CN110823978A - 一种可穿戴光电化学生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴光电化学生物传感器及其制备方法，该传感器包括激光光源、光纤、微光纤、电极、光电材料和酶，所述光纤包括入射光纤和出射光纤，分别设置在传感器的两端，所述入射光纤设置在激光光源输出端，所述入射光纤和出射光纤中间连接一段微光纤，所述光电材料设置在微光纤上，所述电极连续镀在光纤外部以及光纤和微光纤连接端外部。本发明的可穿戴光电化学生物传感器能够应用在皮肤贴片或织物上，24小时实时动态监测皮肤表面汗液分泌物，分析葡萄糖、乳酸等浓度，反馈人体健康状况信息；结构简单、制备方法工艺成熟，制备成本低，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴传感领域，特别涉及一种可穿戴光电化学生物传感器及其制备方法。
背景技术
随着可穿戴概念的提出和传感器技术的发展，市场上涌现出许多种可穿戴设备，能够监测人的生理信号，诸如心率、血氧等，为使用者身体健康监测和实现精准医疗提供硬件基础。
在皮肤表面生物传感器方面，非侵入式的葡萄糖、乳酸浓度检测受到人们的重视，汗液中的葡萄糖含量与人体血糖水平有关，乳酸水平反应人体的有氧、无氧状态，所以汗液检测在人体健康监测、运动监测上发挥着重要的作用。常规的血糖监测手段往往需要到医院或正规诊所进行抽血化验实现，是一种有创、点式测量手段，不能随时随地监测血糖浓度；而现有的可穿戴生物传感器多基于电化学原理，背景电流大、检出限高，对于低电流不能及时得到检测结果，无法及时准确的反映人体身体健康状况信息。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种可穿戴光电化学生物传感器及其制备方法，可以及时针对人体汗液分泌物进行检测，同时长时间持续监测，准确的反馈人体身体健康状况信息。
技术方案：本发明提出了一种可穿戴光电化学生物传感器，包括激光光源、光纤、微光纤、电极、光电材料和酶，所述光纤包括入射光纤和出射光纤，分别设置在传感器的两端，所述入射光纤设置在激光光源输出端，所述入射光纤和出射光纤中间连接一段微光纤，所述光电材料设置在微光纤上，所述电极连续镀在光纤外部以及光纤和微光纤连接端外部，所述酶修饰在光电材料上，和汗液相互反应，激光光源发出的光进入到入射光纤，入射光纤发出的光进入到微光纤，微光纤里的光直接投射到光电材料上。
所述光电材料与其中一端电极相连导通。
所述出射光纤的输出端设置有黑盒，用来回收剩余光。
所述微光纤最外层无涂覆层和包层，光直接传输到光电材料上，与光电材料作用。
所述入射光纤利用光纤接口与激光光源通过法兰盘方式相连，或通过光纤熔接的方式直接熔接在一起。
优选的，为了减小光能在传输过程中的损失，所述光纤和微光纤为同型号单模光纤或多模光纤，光纤材料为石英、聚合物或蚕丝。
所述光电材料为ITO/量子点复合材料、二维材料/量子点复合材料或二维材料异质结。
所述激光光源为光纤激光器或半导体激光器。
所述电极由导电金属材料制备而成，包括金、银或铜金属材料，厚度为0.01-10微米。
所述酶为葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶。
所述激光光源发射光波长与光电材料吸收波长一致，保证光能和光电材料相互作用。
本发明一种可穿戴光电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备微光纤：将普通光纤通过腐蚀法或者热拉伸法制备所需过渡区、腰区尺寸的微光纤；
S2：熔接光纤：将微光纤分别与两端的入射光纤、出射光纤熔接在一起；
S3：制作掩模保护微光纤；
S4：制备电极：使用镀膜工艺制备电极；
S5：去除微光纤上掩模；
S6：制备光电材料：利用掩模镀膜或者转移方式，将光电材料铺设在微光纤外表面；
S7：在光电材料上修饰酶。
所述镀膜工艺为磁控溅射镀膜、电子束蒸发镀膜或电镀。
所述掩模为光刻胶或金属掩模。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的可穿戴光电化学生物传感器能够应用在皮肤贴片或织物上，24小时实时动态监测皮肤表面汗液分泌物，分析葡萄糖、乳酸等浓度，反馈人体健康状况信息；
(2)基于光电化学的原理进行分析物传感，灵敏度高、背景电流小、检出限低的优势；
(3)该生物传感器结构简单、制备方法工艺成熟，制备成本低，易于推广使用；
(4)光纤作为一种低损耗光波导介质，在光通信、光纤传感等领域已得到成熟应用，微光纤有着光以倏逝波的形式在表面传播的特点，与外界相互作用强，在柔性传感上有着应用潜力；使用光纤为传感器提供结构的灵活性。
附图说明
图1为本发明可穿戴光电化学生物传感器的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中生物传感器在偏压为0时、不同H2O2浓度下的光电流开关曲线；
图3为本发明具体实施方式中生物传感器在不同偏压下的光电流开关曲线。
具体实施方式
实施例：使用者汗液中葡萄糖浓度的监测
如图1，本发明的一种可穿戴光电化学生物传感器，包括激光光源1、光纤、微光纤6、电极3、光电材料4和酶5，光纤包括入射光纤2和出射光纤7，分别设置在传感器的两端，入射光纤2设置在激光光源1输出端，入射光纤2和出射光纤7中间连接一段微光纤6，光电材料4设置在微光纤6上，电极3连续镀在光纤外部以及光纤和微光纤6连接端外部，酶5修饰在光电材料4上，和汗液相互反应，激光光源1发出的光进入到入射光纤2，入射光纤2发出的光进入到微光纤6，微光纤6里的光直接投射到光电材料4上。
光电材料4与其中一端电极3相连导通，出射光纤7的输出端设置有黑盒8，用来回收剩余光，微光纤6最外层无涂覆层和包层，光直接传输到光电材料4上。入射光纤2利用光纤接口与激光光源1通过光纤熔接的方式直接熔接在一起。
优选的，为了减小光能在传输过程中的损失，光纤和微光纤6为同型号多模光纤，光电材料4选用二维材料与CdS量子点的复合材料。
激光光源1使用半导体激光器，电极3由导电金属材料制备而成，优选金，厚度选为0.1微米，酶5为葡萄糖氧化酶。
该生物传感器使用时，将激光光源1出射光通至入射光纤2内，激光光源1发射光波长532nm，光电材料4使用二维材料与CdS量子点的复合材料，该光电材料4的吸收波长与激光光源1发射光波长保持一致，当光传播到微光纤6腰区时以倏逝波的形式与微光纤6表面二维材料相互作用，产生电子-空穴对，在恒压源10的偏压下，形成光电流，使用电流表9进行检测。
使用者汗液产生的葡萄糖遇见光电材料4上修饰的葡萄糖氧化酶发生氧化还原反应生成H2O2，当汗液中的葡萄糖浓度上升时，产生的H2O2增多，H2O2和电子-空穴对发生反应，进而使光电流增强。如图2，固定入射光功率和恒压源10零偏压时，H2O2浓度上升将使光电流增强。
通过调节恒压源10不同，能够在该生物传感器灵敏度和检出限之间进行平衡。如图3所示，随着恒压源10施加偏压增大，光电流强度也随之增加，进而增大传感分析物浓度的灵敏度，恒压源10施加0偏压时，该生物传感器背景电流很小，～pA量级，而光电流在纯生理盐水中是nA量级的，因此可以检测出汗液中极低浓度葡萄糖。
本发明的一种可穿戴光电化学生物传感器的制备方法，通过以下步骤实现：
S1：制备微光纤6：将普通多模光纤通过热拉伸法制备所需过渡区、腰区尺寸的微光纤6；
S2：熔接光纤：将微光纤6分别与两端的入射光纤2、出射光纤7熔接在一起；
S3：制作掩模保护微光纤6腰区与一部分过渡区；
S4：制备电极3：使用镀膜工艺制备电极3，优选为镀金；
S5：去除微光纤6上掩模；
S6：制备光电材料4：利用湿法转移方式，将二维材料移到微光纤6外表面；
S7：使用聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰二维材料；
S8：使用CdS量子点修饰二维材料；
S9：重复步骤S7和S8共4次；
S10：修饰酶5：在光电材料4上修饰葡萄糖氧化酶。
上述实施例选择的酶5是葡萄糖氧化酶，当光电材料4上修饰的酶5是乳酸氧化酶时，汗液中的乳酸遇见乳酸氧化酶发生氧化还原反应生成H2O2，进而改变光电流的大小。因此，根据光电材料4上修饰的材料的不同，本生物传感器可以实现不同分析物浓度的传感。
使用时，可将该生物传感器以皮肤贴片或纤维织物的方式耦合至柔性PCB系统中，PCB系统上集成激光二极管、恒压源10等器件，为传感器提供光源与偏压，并检测光电流大小。PCB系统具备蓝牙模块或NFC模块，实现与外界的通讯。当传感器被汗液浸润后，即可测量汗液中的化学成分信息。
Claims (9)
1.一种可穿戴光电化学生物传感器，其特征在于，包括激光光源(1)、光纤、微光纤(6)、电极(3)、光电材料(4)和酶(5)，所述光纤包括入射光纤(2)和出射光纤(7)，分别设置在传感器的两端，所述入射光纤(2)设置在激光光源(1)输出端，所述入射光纤(2)和出射光纤(7)中间连接一段微光纤(6)，所述光电材料(4)设置在微光纤(6)上，所述电极(3)连续镀在光纤外部以及光纤和微光纤(6)连接端外部，激光光源(1)发出的光进入到入射光纤(2)，入射光纤(2)发出的光进入到微光纤(6)，微光纤(6)里光直接投射到光电材料(4)上。
2.根据权利要求1所述的可穿戴光电化学生物传感器，其特征在于，所述光电材料(4)与其中一端电极(3)相连导通。
3.根据权利要求1所述的可穿戴光电化学生物传感器，其特征在于，所述入射光纤(2)利用光纤接口与所述激光光源(1)通过法兰盘方式相连，或通过光纤熔接的方式直接熔接在一起。
4.根据权利要求1所述的可穿戴光电化学生物传感器，其特征在于，所述光纤和微光纤(6)为同型号单模光纤或多模光纤。
5.根据权利要求1所述的可穿戴光电化学生物传感器，其特征在于，所述激光光源(1)为光纤激光器或半导体激光器。
6.一种可穿戴光电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备微光纤(6)；
S2：熔接光纤：将微光纤(6)分别与两端的入射光纤(2)、出射光纤(7)熔接在一起；
S3：制作掩模保护微光纤(6)；
S4：在光纤外表面制备电极(3)；
S5：去除微光纤(6)掩模；
S6：在微光纤(6)表面制备光电材料(4)；
S7：在光电材料(4)上修饰酶(5)。
7.根据权利要求6所述的可穿戴光电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，所述S1中具体操作是将普通光纤通过腐蚀法或者热拉伸法制备所需过渡区、腰区尺寸的微光纤(6)。
8.根据权利要求6所述的可穿戴光电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，所述S4具体通过镀膜来制备电极(3)，包括磁控溅射镀膜、电子束蒸发镀膜或电镀。
9.根据权利要求6所述的可穿戴光电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，所述S6制备的方法为通过掩模或转移的方式。
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