本發明涉及傳感器,尤其是涉及一種電化學酶傳感器及其制備方法。
背景技術:
1、糖尿病是一種威脅人類健康和生命的世界性慢性病,血糖監測是糖尿病診療的前提和基礎,因此電化學酶傳感器一直是電化學傳感器中一個特別關注的焦點。傳統的電化學酶傳感器多為“柔性基底+電極+含酶導電水凝膠”的多層結構,當傳感器隨皮膚發生形變時,易導致水凝膠破裂而產生酶泄漏,同時水凝膠隨體液累積易發生溶脹而導致酶泄露,而傳統的傳感器通常將酶固定在工作電極表面,酶催化反應空間小,固定酶載量低,酶泄露和酶失活嚴重影響了測量準確度,縮短了傳感器的使用壽命。
技術實現思路
1、本發明所要解決的技術問題在于提供一種電化學酶傳感器。
2、本發明所要解決的另一技術問題在于提供上述電化學酶傳感器的制備方法。
3、本發明采用的技術方案是:
4、一種電化學酶傳感器,包括柔性基底(1)、柔性封裝層(2)、工作電極(3)、參比電極(4)和對電極(5),所述工作電極(3)、傳感器參比電極(4)和傳感器對電極(5)并列排布在柔性基底(1)和柔性封裝層(2)中間,所述柔性基底(1)是第一導電水凝膠采用熱聚合進行固化后形成的,所述柔性封裝層(2)是第二導電水凝膠采用熱聚合進行固化后形成的。
5、上述電化學酶傳感器中:
6、所述柔性基底(1)和柔性封裝層(2)用于進行溶液中待測物質催化反應;
7、所述工作電極(3)用于測量溶液中待測物質濃度;
8、所述參比電極(4)用于在溶液中保持相對穩定電勢;
9、所述對電極(5)用于輔助工作電極進行待測物質濃度檢測。
10、上述柔性基底和柔性封裝層的形狀以及厚度可以任意變換以滿足不同的應用環境的要求,同樣的,上述的三個電極的形狀以及厚度也可以匹配柔性基底和柔性封裝層的尺寸而變化。
11、優選的,上述電化學酶傳感器,所述第一導電水凝膠和第二導電水凝膠為相同材料水凝膠,為內部呈現網狀結構的共聚物多孔水凝膠,其中分散有納米顆粒固定化酶,所述納米顆粒固定化酶是以al2o3納米顆粒作為固定化載體且在其表面修飾有酶。
12、優選的,上述電化學酶傳感器,所述酶為葡萄糖氧化酶、葡萄糖脫氫酶或過氧化氫酶。
13、優選的,上述電化學酶傳感器,所述al2o3納米顆粒直徑為10-20nm,所述納米顆粒固定化酶的尺寸為15-25nm。
14、優選的,上述電化學酶傳感器,所述水凝膠是由下述方法制備得到的:
15、(1)以al2o3納米顆粒乳濁液為乳化劑,加入酶溶液,采用冰水浴法,振蕩制備負載酶的納米顆粒固定化酶溶液;
16、(2)將甜菜堿單體溶于羧基化纖維素納米纖維溶液中,加入交聯劑后將溶液在冰水浴條件下進行超聲,再將交聯催化劑和熱引發劑加入溶液中,置于冰水浴中攪拌得到兩性離子聚合物溶液;
17、(3)將納米顆粒固定化酶溶液加入兩性離子聚合物溶液中,置于冰水浴中攪拌混合得到水凝膠溶液,將水凝膠溶液注入模具,經熱水浴條件聚合制得高載酶量的多孔催化水凝膠。
18、上述水凝膠的制備方法中,使用磺酸甜菜堿構造抗溶脹兩性離子水凝膠,使用羧基化纖維素納米纖維調節水凝膠的孔徑。
19、優選的,上述電化學酶傳感器,所述步驟(1)中al2o3納米顆粒乳濁液濃度為0.1~5mg/ml,酶溶液濃度為10~50mg/ml;所述冰水浴溫度為-10~0℃,搖床振蕩轉速為100~200r/min,振蕩時間為15~45min。
20、優選的,上述電化學酶傳感器,所述步驟(1)中al2o3納米顆粒乳濁液和酶溶液的體積比為1:1。
21、優選的,上述電化學酶傳感器,所述步驟(2)中羧基化纖維素納米纖維溶液為質量分數1%~10%羧基化纖維素納米纖維溶液,所述甜菜堿單體為甜菜堿單體活性物含量為94%~98%的粉末;所述交聯劑為亞甲基雙丙烯酰胺,催化交聯劑為四甲基乙二胺,熱引發劑為過硫酸銨;所述超聲時間為30~60min,冰水浴溫度為-10~0℃,攪拌速度為300~450rpm,攪拌時間為3~15min。
22、優選的,上述電化學酶傳感器,所述甜菜堿單體為磺酸甜菜堿或磷酸酯甜菜堿。
23、優選的,上述電化學酶傳感器,所述步驟(3)中納米顆粒固定化酶溶液和兩性離子聚合物溶液的體積比為0.1-10:1,所述冰水浴溫度為-10~0℃,攪拌速度為300~450rpm,攪拌時間為3~15min;所述熱水浴溫度為30~40℃,聚合時間為24~36h。
24、優選的,上述電化學酶傳感器,所述柔性基底(1)和柔性封裝層(2)的厚度分別為500μm。
25、優選的,上述電化學酶傳感器,所述工作電極(3)的形狀為圓形,所述參比電極(4)為中心角度不超過45°的小圓環形,且該小圓環形的小圓弧半徑大于工作電極(3)的半徑,所述對電極(5)為中心角度超過180°的大圓環形,且該大圓環形的小圓弧半徑和大圓弧半徑與參比電極(4)的尺寸一致,所述工作電極(3)位于參比電極(4)和對電極(5)之間形成的圓形空間內。
26、優選的,上述電化學酶傳感器,所述工作電極(3)、參比電極(4)和對電極(5)分別通過工作電極條形導線(6a)、參比電極條形導線(6b)和對電極條形導線(6c)與外部檢測設備相連,其中,工作電極條形導線(6a)與工作電極(3)相連,參比電極條形導線(6b)與參比電極(4)相連,對電極條形導線(6c)與對電極(5)相連。
27、優選的,上述電化學酶傳感器,所述工作電極條形導線(6a)、參比電極條形導線(6b)和對電極條形導線(6c)的材料是導電材料金、銀、銅或鉑。
28、優選的,上述電化學酶傳感器,所述工作電極(3)和對電極(5)的材料是惰性導電材料碳。
29、優選的,上述電化學酶傳感器,所述參比電極(4)的材料是銀/氯化銀。
30、上述各材料的混合比例可根據需求按比例增加或減少。
31、上述電化學酶傳感器的制備方法,通過澆注、絲網印刷和轉印三種技術加工而成,具體步驟如下:
32、a)裁剪、清洗用于印刷的薄膜基底,清洗絲網印刷臺,并稀釋印刷油墨以備用;
33、b)將薄膜基底貼附于絲網印刷臺上,固定作電極和對電極印刷網版,刮刀下壓打印一層惰性導電材料,通過高溫固化后得到工作電極(3)和對電極(5);
34、c)更換為參比電極印刷網版,刮刀下壓打印一層銀/氯化銀,高溫固化后得到參比電極(4);
35、d)取第一導電水凝膠澆注到柔性基底的模具中,采用熱聚合的方法進行固化,清洗后得到柔性基底(1);
36、e)將在薄膜基底上燒結后的電極結構轉印到柔性基底(1)上;
37、f)將工作電極條形導線(6a)、參比電極條形導線(6b)和對電極條形導線(6c)用絕緣膠帶包裹,并用環氧膠將工作電極(3)、參比電極(4)和對電極(5)分別與導線進行連接;
38、g)將第二導電水凝膠澆注到轉印電極結構后的柔性基底(1)上,采用熱聚合進行固化后形成柔性封裝層(2),完成整個電化學酶傳感器的制備。
39、優選的,上述電化學酶傳感器的制備方法,制備得到的電化學酶傳感器的電極區域和電極外的導線被柔性基底(1)和柔性封裝層(2)覆蓋,導線區域與待測溶液絕緣。
40、本發明的有益效果是:
41、所述電化學酶傳感器,大體積導電水凝膠能承受更多的液體累積,由于整個水凝膠體透氣性好且大面積接觸空氣,液體的持續揮發能進一步提升承液量;使用具有高生物兼容性和超親水性的兩性離子水凝膠構造所提含酶水凝膠,使水分子能夠從酶的疏水區域被拉開,維持酶的活性;使用磺酸甜菜堿構造抗溶脹兩性離子水凝膠,避免表皮傳感器工作時隨體液累積水凝膠溶脹而發生酶泄露;使用羧基化纖維素納米纖維調節水凝膠的孔徑,使其具有更大的比表面積,提升酶的載量,最終從提升承液量、減緩酶失活、避免酶泄露和提升酶載量四個方面延長電化學酶傳感器使用壽命。