CN108693225A - 一种可拉伸柔性传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

一种可拉伸柔性传感器及其制备方法与应用 Download PDF

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李长青
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Abstract

本发明公开了一种可拉伸柔性传感器及其制备方法与应用。所述可拉伸柔性传感器包括柔性基底PDMS层，在PDMS层上依次设有聚多巴胺膜、金膜，在所述金膜上组装有半胱氨酸和SOD，在所述金膜上还可固定有导线。该可拉伸柔性传感器电极的电化学性能优良，具有一定柔性，反复弯曲或拉伸多次之后仍然保持良好的电化学行为。本发明制备方法成本低，简单易行，效率高，所制备的可拉伸柔性传感器可潜在应用于细胞超氧离子释放研究。

Description

一种可拉伸柔性传感器及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于柔性传感器制备领域，涉及一种可拉伸柔性传感器及其制备方法与应用。
背景技术
由于对可穿戴电子设备，健康智能监测***和人工智能有巨大的需求，近年来人们越来越热衷于设计柔软的可伸缩传感器。可穿戴式传感器可以被附着到织物上，或者可以直接安装在人体皮肤上以此来监测物理信号并用于疾病诊断和健康实时监测。例如，Gao等人制备了一种柔性的集成传感器阵列进行原位汗液分析，选择性地检测汗液代谢物(例如葡萄糖和乳酸)和电解质(钠离子和钾离子)，同时还可以监控皮肤温度。[Gao W,Emaminejad S,Nyein H Y Y,et al.Fully integrated wearable sensor arrays formultiplexed in situ perspiration analysis[J].Nature,2016,529(7587):509.]因此，可穿戴式传感器的发展与人类生活密切相关。
常规电极由于具有一定的脆性和刚性，限制了其在发生较大形变(弯曲，扭曲和拉伸等)或与曲线表面紧密结合时的应用。近来，人们已经致力于开发新的可伸缩电极，可以适应人体组织的柔软、弹性和弯曲特性，已经有报道可在机械转导期间实时监测机械诱导的生物化学信号。Huang课题组利用自支撑的碳纳米管薄膜与金纳米管电极相结合构筑了一种简便且多功能、可拉伸且透明的电化学传感器，在其传感器上培养内皮细胞可诱导细胞力学传导检测NO的释放。[Liu Y,Qin Y,Jin Z,et al.A Stretchable ElectrochemicalSensor for Inducing and Monitoring Cell Mechanotransduction in Real Time[J].AngewandteChemie International Edition,2017,56(32):9454.]是一种极其重要的活性氧(ROS)，对于人体细胞的增殖、损伤、凋亡过程具有极大的影响，因此对进行快速可靠的检测具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可拉伸柔性传感器及其制备方法与应用。本发明借助超声条件制备柔性金电极，该方法简单、效率高，在柔性金电极表面组装SOD层即可制备出柔性传感器，可实现细胞中超氧阴离子的实时监测。
本发明技术方案如下：
一种可拉伸柔性传感器，包括：
柔性基底层，
所述柔性基底层的至少一个面上依次设有聚多巴胺膜、金膜，
在所述金膜上组装(自组装)有半胱氨酸和SOD(超氧化物歧化酶)。
进一步地，所述柔性基底层由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成，或者所述柔性基底层为PDMS层。
在本发明的某些具体实施方式中，所述聚多巴胺膜、金膜依次设置在所述柔性基底层的一个面上。
进一步地，所述柔性基底层或PDMS层的厚度为1-3mm。
进一步地，所述聚多巴胺膜是由所述柔性基底层(或PDMS层)在多巴胺的Tris溶液中固定(或自生长)而成。
进一步地，所述聚多巴胺膜是由聚多巴胺在所述柔性基底层(或PDMS层)上固定(或自生长)而成，具体可将所述柔性基底层(或PDMS层)浸泡在多巴胺的Tris溶液中进行固定(或自生长)。
进一步地，所述金膜的厚度为10-15μm。
进一步地，所述金膜为纳米结构。
进一步地，所述金膜是由含有氯金酸和盐酸羟胺的镀液在聚多巴胺膜的表面沉积(或生长)而成。
进一步地，在所述金膜上还固定有导线(导线与所述金膜直接接触)。
进一步地，所述导线优选为铜丝。
本发明还提供一种如上述所述的可拉伸柔性传感器的制备方法，包括：在刚性基底上涂覆柔性材料，以制备所述柔性基底层(例如PDMS层)，在所述柔性基底层(例如PDMS层)上固定聚多巴胺膜，再在聚多巴胺膜上沉积(或生长)金膜；将沉积有金膜的所述柔性基底层(例如PDMS层)从刚性基底剥落，再将半胱氨酸和SOD组装(自组装、修饰)在所述金膜上。
或者进一步地，再将导线固定在所述金膜上。
进一步地，所述刚性基底的材料可为玻璃，石英，金属及有机聚合物等本领域常用的材料。
进一步地，在刚性基底上涂覆PDMS层的方法包括：将刚性基底置于旋转状态(例如放在旋转仪上)，然后涂覆(或覆盖)PDMS层，于65-80℃下烘干即可。一般烘干时间为1-2h，优选烘干时间为1h。
进一步地，在PDMS层上固定聚多巴胺膜的方法包括：将多巴胺的Tris溶液氧化(例如在空气中)得到聚多巴胺溶液，然后向其中浸入涂覆PDMS层的刚性基底，在超声条件下将聚多巴胺固定在PDMS层上。
进一步地，所述多巴胺的Tris溶液的浓度为2-10mg/mL，pH值为8.5。
所述超声时间为10-30min，优选为20min；超声频率为100-500W；优选为300W。
所述将多巴胺氧化的时间一般为5-30min，具体可为15min或20min；氧化后的聚多巴胺既有羟基又有氨基，故可以通过粘附并固定在基底上同时完成氨基化和羟基化；同时聚多巴胺有一定的还原性，可以诱导并加速盐酸羟胺还原氯金酸时生成纳米金的速度，有利于在基底上生长一层致密均匀的金膜。
进一步地，所述沉积(或生长)金膜的方法包括：将涂覆PDMS层的刚性基底固定聚多巴胺膜后，放入含有氯金酸与盐酸羟胺的镀液中超声处理，随后静态浸泡，即可在聚多巴胺膜的表面沉积(或生长)得到一层亮黄色金膜。
进一步地，所述渡液由氯金酸水溶液与盐酸羟胺水溶液按体积比为10:1-2组成；所述氯金酸水溶液的物质的量浓度为2-10mM，盐酸羟胺的水溶液的浓度为20-50mmol/L。
进一步地，沉积(或生长)金膜时所述超声处理时间为1-5min，优选为2min；超声频率为100-500W；优选为300W。
进一步地，浸泡时间为10-60min，优选为30min。
进一步地，在金膜上组装半胱氨酸和SOD的方法包括：将沉积有金膜的PDMS层从刚性基底剥落，先浸泡在已经除去氧气的半胱氨酸溶液中，组装(自组装)半胱氨酸；然后浸泡在SOD溶液中，组装(自组装)SOD。
进一步地，半胱氨酸溶液的浓度为0.5-2mM。
进一步地，将半胱氨酸溶液除去氧气的时间为20-40min。
进一步地，所述SOD溶液的浓度为0.2-0.7mM。
进一步地，所述金膜在半胱氨酸和SOD溶液中浸泡时间均为10-60min，优选为30min。
本发明所用原料均可市售购得，或按本领域常规方法制备。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，即得本发明各较佳实例。
具体地，上述可拉伸柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)取刚性基底放在旋转仪上，旋转状态下涂覆PDMS层，于65-80℃烘干；
2)将多巴胺的Tris溶液氧化得到聚多巴胺溶液，然后向其中浸入涂覆PDMS层的刚性基底，在超声条件下将聚多巴胺固定在PDMS层上；所述多巴胺的Tris溶液的浓度为2-10mg/mL，pH值为8.5；所述超声时间为10-30min；超声频率为100-500W；
3)将涂覆PDMS层的刚性基底固定聚多巴胺膜后，放入镀液中超声处理，随后静态浸泡；所述渡液由氯金酸水溶液与盐酸羟胺水溶液按体积比为10:1-2组成；所述氯金酸水溶液的物质的量浓度为2-10mM，盐酸羟胺的水溶液的浓度为20-50mmol/L；所述超声处理时间为1-5min；超声频率为100-500W；浸泡时间为10-60min；
4)将沉积有金膜的PDMS层从刚性基底剥落，先浸泡在已经除去氧气的半胱氨酸溶液中，组装半胱氨酸；然后浸泡在SOD溶液中，组装SOD；半胱氨酸溶液的浓度为0.5-2mM；SOD溶液的浓度为0.2-0.7mM；所述金膜在半胱氨酸和SOD溶液中浸泡时间均为10-60min；
或者，进一步地还包括步骤5)，将导线固定在所述金膜上(使铜丝与所述金膜接触)。
本发明还包括上述方法制备的可拉伸柔性传感器。
本发明还包括上述可拉伸柔性传感器在细胞检测等方面的应用。
优选应用于检测细胞超氧根离子，即尤其是在检测酵母聚糖A(ZymosanA)刺激细胞释放方面的应用，所述细胞例如可为人脐静脉血管内皮细胞(HUVECs)。
本发明公开了一种高效制备可拉伸柔性传感器的方法。该方法是在旋转仪上通过旋涂法在刚性基底上涂覆PDMS层，然后在超声条件下将涂有PDMS层的基底表面自组装上聚多巴胺层，最后将上述基底放入含有氯金酸和盐酸羟胺的化学镀液中超声然后再静态浸泡使生长成金膜。在金膜上自组装半胱氨酸和SOD之后即可成功制备出柔性传感器。该方法使用PDMS作为柔性基底生长均匀、厚度可控、纳米结构的金膜，成本低，简单易行，效率高。该制备柔性传感器的方法简单快速、成本低，重现性好，可在载玻片表面形成均匀的亮黄色金膜。该方法将SOD组装在有柔性、可弯曲的金膜上，使得该传感器在酵母聚糖A刺激细胞之后即可释放进行研究分析。该可拉伸柔性传感器电极的电化学性能优良，具有一定柔性，不管是反复弯曲还是拉伸多次之后仍然保持良好的电化学行为。该柔性金电极自组装半胱氨酸单分子层，然后组装SOD，即可制备出可拉伸的检测超氧根离子的柔性传感器。该方法所制备的柔性传感器可潜在应用于细胞超氧离子释放研究。
附图说明
图1A所示的是柔性电极的表面纳米金结构形貌；B为柔性电极在0.5M H2SO4中活化的循环伏安图。
图2为拉伸不同次数的柔性电极在1mM甲醇二茂铁溶液中(0.1mol/LKNO3作支持电解质溶液)表征的循环伏安图。
图3为拉伸不同长度的柔性电极在1mM甲醇二茂铁溶液中(0.1mol/LKNO3作支持电解质溶液)表征的循环伏安图。
图4A为柔性传感器对浓度为100μM的响应。图B为柔性传感器在+0.25V(vs.Ag/AgCl)下的I-t曲线。
图5为柔性传感器(SOD/Cys/Au electrode)在+0.25V时(vs.Ag/AgCl)对人脐静脉血管内皮细胞释放的响应。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1制备可拉伸柔性传感器
1)基底的制备：
取刚性基底放在旋转仪上，旋转状态下涂覆PDMS层，并在80℃下烘干1h。
2)载玻片表面湿法沉积金：
将10.0mL质量浓度为3mg/mL的多巴胺的Tris溶液在空气中氧化20min，得到聚多巴胺溶液，在超声条件下将已经涂有PDMS层的基底放入该聚多巴胺溶液中，超声处理30min使其固定上聚多巴胺膜；
将固定上聚多巴胺膜的基底放入体积比为10:1的由物质的量浓度为5mM氯金酸的水溶液与40mmol/L的盐酸羟胺的水溶液中超声2min，然后继续静态浸泡40min，基底表面即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米的Au膜，金膜厚度为12-15μm；
3)柔性传感器的制作：
将步骤2)所得沉积的金膜从刚性基底剥落后放入1mM的半胱氨酸溶液中，浸泡20min；之后将金膜放入0.6mM的SOD溶液中，浸泡50min；
通过蘸取碳导电胶在金膜上固定住铜丝(铜丝与所述金膜接触)，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料柔性传感器。
图1A所示的是柔性电极的表面纳米金结构形貌，说明了Au膜成功地生长于基底表面；B所示的是该实施例中经过封装以后形成的柔性电极在0.5M H2SO4中活化的循环伏安图。
图2所示是该实施例中形成的柔性电极通过拉伸不同次数之后在1mM甲醇二茂铁的KNO3溶液中表征的循环伏安图，循环伏安曲线相对吻合，说明了该电极在拉伸不同次数之后，还能够具有良好的电化学性能。
图3所示是该实施例中形成的柔性电极通过拉伸不同长度之后在1mM甲醇二茂铁的KNO3溶液中表征的循环伏安图，循环伏安曲线基本重合，说明了该电极在拉伸不同程度之后，还能够具有良好的电化学性能。
图4A为柔性传感器对浓度为100μM的响应。图B为柔性传感器在+0.25V下的I-t曲线。说明了传感器对一定浓度的具有响应，并且在+0.25V(vs.Ag/AgCl)下检测的浓度范围是0.2μm-2μm。
图5为柔性传感器在+0.25V时(vs.Ag/AgCl)对人脐静脉血管内皮细胞释放的检测，经典的酵母聚糖A刺激细胞实验证实了柔性传感器可以检测细胞超氧根的释放。
实施例2制备可拉伸柔性传感器
1)基底的制备：
取刚性基底放在旋转仪上旋转状态涂覆PDMS层，并在70℃下烘干2h。
2)载玻片表面湿法沉积金：
将10.0mL质量浓度为5mg/mL的多巴胺的Tris溶液在空气中氧化10min，得到聚多巴胺溶液，在超声条件下将已经涂有PDMS层的基底放入该聚多巴胺溶液中，超声处理20min使其固定上聚多巴胺膜；
将固定上聚多巴胺膜的基底放入体积比为10:2的由物质的量浓度为6mM氯金酸的水溶液与50mmol/L的盐酸羟胺的水溶液中超声3min，然后继续静态浸泡50min，基底表面即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米的Au膜，金膜厚度为10-12μm；
3)柔性传感器的制作：
将步骤2)所得沉积的金膜从刚性基底剥落后放入1.5mM的半胱氨酸溶液中，浸泡25min；之后将金膜放入0.5mM的SOD溶液中，浸泡30min；
通过蘸取碳导电胶在金膜上固定住铜丝(铜丝与所述金膜接触)，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料柔性传感器。
实施例3制备可拉伸柔性传感器
1)基底的制备：
取刚性基底放在旋转仪上旋转状态涂覆PDMS层，并在65℃下烘干2h。
2)载玻片表面湿法沉积金：
将10.0mL质量浓度为6mg/mL的多巴胺的Tris溶液在空气中氧化15min，得到聚多巴胺溶液，在超声条件下将已经涂有PDMS层的基底放入该聚多巴胺溶液中，超声处理20min使其固定上聚多巴胺膜；
将固定上聚多巴胺膜的基底放入体积比为10:2的由物质的量浓度为3mM氯金酸的水溶液与30mmol/L的盐酸羟胺的水溶液中超声2min，然后继续静态浸泡60min，基底表面即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米的Au膜，金膜厚度为11-14μm；
3)柔性传感器的制作：
将步骤2)所得沉积的金膜从刚性基底剥落后放入2mM的半胱氨酸溶液中，浸泡15min；之后将金膜放入0.3mM的SOD溶液中，浸泡40min；
通过蘸取碳导电胶在金膜上固定住铜丝(铜丝与所述金膜接触)，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料柔性传感器。
实施例4制备可拉伸柔性传感器
1)基底的制备：
取刚性基底放在旋转仪上旋转状态涂覆PDMS层，并在70℃下烘干1.5h。
2)载玻片表面湿法沉积金：
将10.0mL质量浓度为8mg/mL的多巴胺的Tris溶液在空气中氧化10min，得到聚多巴胺溶液，在超声条件下将已经涂有PDMS层的基底放入该聚多巴胺溶液中，超声处理15min使其固定上聚多巴胺膜；
将固定上聚多巴胺膜的基底放入体积比为10:1的由物质的量浓度为8mM氯金酸的水溶液与40mmol/L的盐酸羟胺的水溶液中超声1min，然后继续静态浸泡45min，基底表面即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米的Au膜，金膜厚度为11-13μm；
3)柔性传感器的制作：
将步骤2)所得沉积的金膜从刚性基底剥落后放入1.5mM的半胱氨酸溶液中，浸泡10min；之后将金膜放入0.6mM的SOD溶液中，浸泡30min；
通过蘸取碳导电胶在金膜上固定住铜丝(铜丝与所述金膜接触)，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料柔性传感器。
综上所述，本发明提出一种高效制备可拉伸柔性传感器的方法，在旋转仪上通过旋涂法在刚性基底上涂覆PDMS层，然后在超声条件下将涂有PDMS层的基底表面自组装上聚多巴胺层，最后将上述基底放入含有氯金酸和盐酸羟胺的化学镀液中超声然后再静态浸泡使生长成金膜。在金膜上组装SOD之后即可成功制备出柔性传感器。该制备柔性传感器的方法简单快速、成本低，重现性好，可在载玻片表面形成均匀的亮黄色金膜。该方法将SOD组装在有柔性、可弯曲的金膜上，在酵母聚糖A刺激细胞下证实了柔性传感器可以检测细胞超氧根的释放。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种可拉伸柔性传感器，包括：
柔性基底层，
所述柔性基底层的至少一个面上依次设有聚多巴胺膜、金膜，
在所述金膜上组装有半胱氨酸和SOD；
优选地，所述柔性基底层为PDMS层。
2.根据权利要求1所述的可拉伸柔性传感器，其特征在于，所述柔性基底层的厚度为1-3mm；和/或，
所述金膜的厚度为10-15μm；和/或，
所述聚多巴胺膜是由聚多巴胺在所述柔性基底层上固定而成；和/或，
所述金膜是由含有氯金酸和盐酸羟胺的镀液在聚多巴胺膜的表面沉积而成。
3.一种可拉伸柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括：在刚性基底上涂覆柔性材料，制备成柔性基底层；在所述柔性基底层上固定聚多巴胺膜；再在聚多巴胺膜上沉积金膜；将沉积有金膜的所述柔性基底层从刚性基底剥落，再将半胱氨酸和SOD组装在所述金膜上；或者进一步地，再将导线固定在所述金膜上；
优选地，所述柔性基底层为PDMS层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在刚性基底上涂覆PDMS层的方法包括：将刚性基底置于旋转状态，然后涂覆PDMS层，于65-80℃烘干即可。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在PDMS层上固定聚多巴胺膜的方法包括：将多巴胺的Tris溶液氧化得到聚多巴胺溶液，然后向其中浸入涂覆PDMS层的刚性基底，在超声条件下将聚多巴胺固定在PDMS层上；
优选地，所述多巴胺的Tris溶液的浓度为2-10mg/mL，pH值为8.5；和/或，
优选地，所述超声时间为10-30min，更优选为20min；超声频率为100-500W；优选为300W。
6.根据权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，所述沉积金膜的方法包括：将涂覆PDMS层的刚性基底固定聚多巴胺膜后，放入含有氯金酸与盐酸羟胺的镀液中超声处理，随后静态浸泡，使金膜沉积在聚多巴胺膜的表面上；
优选地，所述渡液由氯金酸水溶液与盐酸羟胺水溶液按体积比为10:1-2组成；所述氯金酸水溶液的物质的量浓度为2-10mM，盐酸羟胺的水溶液的浓度为20-50mmol/L；和/或，
优选地，沉积金膜时所述超声处理时间为1-5min，优选为2min；超声频率为100-500W；优选为300W；和/或，
浸泡时间为10-60min，优选为30min。
7.根据权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，在金膜上组装半胱氨酸和SOD的方法包括：将沉积有金膜的PDMS层从刚性基底剥落，先浸泡在已经除去氧气的半胱氨酸溶液中，组装半胱氨酸；然后浸泡在SOD溶液中，组装SOD；
优选地，半胱氨酸溶液的浓度为0.5-2mM；和/或，所述SOD溶液的浓度为0.2-0.7mM；
进一步优选地，所述金膜在半胱氨酸和SOD溶液中浸泡时间均为10-60min，优选为30min。
8.根据权利要求3-7任一项所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取刚性基底置于旋转状态，涂覆PDMS层，于65-80℃烘干；
2)将多巴胺的Tris溶液氧化得到聚多巴胺溶液，然后向其中浸入涂覆PDMS层的刚性基底，在超声条件下将聚多巴胺固定在PDMS层上；所述多巴胺的Tris溶液的浓度为2-10mg/mL，pH值为8.5；所述超声时间为10-30min；超声频率为100-500W；
3)将涂覆PDMS层的刚性基底固定聚多巴胺膜后，放入镀液中超声处理，随后静态浸泡；所述渡液由氯金酸水溶液与盐酸羟胺水溶液按体积比为10:1-2组成；所述氯金酸水溶液的物质的量浓度为2-10mM，盐酸羟胺的水溶液的浓度为20-50mmol/L；所述超声处理时间为1-5min；超声频率为100-500W；浸泡时间为10-60min；
4)将沉积有金膜的PDMS层从刚性基底剥落，先浸泡在已经除去氧气的半胱氨酸溶液中，组装半胱氨酸；然后浸泡在SOD溶液中，组装SOD；半胱氨酸溶液的浓度为0.5-2mM；SOD溶液的浓度为0.2-0.7mM；所述金膜在半胱氨酸和SOD溶液中浸泡时间均为10-60min；
或者，进一步地还包括步骤5)，将导线固定在所述金膜上。
9.权利要求3-8任一项所述方法制得的可拉伸柔性传感器。
10.权利要求1、2、9任一项所述可拉伸柔性传感器在细胞检测方面的应用；
优选地，应用于检测细胞超氧根离子
更优选地，应用于检测酵母聚糖A刺激细胞释放
所述细胞包括人脐静脉血管内皮细胞。
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