CN112114017B - 一种连续葡萄糖检测传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗检测设备技术领域，具体涉及一种连续葡萄糖检测传感器及其制备方法，传感器包括从下到上依次设置的柔性基底层、叉指电极层和凝胶层，所述凝胶层由凝胶溶液经光固化获得，所述凝胶溶液包括ConA粉末、改性右旋糖酐粉末、pH为7.35‑7.45的缓冲溶液、交联剂和光引发剂。本发明的连续葡萄糖检测传感器包括从下到上依次设置的柔性基底层、叉指电极层和凝胶层三层结构，结构简单，以包含ConA的水凝胶为葡萄糖响应元件，基于叉指电极的电容信号传递使制得的葡萄糖传感器灵敏度高，基于右旋糖酐和ConA的水凝胶网络可逆结合葡萄糖的特点使该传感器可用于连续葡萄糖检测，制备方法简单，便于批量化生产，电信号采集快捷，信号读取成本低。
Description
技术领域
本发明属于检测方法技术领域，具体涉及一种连续葡萄糖检测传感器及其制备方法。
背景技术
糖尿病是一种以血糖代谢紊乱为特点从而引起血液中葡萄糖累积的疾病。糖尿病有两种类型：I型糖尿病是由于胰岛beta细胞受自身免疫摧毁而引起胰岛素分泌不足；Ⅱ型糖尿病是以胰岛素抵抗状态为特点并且胰腺不能分泌足够的胰岛素来克服该抵抗。糖尿病(尤其是I型以及晚期的Ⅱ型)最有效的控制方法是通过每天几次反复皮下注射胰岛素，从而帮助人体血糖保持在正常水平来维持生命。该疗法所用的传感器多为酶催化的传感器，此类传感器稳定性较差，抗干扰能力低。一些非酶葡萄糖传感器采用金属氧化物作为葡萄糖催化剂，但此种传感器易受活性分子影响，缺乏对葡萄糖的选择性，且制造成本高。
伴刀豆球蛋白(ConA)能与葡萄糖以非共价键形式结合，并且专一性很强。现有的研究中使用ConA制成了各种信号的传感器，包括用ConA修饰的电化学传感器，用含ConA分散液制成的粘度传感器，含ConA的荧光传感器，以及利用含ConA凝胶制成的光学传感器。然而，电极修饰涉及纳米电极的成型，工艺复杂；粘度传感器依赖于微机电加工(MEMS)技术，成本较高；荧光传感器涉及复杂的荧光标记技术；光学传感器则一般用于体外检测。
中国专利文献CN104777157A公开了一种无酶ECL葡萄糖传感器，该葡萄糖传感器将g-C3N4纳米片和PTCA通过π–π堆积制得纳米复合材料g-C3N4-PTCA，以此作为ECL信号探针修饰于电极上；再通过π–π堆积作用修饰上DexP；利用DexP与ConA的特异性结合进一步修饰上ConA而得，所获得的传感器具有较好的稳定性和重现性。但是，该葡萄糖传感器不仅制备过程复杂，制备周期长，并且该传感器基于电致化学发光原理，需要对应检测仪检测信号，检测条件严格，且成本较高。相比于电化学电信号传感器，该传感器检测的连续性较差。
中国专利文献CN109270136A公开了一种抗HCT干扰的葡萄糖传感器，该传感器由基材、葡萄糖传感器电极、电子介体层、酶层、间隔层和覆盖层组装而成，组装完成后形成工作腔，基材、间隔层和覆盖层原料均为具有网格状结构的多孔材料，电子介体层为铁***溶液、亚铁***溶液、二茂铁及其衍生物溶液和普鲁士蓝溶液中的一种，酶层为葡萄糖氧化酶溶液或者葡萄糖脱氢酶溶液。该传感器检测数据准确，可以广泛应用于血糖检测。但是，该传感器由六层组成，结构复杂，对封装操作要求高，且仍然会受到酶的生物活性的影响。
发明内容
为了提供一种结构简单、易于制作、检测过程不受严格检测条件的限制且可进行连续检测的葡萄糖传感器，本发明提供了一种连续葡萄糖检测传感器及其制备方法，该传感器包括从下到上依次设置的柔性基底层、叉指电极层和凝胶层，凝胶层由凝胶溶液经光固化获得，该传感器包括三层结构，结构简单，以包含ConA的水凝胶为葡萄糖响应元件，基于叉指电极的电容信号传递使制得的葡萄糖传感器灵敏度高，基于右旋糖酐和ConA的水凝胶网络可逆结合葡萄糖的特点使该传感器可用于连续葡萄糖检测，制备方法简单，便于批量化生产。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种连续葡萄糖检测传感器，包括从下到上依次设置的柔性基底层、叉指电极层和凝胶层，所述凝胶层由凝胶溶液经光固化获得，所述凝胶溶液包括ConA粉末、改性右旋糖酐粉末、pH为7.35-7.45的缓冲溶液、交联剂和光引发剂。
作为优选，上述凝胶溶液中ConA粉末与改性右旋糖酐粉末的质量比为1:100-10:100，缓冲溶液与改性右旋糖酐粉末的质量比为23:1-25:1，交联剂与改性右旋糖酐粉末的质量比为1:10-1:20，光引发剂与改性右旋糖酐粉末的质量比为1:100-1:1000。
作为优选，上述改性右旋糖酐粉末为甲基丙烯酸缩水甘油酯改性右旋糖酐、甲基丙烯酸缩水甘油醚改性右旋糖酐、甲基丙烯酸酐改性右旋糖酐或丙烯酸酐改性右旋糖酐中的一种；所述pH为7.35-7.45的缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液或硼酸盐缓冲溶液；所述交联剂为水溶***联剂；所述光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐或2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
作为优选，上述交联剂为聚乙二醇双甲基丙烯酸酯。
作为优选，上述柔性基底层为聚酰亚胺薄膜；所述柔性基底层的厚度为0.05-0.2mm；所述凝胶层具有可调的凝胶网络。
所述凝胶层的凝胶网络调整机理为：该体系的核心在于两对特异性结合的受体-配体，分别是伴刀豆球蛋白-改性右旋糖酐(ConA和DexMA)和伴刀豆蛋白-葡萄糖(ConA-Glucose)受体配体对，两个受体-配体对形成竞争，受体－配体对之间存在结合与解离的现象，结合与解离视作一个化学平衡，可表述为以下两个化学平衡式：
凝胶层形成时，体系中无葡萄糖存在，ConA与DexMA结合，化学平衡式(1)发生。当大量葡萄糖存在时，为了满足凝胶体系溶胀体积增大，需要体系中存在未结合的ConA位点，在高浓度葡萄糖环境下化学平衡式(2)向右移动，ConA位点减少，从而使化学平衡式(1)向左移动。当环境中葡萄糖浓度下降时，化学平衡式(2)向左移动，ConA位点增加，从而使化学平衡式(1)向右移动，使得凝胶体系溶胀体积减小。因此体系中ConA与DexMA的初始配比对响应效果有很大的影响。
为计算出ConA和DexMA的配比，假设初始状态ConA的浓度为C1，DexMA的浓度为C2，ConA-DexMA的浓度为0。经过一段时间的反应后，ConA和DexMA反应生成ConA-DexMA的浓度是a，则反应后，ConA和DexMA的剩余浓度分别为C1－a和C2－a。K值是平衡常数，公式如(3)所示。K值可由等温滴定量热法(ITC)测出。
为了满足条件需要体系中存在过量的ConA，使ConA与Glucose结合，因此假定ConA和DexMA反应时，ConA位点会反应60％，且DexMA会反应90％(即a＝0.6C1，0.6C1＝0.9C2)代入K值表达式进行计算，即可求出C1，C2，即得到所需的ConA与DexMA配比。
在实际调整过程中，减少C1与C2的比例，传感器即可在葡萄糖浓度较低时表现较高的灵敏度，但检测的线性范围较窄；当需要检测较高浓度的葡萄糖，可以增大C1与C2的比例，即可增大检测范围。从而根据具体需求对凝胶层的凝胶网络进行调整。
一种连续葡萄糖检测传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在柔性基底层上制备叉指电极层；
(2)在叉指电极层的叉指区域上方固化凝胶溶液，获得凝胶层。
作为优选，上述步骤(1)中的叉指电极层采用碳电极、金属电极或导电聚合物电极中的一种。
作为优选，上述碳电极、金属电极和导电聚合物电极均可以采用喷墨印刷、丝网印刷或3D打印技术获得，上述碳电极还可以采用激光雕刻方法获得。
作为优选，上述步骤(2)具体为：将凝胶溶液的各组分混合均匀，在叉指电极层的叉指区域放置与之形状匹配的模具，向模具中倒入凝胶溶液，采用320-420nm光源照射至固化成型，取下模具，获得凝胶层。
作为优选，上述模具为聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度为0.5-1mm；所述光源照射至柔性基底层表面的光强为30-150mW，照射时间为2-10s，优选地，所述光源照射至柔性基底层表面的光强为100-120mW。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的连续葡萄糖检测传感器包括从下到上依次设置的柔性基底层、叉指电极层和凝胶层三层结构，结构简单，以包含ConA的水凝胶为葡萄糖响应元件，基于叉指电极的电容信号传递使制得的葡萄糖传感器灵敏度高，基于改性右旋糖酐和ConA的水凝胶网络可逆结合葡萄糖的特点使该传感器可用于连续葡萄糖检测，制备方法简单，便于批量化生产，电信号采集快捷，信号读取成本低。
(2)本发明作为敏感元件的凝胶层是基于ConA和DexMA体系的双网络结构，该结构能减少ConA的流失，并实现葡萄糖与ConA分子的可逆结合，此外，本发明的凝胶层采用的水凝胶材料具有良好的生物相容性，具有制备成可植入器件的潜力；
(3)本发明以含ConA的凝胶对葡萄糖的可逆结合效应导致的凝胶介电常数变化为信号，将该信号转化为电容信号输出，可检测到0-30mM/L的葡萄糖浓度变化，在0-6mM/L线性范围其灵敏度达8.81pF/mM，高于大部分含ConA的葡萄糖传感器；
(4)本发明采用聚酰亚胺薄膜作为柔性基底层，在上面获得的叉指电极层对电容信号敏感，且便于与凝胶层的结合；
(5)本发明的叉指电极层具有良好的导电性，叉指电极层可以采用喷墨印刷、丝网印刷、3D打印和/或激光雕刻等多种方式获得，这些印刷方式都可以进行批量打印，制备方法简单，便于操作，成功率高，其中的激光雕刻是通过激光雕刻机依照叉指电容图纸对聚酰亚胺膜进行雕刻获得，激光参数易于控制，利于获得导电性高的电极；本发明的葡萄糖传感器各项参数易于控制，重复性强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明连续葡萄糖检测传感器的结构示意图；
图2是沿图1中A-A线的剖视图(以喷墨印刷、丝网印刷或导电金属3D打印等方式在柔性基底层表面获得叉指电极层的方式为例，如果是激光雕刻方式获得叉指电极层，则叉指电极层为凹进柔性基材层中)；
图3是连续葡萄糖检测传感器的电容值在不同浓度葡萄糖溶液中随电压频率的变化图；
图4是连续葡萄糖检测传感器的电容值随葡萄糖溶液浓度的变化图(电压频率30KHz)；
图5是连续葡萄糖检测传感器在不同葡萄糖浓度中的电容值随时间的变化曲线(电压频率1KHz)；
图中：1.柔性基底层；2.叉指电极层；3.凝胶层。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种连续葡萄糖检测传感器的制备方法，包括如下步骤(如图1-2所示)：
(1)在柔性基底层1上制备叉指电极层2；
(2)在叉指电极层2的叉指区域上方固化凝胶溶液，获得凝胶层3。
其中，步骤(1)中的叉指电极层采用碳电极、金属电极或导电聚合物电极中的一种。碳电极、金属电极和导电聚合物电极均可以采用喷墨印刷、丝网印刷、3D打印技术和/或激光雕刻方法获得。其中，激光雕刻时可以采用激光雕刻机依照叉指电容图纸对聚酰亚胺膜进行雕刻；金属电极可以选择金或银作为电极材料；导电聚合物可以选择聚吡咯或聚苯胺为电极材料。
其中，步骤(2)具体为：将凝胶溶液的各组分混合均匀，在叉指电极层的叉指区域放置与之形状匹配的模具，向模具中倒入凝胶溶液，采用320-420nm光源照射至固化成型，取下模具，获得凝胶层。模具为聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度为0.5-1mm；所述光源的光强为30-150mW，照射时间为2-10s，优选地，光源照射至柔性基底层表面的光强为100-120mW。
实施例1
将一片厚度为0.15mm的聚酰亚胺薄膜固定在防震台上，将设计好的叉指电极图纸导入激光雕刻机终端软件，用激光雕刻机对薄膜进行定位，并进行叉指形貌打印；激光光源为400-450nm，功率强度为75％，得到叉指碳电极层。所获得的叉指碳电极的叉指电极线宽度为0.7mm，指电容间距为1mm，引脚长度为5.5mm，接线区域为1.5×1.5mm2的正方形。
称取100mg甲基丙烯酸缩水甘油酯改性右旋糖酐、5mg ConA粉末、2400mg pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液、8mg聚乙二醇双甲基丙烯酸酯和0.5mg苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐，放入容器内搅拌均匀，得到凝胶溶液。
将由0.5mm的聚二甲基硅氧烷薄膜围合而成的模具放置在叉指电极层上，在叉指区域隔出一个空腔，取80微升凝胶溶液倒入模具内，使凝胶溶液在模具内分散均匀，采用365nm紫外光照射10s，凝胶溶液固化得到凝胶层，即完成传感器的制备。
如图1-2所示，最下层为柔性电极层1，中间为叉指电极层2，叉指电极层2的叉指区域上方为凝胶层3。
实施例2
将一片厚度为0.05mm的聚酰亚胺薄膜固定在防震台上，将设计好的叉指电极图纸导入3D打印设备，通过3D打印得到叉指金电极层。所获得的叉指金电极的叉指电极线宽度为1mm，指电容间距为1mm，引脚长度为8mm，接线区域为2×2mm2的正方形。
称取100mg甲基丙烯酸酐改性右旋糖酐、1mg ConA粉末、2300mg pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液、5mg聚乙二醇双甲基丙烯酸酯和0.1mg2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，放入容器内搅拌均匀，得到凝胶溶液。
将由1mm的聚二甲基硅氧烷薄膜围合而成的模具放置在叉指电极层上，在叉指区域隔出一个空腔，取80微升凝胶溶液倒入模具内，使凝胶溶液在模具内分散均匀，采用320nm紫外光照射2s，凝胶溶液固化得到凝胶层，即完成传感器的制备。
实施例3
将一片厚度为0.2mm的聚酰亚胺薄膜固定在防震台上，按照设计好的叉指电极图纸通过丝网印刷得到叉指导电聚合物电极层。所获得的叉指导电聚合物电极的叉指电极线宽度为0.5mm，指电容间距为0.5mm，引脚长度为10mm，接线区域为0.8×0.8mm2的正方形。
称取100mg甲基丙烯酸缩水甘油醚改性右旋糖酐、10mg ConA粉末、2500mg pH为7.4的硼酸盐缓冲溶液、10mg聚乙二醇双甲基丙烯酸酯和1mg2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，放入容器内搅拌均匀，得到凝胶溶液。
将由1mm的聚二甲基硅氧烷薄膜围合而成的模具放置在叉指电极层上，在叉指区域隔出一个空腔，取80微升凝胶溶液倒入模具内，使凝胶溶液在模具内分散均匀，采用420nm紫外光照射10s，凝胶溶液固化得到凝胶层，即完成传感器的制备。
将实施例1所制备的葡萄糖传感器放入不同浓度的葡萄糖溶液中，在0-80KHz频率范围内进行电容值扫频检测，得到传感器电容值在不同浓度葡萄糖溶液中随电压频率的变化情况，如图3所示，图3表明传感器在0-80KHz频率范围内皆可用，在低频区段具有较高的灵敏度。
将实施例1所制备的葡萄糖传感器放入PDMS流道，接线接入LCR检测仪的电容数据采集频道，通过蠕动泵将浓度为0-30mM/L的葡萄糖溶液缓流通入流道，对其响应电容信号进行测试。图4为3次重复实验的采点图(带误差棒)，在0-6mM/L葡萄糖浓度较低的范围内，该器件电容值下降快，灵敏度达8.81pF/mM，线性相关系数达0.98。图5为传感器在一段时间内连续检测电容值的曲线图，在一定时间内进行连续测试，传感器在每次葡萄糖浓度变化后保持较好的稳定性，说明该器件有很好的连续葡萄糖检测潜力。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种连续葡萄糖检测传感器，其特征在于：包括从下到上依次设置的柔性基底层、叉指电极层和凝胶层，所述凝胶层由凝胶溶液经光固化获得，所述凝胶溶液包括ConA粉末、改性右旋糖酐粉末、pH为7.35-7.45的缓冲溶液、交联剂和光引发剂；所述柔性基底层为聚酰亚胺薄膜；所述柔性基底层的厚度为0.05-0.2mm；所述凝胶层具有可调的凝胶网络；所述凝胶溶液中ConA粉末与改性右旋糖酐粉末的质量比为1:100-10:100；
所述改性右旋糖酐粉末为甲基丙烯酸缩水甘油酯改性右旋糖酐、甲基丙烯酸缩水甘油醚改性右旋糖酐、甲基丙烯酸酐改性右旋糖酐或丙烯酸酐改性右旋糖酐中的一种；所述pH为7.35-7.45的缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液或硼酸盐缓冲溶液；所述光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮；
所述交联剂为聚乙二醇双甲基丙烯酸酯。
2.如权利要求1所述的连续葡萄糖检测传感器，其特征在于：缓冲溶液与改性右旋糖酐粉末的质量比为23:1-25:1，交联剂与改性右旋糖酐粉末的质量比为1:10-1:20，光引发剂与改性右旋糖酐粉末的质量比为1:100-1:1000。
3.一种如权利要求1或2所述的连续葡萄糖检测传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在柔性基底层上制备叉指电极层；
（2）在叉指电极层的叉指区域上方固化凝胶溶液，获得凝胶层。
4.如权利要求3所述的连续葡萄糖检测传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的叉指电极层采用碳电极、金属电极或导电聚合物电极中的一种。
5.如权利要求4所述的连续葡萄糖检测传感器的制备方法，其特征在于：所述金属电极和导电聚合物电极均采用喷墨印刷、丝网印刷或3D打印技术获得，所述碳电极采用喷墨印刷、丝网印刷、3D打印技术或激光雕刻方法获得。
6.如权利要求3所述的连续葡萄糖检测传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）具体为：将凝胶溶液的各组分混合均匀，在叉指电极层的叉指区域放置与之形状匹配的模具，向模具中倒入凝胶溶液，采用320-420nm光源照射至固化成型，取下模具，获得凝胶层。
7.如权利要求6所述的连续葡萄糖检测传感器的制备方法，其特征在于：所述模具为聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度为0.5-1mm；所述光源照射至柔性基底层表面的光强为30-150mW，照射时间为2-10s。
8.如权利要求7所述的连续葡萄糖检测传感器的制备方法，其特征在于：所述光源照射至柔性基底层表面的光强为100-120mW。
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