本例生物傳感器，將碳納米管、導電石墨粉、葡萄糖氧化酶以50∶50∶1(質量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進玻璃制成的針形中空管1內(內徑0.5mm)，壓制成形2作為正電極，同時通過真空濺射法在中空管外壁涂覆形成金層3作為負電極。針式傳感器的尖形一端為檢測端，可插入皮下固定；傳感器的另一端通過特殊制造的導電接口4將來源于傳感器的電檢測信號引出，通過導電線5、6、7與外部設備連接，進行信號接收和記錄。
實施例2本例生物傳感器，將碳納米管、導電石墨粉、葡萄糖氧化酶以1∶1∶5(質量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進由硅橡膠制成的針形中空管1內(內徑0.4mm)，壓制成形2作為正電極，同時通過真空濺射法在中空管外壁涂覆形成鉑層3作為負電極。針式傳感器的尖形一端為檢測端；傳感器的另一端通過特殊制造的導電接口4將來源于傳感器的電檢測信號引出，通過導電線5、6、7與外部設備連接，進行信號接收和記錄。
實施例3本例生物傳感器，將碳納米管、導電石墨粉、葡萄糖氧化酶以5∶3∶2(質量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進聚酰亞胺制成的針形中空管1內(內徑0.3mm)，壓制成形2作為正電極，同時通過真空濺射法在聚酰亞胺管外壁涂覆形成鉑層3作為負電極。針式傳感器的尖形一端為檢測端，可插入皮下固定；傳感器的另一端通過特殊制造的導電接口4將來源于傳感器的電檢測信號引出，通過導電線5、6、7與外部設備連接，進行信號接收和記錄。
圖2為本傳感器在磷酸鹽緩沖液中(pH7)對葡萄糖濃度的電流響應曲線，曲線中每一階梯分別對應的葡萄糖溶液濃度為0、1、5、10、15、20mmol/L，每個葡萄糖濃度的測試時間為200秒。
實施例4本例生物傳感器，制作方式與上例類似，將碳納米管、導電石墨粉、葡萄糖氧化酶以5∶2∶3(質量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進聚酰亞胺制成的針形中空管1內(內徑0.4mm)，壓制成形2作為正電極，同時通過真空濺射法在聚酰亞胺管外壁濺射形成鉑層3作為負電極。針式傳感器的尖形一端為檢測端，可插入皮下固定；傳感器的另一端通過特殊制造的導電接口4將來源于傳感器的電檢測信號引出，通過導電線5、6、7與外部設備連接，進行信號接收和記錄。
只在中空管的外壁部分別濺射兩條鉑金屬層，形成個一個正電極，兩個負電極。將此傳感器放入濃度為5mmol/L的葡萄糖溶液中，連續24小時不間斷測試其電流響應，結果圖3所示。
權利要求
1.一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于它具有中空管(1)，中空管內設有正電極(2)，中空管外設有負電極(3)，中空管上端設有導電接口(4)，并與正電極和負電極相連接。
2.根據權利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于，所述的正電極以碳納米管作為導電材料，負電極以金屬作為導電材料。
3.根據權利要求1或2所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于，所述的正電極由碳納米管、導電石墨粉、生物活性物質和粘合劑在中空管內粘合而成。
4.根據權利要求1或2所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的負電極為鉑金屬，鉑金屬層覆蓋在中空管外表面，在鉑金屬層表面復合有生物相容性高分子滲透膜層。
5.根據權利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述中空管的材料為高分子材料、玻璃或陶瓷。
6.根據權利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的正電極為一枚，負電極為相互并聯的二枚、三枚或四枚；
7.根據權利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的負電極為一枚，正電極為相互并聯的二枚、三枚或四枚。
8.根據權利要求3所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的生物活性物質為酶。
9.根據權利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的正電極和負電極共同封裝在中空管(1)上，并通過與之相連的導電接口(4)末端的正電極引線(5)，第一負電極引線(6)，第二負電極引線(7)與外部檢測環境連接。
10.一種如權利要求1所述碳納米管針式生物傳感器的制作方法，其特征在于，它包括如下步驟1)將碳納米管∶導電石墨粉∶酶凍干粉按50∶50∶1至1∶1∶5的質量比均勻混合；2)在上述混合粉末中加入粘合劑，攪拌均勻，成漿狀后，壓入中空管內；3)將裝填完畢的中空管放入真空濺射設備中，在中空管的外表面濺射形成鉑金屬層，金屬層的厚度為100納米到0.5毫米；4)將導電接口封裝在上述中空管的一端，中空管上的正、負電極與導電接口上的引出線相連接。
全文摘要
本發明公開了一種碳納米管針式生物傳感器及其制作方法。它具有中空管，中空管內設有正電極，中空管外設有負電極，中空管上端設有導電接口，并與正電極和負電極相連接。本發明由多個電極集成而成，其中正電極由碳納米管、導電石墨粉、生物活性物質和粘合劑按一定比例混合填壓而成，負電極由導電金屬構成，電極組裝在由生物相容材料制造的中空管中構成微型針式生物傳感器。上面描述的針式傳感器能夠插入待測樣品中，在線檢測樣品中被測物質的動態變化。發明中所使用的碳納米管經過特殊的處理，不僅能夠有效提高生物物質的反應活性和保藏周期，而且能夠明顯提高傳感器的檢測范圍和檢測靈敏度。
文檔編號G01N27/327GK1963485SQ20061005395
公開日2007年5月16日 申請日期2006年10月25日 優先權日2006年10月25日
發明者管文軍, 葛浣溪, 李紅, 陳裕泉 申請人:浙江大學