CN109738501A - 血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器。所述电极元件包括工作电极，所述工作电极包括石墨烯复合层，所述石墨烯复合层包括3D石墨烯以及负载于所述3D石墨烯中的纳米材料，所述纳米材料中含有金属元素。其制备方法包括以下步骤：提供柔性衬底和纳米材料，其中所述纳米材料含有金属元素；在所述柔性衬底上形成3D石墨烯预制电极；再将纳米材料负载于所述3D石墨烯预制电极中，形成工作电极，得到电极元件。本发明的电极元件对血糖的检测灵敏度高、检测范围宽、响应速度快，且电极元件可承受一定程度的变形，稳定性好，适用于可穿戴式血糖传感器。

Description

血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器

技术领域

本发明涉及电化学传感器技术领域，特别是涉及血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器。

背景技术

目前，血糖传感器可以分为含酶和非酶两大类。其中，含酶血糖传感器以固定化酶作为血糖传感器的工作电极，具有高灵敏度、高选择性的优点，可快速可靠检测葡萄糖的含量，但是，因酶在环境中的不稳定性限制了其在血糖检测中的应用。而非酶葡萄糖传感器是以碳纳米管、金属、金属氧化物以及金属合金等纳米材料作为血糖传感器的工作电极代替酶检测葡萄糖的含量，但是，其受限于工作电极的催化性能和制备过程。而且，传统的电极元件均不适合可穿戴式血糖传感器。

发明内容

基于此，有必要针对血糖传感器问题，提供一种血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器；所述电极元件对血糖的检测灵敏度高、检测范围宽、响应速度快，且该电极元件可承受一定程度的变形，稳定性好，适用于可穿戴式血糖传感器。

一种血糖传感器的电极元件，所述电极元件包括工作电极，所述工作电极的包括石墨烯复合层，所述石墨烯复合层包括3D石墨烯以及负载于所述3D石墨烯中的纳米材料，所述纳米材料中含有金属元素。

在其中一个实施例中，所述纳米材料包括金属、金属氧化物、金属化合物的至少一种。

在其中一个实施例中，所述纳米材料包括金属铜、氧化亚铜或者氧化铜中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述电极元件还包括柔性衬底，所述工作电极设置于所述柔性衬底上。

在其中一个实施例中，所述柔性衬底的材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、聚三亚甲基碳酸酯中的一种。

在其中一个实施例中，所述电极元件还包括设置于所述柔性衬底上的参比电极和辅助电极，所述工作电极、所述参比电极和所述辅助电极相互间隔。

上述电极元件中，工作电极包括石墨烯复合层，其中，石墨烯复合层中的3D石墨烯具有二维石墨烯优异的化学性能以及更大的比表面积，可以负载更多的纳米材料，且3D石墨烯的网络结构电荷转移电阻更低、电子传递速度更快，从而，可提高工作电极在人体葡萄糖检测中的灵敏度和检测极限。

同时，3D石墨烯具有比二维石墨烯更加优良的柔韧性，一般程度的扭曲、拉伸等变形不会影响其性质和特性，从而使工作电极具有柔韧性。进而，将该工作电极设置于柔性衬底上得到的电极元件满足可穿戴式血糖传感器的要求。

一种血糖传感器的电极元件的制备方法，包括以下步骤：

提供柔性衬底和纳米材料，其中所述纳米材料含有金属元素；

在所述柔性衬底上形成3D石墨烯预制电极；

再将纳米材料负载于所述3D石墨烯预制电极中，形成工作电极，得到电极元件。

在其中一个实施例中，在所述柔性衬底上形成所述3D石墨烯预制电极的方法包括：

提供一高分子薄膜；

采用激光直写方法在所述高分子薄膜上形成3D石墨烯预制电极；

将所述3D石墨烯预制电极转印至所述柔性衬底上。

在其中一个实施例中，所述高分子薄膜包括聚酰亚胺薄膜。

在其中一个实施例中，所述激光直写方法的激光波长大于355nm，激光单脉冲能量为20μJ～300μJ，激光扫描速度为100mm/s～1000mm/s。

在其中一个实施例中，在所述柔性衬底上形成所述3D石墨烯预制电极的方法包括：

在所述柔性衬底上形成氧化石墨烯层；

采用激光直写方法将所述氧化石墨烯层还原，形成3D石墨烯预制电极。

在其中一个实施例中，所述激光直写方法的激光单脉冲能量为10μJ～300μJ，激光扫描速度为50mm/s～1000mm/s。

在其中一个实施例中，所述纳米材料通过电化学沉积方法负载于所述3D石墨烯预制电极中。

在其中一个实施例中，还包括在所述柔性衬底上形成参比电极和辅助电极，所述参比电极、所述辅助电极和所述工作电极相互间隔。

上述制备方法简单、成本低，可以制备得到检测灵敏度高、检测范围宽，且适用于可穿戴式血糖传感器的电极元件，易于实现产业化。

一种血糖传感器，所述血糖传感器包括上述的电极元件。

上述血糖传感器对血糖的检测灵敏度高、检测范围宽、响应速度快。

附图说明

图1为本发明电极元件的示意图。

图中：10、衬底；20、工作电极；30、辅助电极；40、参比电极；201、3D石墨烯；202、纳米材料。

具体实施方式

以下将对本发明提供的血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器作进一步说明。

如图1所示，为本发明提供的血糖传感器的电极元件，所述电极元件的工作电极的材料为非酶电极材料，不易变性失活，稳定性好，使用寿命更长。

所述电极元件包括工作电极20，所述工作电极20包括石墨烯复合层，所述石墨烯复合层包括3D石墨烯201以及负载于所述3D石墨烯201中的纳米材料202，所述纳米材料202中含有金属元素。

其中，3D石墨烯201为三维结构的石墨烯，具有二维石墨烯优异的化学性能以及更大的比表面积，可以负载更多的纳米材料202，且3D石墨烯201的网络结构电荷转移电阻更低、电子传递速度更快，从而，可提高工作电极在人体葡萄糖检测中的灵敏度和检测极限。

同时，3D石墨烯201具有比二维石墨烯更加优良的柔韧性，一般程度的扭曲、拉伸等变形不会影响其性质和特性，从而使工作电极20具有柔韧性。进而，将该工作电极20设置于柔性衬底10上得到的电极元件满足可穿戴式血糖传感器的要求。

所述纳米材料202包括金属、金属氧化物、金属化合物的至少一种，如金、铂、铜、钨、氧化铜、氧化亚铜、三氧化二钴、氧化镍等。本发明优选为金属铜、氧化亚铜或者氧化铜中的至少一种。

进一步的，Cu₂OPO₄ ⁺能够实现对葡萄糖的催化氧化，然后通过检测电极电流探测人体血液中葡萄糖的浓度，效果较好。同时，考虑到氧化亚铜形成薄膜后比表面低，催化效果降低。因此，所述纳米材料202优选为氧化亚铜颗粒。

所述催化氧化的反应方程式如下所示：

Cu₂O+H₂PO₄ ^-→CuOPO₄ ⁺+2H⁺+e^-；

CuOPO₄ ⁺+葡萄糖→葡萄糖内酯；

葡萄糖内酯→葡萄糖酸。

具体的，所述电极元件还包括柔性衬底10，所述工作电极20设置于所述柔性衬底10上。所述柔性衬底10的材料可以选用生物相容性好的材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)等。其中，PDMS具有较好的生物相容性和热稳定性，所以柔性衬底10的材料优选为PDMS。从而，一般程度的扭曲、拉伸等变形不会影响电极元件的性质和特性，使电极元件满足可穿戴式血糖传感器的要求。

具体的，所述电极元件还包括设置于所述柔性衬底10上的参比电极40和辅助电极30，所述工作电极20、所述参比电极40和所述辅助电极30相互间隔，组成三电极系统。

具体的，所述参比电极40包括Ag/AgCl电极，所述辅助电极30包括金、铂、碳等惰性电极。

应用时，直接提取人体组织液即可采用该电极元件进行检测葡萄糖的浓度，操作简单，响应速度快，且具有更高的检测灵敏度和检测极限。

本发明还提供一种血糖传感器的电极元件的制备方法，包括以下步骤：

S1，提供柔性衬底和纳米材料，其中所述纳米材料含有金属元素；

S2，在所述柔性衬底上形成3D石墨烯预制电极；

S3，再将纳米材料负载于所述3D石墨烯预制电极中，形成工作电极，得到电极元件。

步骤S1中，所述柔性衬底的材料包括PDMS、TPU、PTMC中的一种，优选为PDMS。

步骤S2中，在所述柔性衬底上形成所述3D石墨烯预制电极的方法包括多种。本发明优选以下两种方法：

方法一：

(1)提供一高分子薄膜；

(2)采用激光直写方法在所述高分子薄膜上形成3D石墨烯预制电极；

(3)将所述3D石墨烯预制电极转印至所述柔性衬底上。

步骤(1)中，所述高分子薄膜优选为聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺薄膜表面有C元素、O元素和N元素，所以，在激光热作用下，聚酰亚胺薄膜表面会发生碳化，迅速膨胀爆炸，依据工作电极的形状形成3D石墨烯预制电极，而O元素和N元素则会生成CO、CO₂、NO或者NO₂等气体挥发到空气中。

步骤(2)中，所述激光直写方法的激光波长大于355nm。当激光波长大于355nm时，聚酰亚胺薄膜表面以光热作用为主，聚酰亚胺薄膜表面发生碳化生成3D石墨烯预制电极，且随着激光波长的增加，光热作用越明显。优选的，所述激光波长为10.64μm。而激光波长小于355nm时，聚酰亚胺薄膜表面以光化学作用为主，不能生成3D石墨烯预制电极。

所述激光直写方法的激光单脉冲能量为20μJ～300μJ。因为，当激光单脉冲能量小于20μJ时，所产生的热量不足以使聚酰亚胺薄膜表面发生碳化，无法得到3D石墨烯预制电极。而当激光单脉冲能量大于300μJ时，聚酰亚胺薄膜表面碳化严重，无法使用。

所述激光直写方法的激光扫描速度为100mm/s～1000mm/s。因为，当激光扫描速度小于100mm/s时，在累积热作用下，聚酰亚胺薄膜表面同样会发生严重碳化，无法使用。而当扫描速度大于1000mm/s时，3D石墨烯预制电极不连续，影响其性能。

步骤(3)中，所述柔性衬底以PDMS衬底为例，可将所述3D石墨烯预制电极直接转印至PDMS衬底上。或者，将PDMS预聚体和固化剂的混合物形成在聚酰亚胺薄膜表面，并覆盖所述3D石墨烯预制电极，然后固化得到PDMS衬底，再通过将PDMS衬底与聚酰亚胺薄膜分离，从而使所述3D石墨烯预制电极转印至PDMS衬底上。

其中，PDMS预聚体与固化剂重量比为10:(0.9～1.1)。在该范围内，固化剂的含量对PDMS预聚体的固化时间以及固化后的性能几乎没有影响。但是，当浓度比大于10:0.9时，PDMS衬底会变软，拉伸强度下降；当浓度比小于10:1.1时，PDMS衬底变硬，拉伸模量下降。

所述固化的温度为25℃～150℃，时间为0.25h～24h。当固化温度小于25℃时，固化需要数十个小时，时间长，成型效率低。随着固化温度的增加，固化速度越快，时间越短。当固化温度大于150℃时，反应过快，固化过程中产生的小分子来不及扩散出去，形成蜂窝状结构，导致PDMS衬底无法使用。所以，固化时间与固化温度关系密切，在上述范围内提高固化温度与减少固化时间效果相同，固化后的PDMS衬底表面平整、光滑，无气泡。

方法二：

(1)在所述柔性衬底上形成氧化石墨烯层；

(2)采用激光直写方法将所述氧化石墨烯层还原，形成3D石墨烯预制电极。

步骤(2)中，所述激光直写方法的激光单脉冲能量为10μJ～300μJ。当激光单脉冲能量小于10μJ时，氧化石墨烯表面含氧基团少部分刻蚀除去，无法得到3D石墨烯预制电极；当激光单脉冲能量大于300μJ时，PDMS衬底容易热变形，无法使用。

所述激光直写方法的激光扫描速度为50mm/s～1000mm/s。当激光扫描速度小于50mm/s时，在累积热作用下，PDMS衬底表面同样会变形，无法使用；当扫描速度大于1000mm/s时，3D石墨烯预制电极不连续，影响其性能。

以上两种方法均可通过激光直写方法得到3D石墨烯预制电极，方法简单，且不会对环境产生污染。然后将纳米材料负载于所述3D石墨烯预制电极中，得到石墨烯复合材料，即得到工作电极。

具体的，所述纳米材料通过电化学沉积方法负载于所述3D石墨烯中。

如，所述纳米材料优选为氧化亚铜颗粒时，所述氧化亚铜颗粒的电化学沉积方法包括以下步骤：

(1)提供电化学沉积液，所述电化学沉积液包括二价铜盐溶液和表面活性剂；

(2)采用以3D石墨烯预制电极作为工作电极的三电极系统，在3D石墨烯预制电极中沉积氧化亚铜颗粒，得到工作电极。

步骤(1)中，二价铜盐和表面活性剂的摩尔比为1:10～10:1，二价铜盐包括醋酸铜、硝酸铜、氯化铜、硫酸铜等。表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇和十二烷基硫酸钠等。

步骤(2)中，三电极系统中，辅助电极包括金属铂等，参比电极可以为饱和甘汞电极等。

所述沉积的沉积电位为0～-1V，沉积时间为1～30min，且优选采用恒电位沉积方法，沉积完成后用去离子水清洗并干燥。

具体的，所述制备方法还包括在所述柔性衬底上形成与工作电极相互间隔的参比电极和辅助电极。

如，参比电极为Ag/AgCl电极时，在柔性衬底上电镀金属银，然后利用三氯化铁溶液对金属银进行氯化处理，得到Ag/AgCl电极。

本发明的制备方法简单、成本低，制备得到的电极材料在人体葡萄糖检测中检测灵敏度高、检测范围宽，且适用于可穿戴式血糖传感器的电极材料，易于实现产业化。

本发明还提供一种血糖传感器，所述血糖传感器包括上述的电极元件。

本发明的血糖传感器对血糖的检测灵敏度高、检测范围宽、响应速度快。

以下，将通过以下具体实施例对所述血糖传感器的电极元件及其制备方法、血糖传感器做进一步的说明。

实施例1：

(1)设定激光波长为532nm，激光单脉冲能量为50μJ，激光扫描速度为800mm/s，采用激光直写方法刻蚀聚酰亚胺薄膜表面，在聚酰亚胺薄膜表面形成3D石墨烯，且该3D石墨烯的图案为血糖传感器电极元件的工作电极图案。

(2)将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂按重量比10：1混合均匀，除气后覆在聚酰亚胺薄膜表面，并覆盖3D石墨烯，于50℃条件下固化5h，得到PDMS衬底。

(3)固化完成后将PDMS衬底与聚酰亚胺薄膜分开，将3D石墨烯转印至PDMS衬底上。

(4)以摩尔比为10：50：1的醋酸铜溶液、冰乙酸和十六烷基三甲基溴化铵的混合液为电化学沉积液，以3D石墨烯预制电极作为工作电极，金属铂作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，采用恒电位沉积方法在3D石墨烯预制电极中沉积氧化亚铜纳米颗粒，沉积电位为-0.5V，沉积时间为5min。沉积完成后用去离子水清洗，然后干燥，得到工作电极。

(5)在柔性衬底上设置与工作电极相互间隔的参比电极和辅助电极，组成三电极系统。其中，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为金属铂电极。应用时，直接提取人体组织液后即可采用该电极元件进行检测葡萄糖的浓度。

实施例2～12与实施例1的区别以及效果见表1。

表1

对比例1～8与实施例1的区别以及效果见表2。

表2

实施例13

(1)采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯，然后在PDMS基板上旋涂氧化石墨烯水溶液并烘干，得到氧化石墨烯层。

(2)采用激光直写方法在氧化石墨烯层表面刻蚀电极图案。激光单脉冲能量为50μJ，扫描速度为200mm/s。

(3)将激光直写后的PDMS基板浸入去离子水中，超声清洗除去表面的氧化石墨烯层，得到3D石墨烯预制电极。

(4)以摩尔比为10：50：1的醋酸铜溶液、冰乙酸和十六烷基三甲基溴化铵的混合液为电化学沉积液。以3D石墨烯作为工作电极，金属铂作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，采用恒电位沉积方法在3D石墨烯预制电极中沉积氧化亚铜纳米颗粒，沉积电位为-0.5V，沉积时间为5min。沉积完成后用去离子水清洗，然后干燥，得到工作电极。

(5)在柔性衬底上设置与工作电极相互间隔的参比电极和辅助电极，组成三电极系统。其中，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为金属铂电极。应用时，直接提取人体组织液后即可采用该电极元件进行检测葡萄糖的浓度。

实施例14～20与实施例13的区别以及效果见表3。

表3

对比例9～12与实施例13的区别以及效果见表4。

表4

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种血糖传感器的电极元件，其特征在于，所述电极元件包括工作电极，所述工作电极包括石墨烯复合层，所述石墨烯复合层包括3D石墨烯以及负载于所述3D石墨烯中的纳米材料，所述纳米材料中含有金属元素。

2.根据权利要求1所述的血糖传感器的电极元件，其特征在于，所述纳米材料包括金属、金属氧化物、金属化合物的至少一种。

3.根据权利要求1所述的血糖传感器的电极元件，其特征在于，所述纳米材料包括金属铜、氧化亚铜或者氧化铜中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的血糖传感器的电极元件，其特征在于，所述电极元件还包括柔性衬底，所述工作电极设置于所述柔性衬底上。

5.根据权利要求4所述的血糖传感器的电极元件，其特征在于，所述柔性衬底的材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、聚三亚甲基碳酸酯中的一种。

6.根据权利要求4所述的血糖传感器的电极元件，其特征在于，所述电极元件还包括设置于所述柔性衬底上的参比电极和辅助电极，所述工作电极、所述参比电极和所述辅助电极相互间隔。

7.一种血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供柔性衬底和纳米材料，其中所述纳米材料含有金属元素；

在所述柔性衬底上形成3D石墨烯预制电极；

将所述纳米材料负载于所述3D石墨烯预制电极中，形成工作电极，得到电极元件。

8.根据权利要求7所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，在所述柔性衬底上形成所述3D石墨烯预制电极的方法包括：

提供一高分子薄膜；

采用激光直写方法在所述高分子薄膜上形成3D石墨烯预制电极；

将所述3D石墨烯预制电极转印至所述柔性衬底上。

9.根据权利要求8所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，所述高分子薄膜包括聚酰亚胺薄膜。

10.根据权利要求8所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，所述激光直写方法的激光波长大于355nm，激光单脉冲能量为20μJ～300μJ，激光扫描速度为100mm/s～1000mm/s。

11.根据权利要求7所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，在所述柔性衬底上形成所述3D石墨烯预制电极的方法包括：

在所述柔性衬底上形成氧化石墨烯层；

采用激光直写方法将所述氧化石墨烯层还原，形成3D石墨烯预制电极。

12.根据权利要求11所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，所述激光直写方法的激光单脉冲能量为10μJ～300μJ，激光扫描速度为50mm/s～1000mm/s。

13.根据权利要求7所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，所述纳米材料通过电化学沉积方法负载于所述3D石墨烯预制电极中。

14.根据权利要求7所述的血糖传感器的电极元件的制备方法，其特征在于，还包括在所述柔性衬底上形成参比电极和辅助电极，所述参比电极、所述辅助电极和所述工作电极相互间隔。

15.一种血糖传感器，其特征在于，所述血糖传感器包括如权利要求1～6任一项所述的电极元件。