CN111693588A

CN111693588A - 柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN111693588A
Application number: CN202010457323.9A
Authority: CN
Inventors: 彭慧胜; 孙雪梅; 吴晓颖; 冯建友
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: CN111693588B

Abstract

本发明属于生物电化学检测技术领域，具体为柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法。本发明以柔性高分子纤维为基底制备得到晶体管源漏电极及沟道，以碳纳米管纤维为基底，修饰活性物质制备得到晶体管栅极；再通过加捻工艺将两者加捻，最终得到一体化纤维状有机电化学晶体管；该柔性可植入纤维状有机电化学晶体管能够实时原位放大检测信号，实现对于多种生物体内化学物质的微小浓度变化的稳定检测，具有高灵敏度、宽检测窗口、高稳定性等性能，可以通过微创手术植入深部组织，经组织学和动物实验证明，该纤维状有机电化学晶体管具有优异的生物相容性，为探索生物基本生理功能、揭秘生理机制、辅助疾病诊疗提供了新手段。

Description

柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于生物电化学检测技术领域，具体涉及一种纤维状有机电化学晶体管及其制备方法。

背景技术

生物体内化学物质的动态平衡对于维持生理活动和生理功能具有重要意义。化学物质浓度的异常波动与疾病之间具有密切联系，因此监控这些物质的浓度变化，可以帮助了解机体功能、辅助疾病治疗、预防疾病发生。但这些化学物质往往分布于深部组织之中，且浓度低、变化快，检测难度大。经典的微透析联用高效液相色谱法具有高灵敏度，但检测的时间分辨率在分钟量级，难以适应生物体内化学物质秒级乃至毫秒级的快速变化。目前报道的有机电化学晶体管大多为平面、块状或搭接的织物结构，实现了化学物质的体外或体表检测，但深部组织化学物质可植入长期稳定检测仍是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种灵敏度高、检测窗口宽、稳定性好的能够进行生物体内不同化学物质微小浓度变化动态检测的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法。

本发明基于功能化碳纳米管纤维和柔性高分子纤维，通过层层物理、化学修饰工艺和一体化一维结构设计，制备出柔性可植入的纤维状有机电化学晶体管。其能够实时原位放大检测信号，实现生物体内不同化学物质微小浓度变化的稳定检测。通过微创手术植入体内，经组织学和动物实验证明，该纤维状有机电化学晶体管具有优异的生物相容性。

本发明提供的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管的制备方法，具体步骤如下：

（1）制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道；以直径为40-80μm柔性高分子纤维为基底，中段用宽度为1-6 mm的胶带进行物理掩膜，然后沉积厚度为1-200 nm导电金属层（作为源极和漏极）；中段掩膜区域负载厚度为20-400 nm有机半导体层，遂转移到手套箱中进行退火处理，退火温度为80-180℃；最后，将沟道和远离沟道的源漏极部分再次物理掩膜，源漏电极靠近沟道部分绝缘，然后去除物理掩膜层，制备得到源漏电极及中间的沟道部分为一体的纤维；其中，与柔性高分子纤维共轴的金属层为源极和漏极；源、漏极由有机半导体层连通并由绝缘层保护；有机半导体层构成沟道；

其中，所述胶带为聚酰亚胺胶带、聚乙烯胶带、聚氯乙烯胶带、美纹纸胶带、牛皮纸胶带中的一种；

所述柔性高分子纤维为尼龙、聚酰亚胺、腈纶、芳纶、涤纶、锦纶中的一种；

所述源极和漏极的金属层为金、铂、铬、钛中的一种或几种，制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、化学反应法中的一种；

所述有机半导体为聚噻吩类、聚吡咯类和聚苯胺类中的一种，制备方法包括蘸涂法、滴涂法中的一种；

所述绝缘层为聚对二甲苯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷中的一种，制备方法包括真空气相沉积法、热熔法、滴涂法、蘸涂法中的一种；

（2）制备纤维状有机电化学晶体管栅极；以直径为30-100 μm碳纳米管纤维为基本构筑单元，通过物理或化学方法修饰（负载）活性层，制备得到功能化碳纳米管复合纤维，作为纤维状有机电化学晶体管栅极；

所述活性层厚度在10-1000 nm，包括纳米粒子、选择性透过膜、生物活性反应层中的一种或几种；其中，纳米粒子包括铂纳米粒子、金纳米粒子中的一种或两种，制备方法包括电化学沉积法、化学法中的一种或两种；所述的选择性透过膜为Nafion膜、聚吡咯、聚间苯二胺、醋酸纤维素中的一种或者几种，制备方法包括滴涂法、蘸涂法和电化学沉积法中的一种或几种；生物活性反应层包括生物酶、生物活性蛋白、交联剂中的一种或几种，生物活性蛋白包括牛血清白蛋白、人血清白蛋白中的一种或者两种，生物活性反应层的制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、电化学沉积法、滴涂法、蘸涂法、化学交联法中的一种或几种；

（3）将上述制备的纤维状源漏电极和纤维状栅极，通过加捻工艺制备得一体化纤维状有机电化学晶体管。

本发明制备的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管为均匀的螺旋结构，直径为120-200µm，与人类头发丝相似，可以植入生物体内深部组织，用于对于不同化学物质的高灵敏度实时检测，以及深部组织内长期稳定检测。

本发明制备的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管，能够进行生物体内不同化学物质（检测水平：过氧化氢5-800 nM，多巴胺5-500nM，谷氨酸0.1-20 μM，葡萄糖0.1-200 μM）微小浓度变化稳定检测（在循环2000圈25%的弯曲变形、0-10 Hz的动态频率变化，以及37℃的磷酸盐缓冲液中体外保存7天，性能变化不超过20%，栅极端电化学阻抗性能基本保持稳定）；经组织学和动物实验证明，该纤维状有机电化学晶体管具有优异的生物相容性，为探索生物基本生理功能、揭秘生理机制、辅助疾病诊疗提供了新手段。

附图说明

图1为本发明纤维状有机电化学晶体管制备流程图示。

图2为纤维状有机电化学晶体管检测机理示意图与形貌表征。其中，a是检测机理示意图（V _G：栅极电压、I _GS：栅极电流、V _D：源漏极电压、I _DS：源漏极电流、G：栅极、S：源极、D：漏极），b是扫描电子显微镜照片。

图3为过氧化氢—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图，b是线性范围表征图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图）。

图4为多巴胺—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图），b是抗干扰表征图（DA为多巴胺、AA为抗坏血酸、UA为尿酸）。

图5为谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图），b是抗干扰表征图（Glu为谷氨酸、GABA为γ-氨基丁酸）。

图6为葡萄糖—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图），b是抗干扰表征图（Glc为葡萄糖）。

图7为多巴胺—纤维状有机电化学晶体管植入到小鼠深部脑区（海马）中，多巴胺在体检测第一天(a)和第七天(b)检测图。

具体实施方式

以下结合具体实施案例，示例性的说明及帮助进一步理解本发明，但实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部的技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改换或替换，均属于本发明保护范围。

制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道。以直径为50 µm的尼龙丝为基底，中段用宽度为3 mm的聚酰亚胺胶带物理掩膜后，利用热蒸镀方法分别蒸镀铬层（3 nm）和金层（100 nm）。在10 mL聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）溶液中，加入2.5 mL乙二醇提高分散性，并加入25 µL十二烷基苯磺酸来增加导电性，1 wt%丙基三甲氧基硅烷交联剂来提升稳定性，制备得到PEDOT:PSS混合溶液。将镀有金层的尼龙丝中段掩膜区域在上述PEDOT:PSS混合溶液中，以恒定速率蘸涂36次后，转移到充满氮气的手套箱中，在140℃的热台上退火1 h。随后，浸泡在去离子水中以去除低分子量化合物。最后，将涂敷有PEDOT:PSS的尼龙丝纤维，再次物理掩膜后，放置在聚对二甲苯真空气相沉积箱中，加入原料约4 g，设定裂解温度为690℃，规管加热温度为135℃，目标压强为17 mT，抽真空至约10 mT，沉积聚对二甲苯后，去除物理掩膜层。

制备碳纳米管/铂复合纤维。以直径约为60 µm碳纳米管纤维为工作电极，一端长为0.5 cm的部分浸没在氯铂酸钾（1 mM）和氯化钾（0.1 M）的混合溶液中，银/氯化银为参比电极，铂丝为对电极，通过电化学方法进行镀铂，第一圈以0.5 V恒电压通电10 s，第二圈-0.7 V恒电压10 s，循环直至最终沉积电量达到-0.02 C。

制备过氧化氢—纤维状有机电化学晶体管栅极。制备方法同碳纳米管/铂复合纤维。

制备多巴胺—纤维状有机电化学晶体管栅极。用乙醇将5 wt% Nafion溶液稀释成浓度为0.1 wt% Nafion溶液。吸取2.5 µL，浓度为0.1 wt% Nafion溶液，滴涂在碳纳米管/铂复合纤维活性端，重复三次后在空气中自然晾干。最后，在磷酸缓冲盐溶液中浸泡1 h，去除有机小分子。

制备谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管栅极。吸取2.5 µL浓度为5wt% Nafion溶液，滴涂在碳纳米管/铂复合纤维电极的活性端，重复三次，待完全自然晾干后，形成Nafion抗干扰保护层。遂进行酶的固定化，首先将磷酸缓冲盐溶液注入谷氨酸氧化酶的冻干粉中，配置成浓度为10 UN·mL^-1酶溶液，每次取20 μL，加入10 μL浓度为1000 UN·mL^-1抗坏血酸氧化酶，1.5 mg 牛血清白蛋白，2.5 μL 2.5 wt% 戊二醛溶液，2.5 μL 5wt% Nafion溶液，随后再加入15μL磷酸缓冲盐溶液，充分混合，静置30 min。最后，取2.5μL混合液滴涂在前述已修饰了抗干扰保护层的碳纳米管纤维，在空气中自然晾干后，在4℃冰箱中过夜保存。最终测试前，先在磷酸缓冲盐溶液中浸泡1 h，去除未交联的游离酶等。

制备葡萄糖—纤维状有机电化学晶体管栅极。吸取2.5 µL浓度为5wt% Nafion溶液，滴涂在碳纳米管/铂复合纤维的活性端，重复三次，待完全自然晾干后，形成Nafion抗干扰保护层。遂进行酶的固定化，首先将磷酸缓冲盐溶液注入到4 mg葡萄糖氧化酶的冻干粉中，加入1.5 mg 牛血清白蛋白，2.5 μL 2.5 wt% 戊二醛溶液，2.5 μL 5wt% Nafion溶液，随后再加入15μL磷酸缓冲盐溶液，充分混合，静置30 min。最后，取2.5μL混合液滴涂在前述已修饰了抗干扰保护层的碳纳米管纤维，在空气中自然晾干后，在4℃冰箱中过夜保存。最终测试前，先在磷酸缓冲盐溶液中浸泡1 h，去除未交联的游离酶等。

通过将上述制备的源漏电极纤维和四种栅极纤维分别加捻，制备得到四种不同的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管，可实现对于过氧化氢、多巴胺、谷氨酸、葡萄糖的高灵敏度、宽检测窗口、高稳定性和选择性的实时检测。该新型可植入的化学物质高灵敏度检测平台，为探索生物基本生理功能、揭秘生理机制、辅助疾病诊疗提供了新方法。

在图3a中，加入5 nM过氧化氢后，可以观察到明显的超过60 nA的源漏极电流，信噪比大于3，所以过氧化氢—纤维状有机电化学晶体管的最低检出限为5nM。过氧化氢浓度的线性范围表征图如图3b所示，源漏极电流响应与10 ~ 800nM的过氧化氢浓度呈线性相关。根据相关报道，人体血浆中过氧化氢浓度大概在250 nM左右（Anal Biochem1988, 175,120-130），所以该过氧化氢—纤维状有机电化学晶体管能够满足在体检测的要求。

在图4a中，多巴胺—纤维状有机电化学晶体管的最低检测限为5 nM，线性范围可达500 nM，适用于脑脊液中多巴胺浓度的检测。由于Nafion层在水溶液中带有负电荷，而多巴胺带有正电荷，Nafion层的负电荷对多巴胺的影响微弱，但由于脑脊液中的主要电活性干扰物为带负电的抗坏血酸和尿酸会被同样带负电的Nafion层排斥，多巴胺—纤维状有机电化学晶体管从而具有选择性（图4b）。考虑到大脑内多巴胺浓度在26-40nM（AnalyticaChimicaActa 2009, 653, 1-22），该多巴胺—纤维状有机电化学晶体管非常契合在体检测。

在图5a中，谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管的最低检出限为100 nM，线性范围从100 nM到20μM。利用酶的特异性排除了最重要的抑制性神经递质γ-氨基丁酸以及其他非电活性物质的干扰。同时，带负电的Nafion层将同样带负电的干扰物如抗坏血酸、尿酸等的干扰降低，从而实现了谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管的选择性（图5b）。该谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管能够满足脑内谷氨酸的低浓度（1-1.4μM,AnalyticaChimicaActa 2009, 653, 1-22）检测的需求。

在图6a中，葡萄糖—纤维状有机电化学晶体管的最低检出限为100 nM，线性范围从100 nM到200 μM。其选择性机制与谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管类似（图6b）。考虑到人体泪液中含有少量葡萄糖（128-166 μM,J Am Soc Mass Spectrom 2007, 18, 332-336），并且其与血糖浓度相关，所以测定泪液中葡萄糖将具有重要意义。同时泪液含量丰富，取样方便，是进行机体健康评估的有效平台，而我们的葡萄糖—纤维状有机电化学晶体管具有检出限低，线性范围满足泪液中葡萄糖浓度变化的需求，所以可作为泪液葡萄糖检测的有效手段。

上述四种晶体管传感器仅作为示例进行展示，通过对碳纳米管纤维栅极的合理修饰，能够实现对于多种不同化学物质的检测。

Claims

1.一种柔性可植入纤维状有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道；以直径为40-80μm柔性高分子纤维为基底，中段用宽度为1-6 mm的胶带进行物理掩膜，然后沉积厚度为1-200 nm导电金属层，作为源极和漏极；中段掩膜区域负载厚度为20-400 nm有机半导体层，遂转移到手套箱中进行退火处理，退火温度为80-180℃；最后，将沟道和远离沟道的源漏极部分再次物理掩膜，源漏电极靠近沟道部分绝缘，然后去除物理掩膜层，制备得到源漏电极及中间的沟道部分为一体的纤维；

（2）制备纤维状有机电化学晶体管栅极；以直径为30-100 μm碳纳米管纤维为基本构筑单元，通过物理或化学方法修饰活性层，制备得到功能化碳纳米管复合纤维，作为纤维状有机电化学晶体管栅极；其中，所述活性层厚度在10-1000 nm，活性层包括纳米粒子、选择性透过膜、生物活性反应层中的一种或几种；

（3）将上述制备的纤维状源漏电极和纤维状栅极，通过加捻工艺制备得柔性可植入一体化纤维状有机电化学晶体管。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述柔性高分子纤维为尼龙、聚酰亚胺、腈纶、芳纶、涤纶、锦纶中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述源极和漏极的金属层为金、铂、铬、钛中的一种或几种，制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、化学反应法中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述有机半导体为聚噻吩类、聚吡咯类和聚苯胺类中的一种，制备方法包括蘸涂法、滴涂法中的一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述绝缘层为聚对二甲苯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷中的一种，制备方法包括真空气相沉积法、热熔法、滴涂法、蘸涂法中的一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述纳米粒子包括铂纳米粒子、金纳米粒子中的一种或两种，制备方法包括电化学沉积法、化学法中的一种或两种；所述的选择性透过膜为Nafion膜、聚吡咯、聚间苯二胺、醋酸纤维素中的一种或者几种，制备方法包括滴涂法、蘸涂法和电化学沉积法中的一种或几种；所述生物活性反应层包括生物酶、生物活性蛋白、交联剂中的一种或几种，所述生物活性蛋白包括牛血清白蛋白、人血清白蛋白中的一种或者两种；生物活性反应层的制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、电化学沉积法、滴涂法、蘸涂法、化学交联法中的一种或几种。

7.一种如权利要求1-6之一所述制备方法得到的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管，为均匀的螺旋结构，直径为120-200µm。

8.如权利要求7所述的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管在对于不同化学物质实时检测，以及深部组织内长期稳定检测中的应用。