CN110220950A - 基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法 - Google Patents

基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法，利用金气凝胶直接作为可穿戴葡萄糖传感器的工作电极，无需附加导电基底，不仅提高了检测葡萄糖浓度的准确性，而且省去了制作导电基底的成本，提升了传感器的性价比。此外，通过对合成金气凝胶的参数的调节，制备不同尺寸的金气凝胶，以此制备出不同灵敏度的葡萄糖传感器工作电极，大大提高了传感器的信噪比。

Description

基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备 方法
技术领域
本发明属于纳米材料、电化学检测及微机电结构(MEMS)技术领域，涉及一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法。
背景技术
葡萄糖含量的检测对于糖尿病、高血糖等涉及血糖含量异常疾病的早期发现及治疗具有重要意义。不仅如此，准确、实时、便捷的血糖含量检测更是临床医学、人体生理学等研究领域的重要基础。
葡萄糖传感器作为一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号的生物传感器具有广泛的应用背景。现有技术中关于葡萄糖传感器的技术，分为有酶与无酶两种方法，有酶的葡萄糖传感器利用葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶，对葡萄糖进行定性定量的检测，但由于酶活性会受到外界环境的影响，因此传感器的灵敏度与长期稳定性会受到限制；无酶的葡萄糖传感器大多采用金属或金属氧化物催化葡萄糖的氧化，但是这种技术大多适用于碱性条件下检测葡萄糖，不适合用于可穿戴传感器领域。
在现有的技术中，并没有见到利用金气凝胶直接作为工作电极的发明技术，与本发明技术接近的葡萄糖传感器在工作电极的基底上都存在一层金属或其它材料(如导电聚合物)的导电基底，其缺点是导电基底除导电的功能之外，还会由于自身的催化性质对葡萄糖的检测造成干扰，无法真实地反应出真正工作电极(修饰物)的测量值，造成误差。而本发明由于只利用金气凝胶作为工作电极，因此可以准确地检测葡萄糖的含量，并且减小传感器的制作成本。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法，所制备的葡萄糖传感器既能保证可穿戴葡萄糖传感器的检测灵敏度，又可以提高葡萄糖传感器的长期稳定性。
技术方案
一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片，包括工作电极4、对电极3和参比电极5；其特征在于还包括金气凝胶1和选择性透过膜2；在柔性基底6上设有工作电极4、对电极3和参比电极5，工作电极4为金气凝胶；所述对电极3采用Au薄膜；所述参比电极为Ag薄膜上镀AgCl；芯片表面设有选择性透过膜2。
在柔性基底6上对电极3、工作电极4和参比电极5的结构布局为：工作电极4为中心圆形结构，对电极3和参比电极5为工作电极4的外圈开口环状结构，与工作电极4之间设有间隙，两电极之间设有断点，环状开口部位为对电极3、工作电极4和参比电极5的引出连接线。
所述柔性基底膜采用：Parylene膜、PET膜、UV膜或其它生物兼容性好的柔性膜。
所述柔性基底6上设有温敏电阻7。
一种制备所述基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过蒸镀的方法将柔性基底膜淀积在玻璃片表面；所述膜的厚度为纳米级别；
步骤2：采用光刻工艺将设计的敏感芯片的结构图形转移到玻璃片的柔性膜上；
步骤3：利用蒸镀或溅射工艺在芯片的柔性膜上结构图形的上对电极3的部位制作Au薄膜，利用蒸镀或溅射工艺在芯片的柔性膜上结构图形的上参比电极5的部位制作Ag薄膜；
步骤4：采用剥离工艺去除光刻胶，得到芯片结构的对电极3和参比电极5；
步骤5：通过物理吸附的方法将金气凝胶吸附于结构图形的工作电极4的部位形成工作电极4；
步骤6：再覆盖一层选择性透过膜；
步骤7：通过导电银胶将导线与葡萄糖传感器的三个电极分别相连。
所述Ag薄膜上镀AgCl。
有益效果
本发明提出的一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法，利用金气凝胶直接作为可穿戴葡萄糖传感器的工作电极，无需附加导电基底，不仅提高了检测葡萄糖浓度的准确性，而且省去了制作导电基底的成本，提升了传感器的性价比。此外，通过对合成金气凝胶的参数的调节，制备不同尺寸的金气凝胶，以此制备出不同灵敏度的葡萄糖传感器工作电极，大大提高了传感器的信噪比。
本发明具有以下优点：
(1)金气凝胶的多孔结构使其拥有大的表面积，可以显著提高葡萄糖传感器的灵敏度，而且由于金的稳定性，也可提高传感器的长期工作稳定性。
(2)金气凝胶的导电性良好，利用金气凝胶直接作为工作电极，无需另加导电基底即可减小检测信号的损耗，并且制作成本减小。
(3)利用MEMS技术制备传感器的敏感芯片，不仅可以提高传感器之间的一致性，而且可以实现敏感芯片的批量化制备，减少制作成本。
(4)通过调节金气凝胶的合成参数，可制备不同尺寸的金气凝胶，通过调节传感器最原始输出信号的大小制备不同灵敏度的葡萄糖传感器，与调节电路放大参数等方法相比，引入的噪声更小，大大提高了传感器的信噪比。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可穿戴葡萄糖传感器的芯片结构示意图；
图2是本发明实施例提供的可穿戴传感器的电极基底结构示意图；
图3是本发明实施例提供的可穿戴传感器的电极基底制作流程图；
1-金气凝胶，2-选择性透过膜，3-对电极，4-工作电极，5-参比电极，6-柔性基底，7-温敏电阻，8-柔性基底膜，9-光刻，10-显影，11-镀金属膜，12-剥离，13-玻璃片，14-光刻胶，15-金电极
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
传感器敏感芯片的设计：传感器敏感芯片采用三电极系统(工作电极、对电极和参比电极)，拟设计的敏感芯片结构如附图2所示：在柔性基底6上对电极3、工作电极4和参比电极5的结构布局为：工作电极4为中心圆形结构，对电极3和参比电极5为工作电极4的外圈开口环状结构，与工作电极4之间设有间隙，两电极之间设有断点，环状开口部位为对电极3、工作电极4和参比电极5的引出连接线。芯片表面设有选择性透过膜2。
工作电极采用金气凝胶修饰，金气凝胶1通过优化配比在超纯水中进行充分分散，利用物理吸附的方法，通过移液枪将金气凝胶1修饰到空白工作电极4表面，所修饰的金气凝胶1的质量在微克级别。
对电极采用Au薄膜，在Ag薄膜上镀AgCl作为参比电极，Pt电极作为温敏电极，是温度补偿模块的重要组成部分。
选择性透过膜2通过物理吸附的方法被修饰到敏感芯片的表面，避免其它微小颗粒附着在工作电极4表面，提高了传感器的抗干扰性。
敏感芯片由对电极3、工作电极4、参比电极5、温敏电阻7组成，其中对电极3、工作电极4、参比电极5构成葡萄糖传感器的三电极系统，基底为生物兼容性好的柔性基底6。利用MEMS工艺进行敏感芯片的制备时，工作电极4上不进行金属薄膜的制备，只在对电极3与参比电极5上制备相应的金属薄膜。
所述柔性基底膜采用：Parylene膜、PET膜、UV膜或其它生物兼容性好的柔性膜。
利用MEMS技术进行敏感芯片的制作(见附图3)，附图3中12-16为制作方法，制作步骤如下：
步骤1：通过蒸镀的方法将Parylene膜淀积在玻璃片表面；所述膜的厚度为纳米级别；
步骤2：采用光刻工艺将设计的敏感芯片的结构图形转移到玻璃片的柔性膜上；曝光时间为10秒，将掩膜版上的电极结构图形转移到光刻胶上；
步骤3：利用蒸镀或溅射工艺在芯片的柔性膜上结构图形的上对电极3的部位制作Au薄膜，利用蒸镀或溅射工艺在芯片的柔性膜上结构图形的上参比电极5的部位制作Ag薄膜；Au薄膜和Ag薄膜厚度为100纳米；
步骤4：采用剥离工艺，在丙酮中去除光刻胶，得到芯片结构的对电极(3)和参比电极5；所述Ag薄膜上镀AgCl；
步骤5：通过物理吸附的方法将金气凝胶吸附于结构图形的工作电极4的部位形成工作电极4；
步骤6：再覆盖一层选择性透过膜；
步骤7：通过导电银胶将导线与葡萄糖传感器的三个电极分别相连。通过导电银胶将导线与葡萄糖传感器的三个电极分别相连，将传感器检测到葡萄糖所得的输出信号引出，利用小信号处理电路对检测信号进行放大、滤波等处理。

Claims (6)

1.一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片，包括工作电极(4)、对电极(3)和参比电极(5)；其特征在于还包括金气凝胶(1)和选择性透过膜(2)；在柔性基底(6)上设有工作电极(4)、对电极(3)和参比电极(5)，工作电极(4)为金气凝胶；所述对电极(3)采用Au薄膜；所述参比电极为Ag薄膜上镀AgCl；芯片表面设有选择性透过膜(2)。
2.根据权利要求1所述基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片，其特征在于：在柔性基底(6)上对电极(3)、工作电极(4)和参比电极(5)的结构布局为：工作电极(4)为中心圆形结构，对电极(3)和参比电极(5)为工作电极(4)的外圈开口环状结构，与工作电极(4)之间设有间隙，两电极之间设有断点，环状开口部位为对电极(3)、工作电极(4)和参比电极(5)的引出连接线。
3.根据权利要求1或2所述基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片，其特征在于：所述柔性基底膜采用：Parylene膜、PET膜、UV膜或其它生物兼容性好的柔性膜。
4.根据权利要求1或2所述基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片，其特征在于：所述柔性基底(6)上设有温敏电阻(7)。
5.一种制备权利要求1～4所述任一项基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过蒸镀的方法将柔性基底膜淀积在玻璃片表面；所述膜的厚度为纳米级别；
步骤2：采用光刻工艺将设计的敏感芯片的结构图形转移到玻璃片的柔性膜上；
步骤3：利用蒸镀或溅射工艺在芯片的柔性膜上结构图形的上对电极(3)的部位制作Au薄膜，利用蒸镀或溅射工艺在芯片的柔性膜上结构图形的上参比电极(5)的部位制作Ag薄膜；
步骤4：采用剥离工艺去除光刻胶，得到芯片结构的对电极(3)和参比电极(5)；
步骤5：通过物理吸附的方法将金气凝胶吸附于结构图形的工作电极(4)的部位形成工作电极(4)；
步骤6：再覆盖一层选择性透过膜；
步骤7：通过导电银胶将导线与葡萄糖传感器的三个电极分别相连。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述Ag薄膜上镀AgCl。
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