CN113219034A - 一种基于MXene的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物传感器领域，针对现有多成分汗液检测技术检测步骤繁琐、检测灵敏度低及检测结果反馈慢的问题，公开了一种基于MXene的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器及其制备方法，包括传感器基底，所述传感器基底上设有GODx工作电极，LODx工作电极，Ag/AgCl参比电极和Pt对电极，所述GODx工作电极和LODx工作电极上设有沉积染料层，沉积染料层上设有修饰层，修饰层表面设有壳聚糖保护层。本发明在利用MXene材料的基础上，制备出了柔性可穿戴传感器，该传感器具有良好的灵敏度，较宽的检测范围，以及响应时间短的特点。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器领域，尤其是涉及一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器及其制备方法。
背景技术
生物传感器已被广泛使用在医学、健康和运动等领域。目前常见的生物传感器，如血糖仪，虽然能快速测量血糖水平，但无法实现实时检测，且多为破损型（采血），对于需要多次测量血糖的患者无疑是痛苦的。先进的柔性电子技术通过赋予医疗器械便捷、可穿戴、远程和实时的功能，对传统的医疗模式进行了革新。可穿戴柔性传感器能被随身携带，实时检测人体的各项生理指标。如今市面上买到的可穿戴传感器只能检测人体的物理活动（如步数）或生命体征（如心跳），而不能从分子角度来提供人体内部的健康状态，具有一定的局限性。
人体汗液是一种非常重要的生物流体，由水（99 %）、离子（Na+、K+、Ca2+等）、代谢产物（葡萄糖、乳酸、乙醇等）、激素、小蛋白质和肽组成，提供了大量关于生理和代谢状况的化学信息。因其丰富的成分，以及与血液的一定联系，使得汗液分析在无创医学监测和诊断中具有较大的前景。其中，可穿戴汗液传感器在实时监测汗液中重要生物标志物方面，表现出了优异的性能，有助于实现分子水平上对自身生理的动态监测。
针对汗液中不同的物质，有人尝试过用于检测汗液的传感器设计，但存在诸多问题，例如由于汗液中所含的化学物质丰富，无法用单一电极进行检测；化学物质之间会产生相互干扰，使得获得的信号准确性差等。因此，迫切需要一种能对汗液进行实时、高效、精确以及多样化的检测方法。
专利号CN201810886374.6，专利名称“多成分汗液检测的一体化柔性可穿戴传感器”，本发明涉及多成分汗液检测的一体化柔性可穿戴传感器，所述的传感器分别由GOx电极、Lox电极和Ag/AgCl电极构成，所述的GOx电极对用来测试汗液中的葡萄糖和人体血液中的糖含量反应状况，所述的Lox电极对用来测试汗液中的乳酸盐反映压力贫血症状、皮肤温度和多种疾病，所述的Ag/AgCl电极是作为所述的GOx电极和所述的Lox电极的参比电极和对电极存在，对应反应产生的电流大小和汗液中葡萄糖和乳酸盐的含量成正比，所述的Ag/AgCl电极是作为所述的GOx电极和所述的Lox电极的参比电极和对电极存在，对应反应产生的电流大小和汗液中葡萄糖和乳酸盐的含量成正比，多电极传感器的制备，配备温度传感器的校正，结合电流信号的调节，同时加上传感器上的蓝牙配件、手机app和云端数据库，实现了汗液中多成分同时精确高效的实时检测、读取和储存，使得用户可以时刻了解自己的生理信息。
上述专利的不足之处在于，检测步骤繁琐，检测灵敏度低。
发明内容
本发明是为了克服现有多成分汗液检测技术检测步骤繁琐、检测灵敏度低及检测结果反馈慢的问题，提供一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器及其制备方法，无需使用繁琐的检测仪器，简化了检测步骤，以期能快速便捷地得到结果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，包括传感器基底，所述传感器基底上设有GODx工作电极，LODx 工作电极，Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极，所述GODx工作电极和LODx工作电极上设有沉积染料层，沉积染料层上设有修饰层，修饰层表面设有壳聚糖保护层。
本发明中的GODx工作电极用来测试汗液中的葡萄糖和反映人体血液中的糖含量状况，LODx 工作电极用来测试汗液中的乳酸盐和反映压力贫血症状、皮肤温度和多种疾病，参比电极和对电极分别是Ag/AgCl 参比电极和Pt对电极，对应产生的电流大小和汗液中葡萄糖和乳酸的含量成正比；在GODx工作电极和LODx 工作电极上电化学沉积了沉积染料层，用以稳定传感信号，扩大检测范围；同时，在一定程度上能抑制修饰层材料的扩散，降低材料的脱落率。对于沉积染料层，沉积染料可以降低生物检测中的响应时间，减少离子扩散阻力，提高反应响应电流，从而使得测试结果的曲线更加稳定；修饰层检测用到的关键材料酶：特异性识别目标物；MXene用于增强测试信号；保护层用于进一步将酶固定在电极表面，同时也能防止电极被污染。各涂覆层之间均能产生协同配合的作用效果，染料层沉积在电极上，修饰层经由MXene的静电吸附作用连接染料层，最后直接孵育成膜性较好的壳聚糖层层吸附即能得到所需电极，采用上述电极和涂覆层使得检测结果更准确，检测反馈更灵敏。
作为优选，GODx 工作电极、LODx 工作电极、Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极的电极宽度为1.8-2.2mm，电极间距为1.8-2.2mm。
电极是贴合在人体皮肤表面进行检测，尺寸小能尽量避免因机械运动造成信号抖动、传输不稳定等影响；此外，设定为上述的间距也能保证电极和汗液充分接触，提高测试结果准确性。
作为优选，所述传感器基底的材料为聚二甲基硅氧烷。
本发明传感器基底所用材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），相较现有的PET而言，PDMS要更加柔软，更能贴合皮肤，且便于电极的制备，有望提高传感器的机械稳定性；此外，PDMS无毒无味，疏水性较好（便于汗液的收集），成本低。
作为优选，所述沉积染料层选自普鲁士蓝（PB）、罗丹明B（RB）及亚甲基蓝（MB）中的一种或多种。
生物酶传感是通过检测酶反应产物（过氧化氢）来达到检测目的，以上染料对过氧化氢具有较好的电催化还原特性，能够在一定程度上缩短检测的响应时间，提高结果稳定性。
作为优选，所述沉积染料层选自普鲁士蓝。
作为优选，GODx 工作电极上的修饰层为0.48-0.52 mg/mL MXene化合物与19-21mg/mL葡萄糖氧化酶以1：1-1.2的比例混合。
作为优选，LODx工作电极上的修饰层为0.48-0.52 mg/mL MXene化合物与3.8-4.2mg/mL乳酸氧化酶以1：1-1.2的比例混合。
修饰材料的浓度不宜过高，否则修饰层过厚容易脱落；同时也要保证一定的酶浓度，使其与检测的目标物能充分接触反应，接近1:1的混合比例，能保证MXene和酶均匀分散在溶液中，利于后续孵育；同时也能充分发挥MXene的电子传导能力和酶的特异性识别能力。
作为优选，所述MXene化合物选自MXene 碳化物低维 Ti3C2Tx、MXene 氮化物Ti4N3Tx、MXene 碳氮化物Ti3CNTx中的一种或多种。
作为优选，所述MXene化合物选自MXene 碳化物低维 Ti3C2Tx。
MXene材料的比表面积大、活性位点多，具有良好的电子传导能力和静电吸附能力，目前研究可得到的MXene种类较少，上述化合物较常见且有能力制备。
所述的基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器的制备方法，包括如下制备步骤：
（1）选取传感器基底，裁剪成 40 mm×20 mm 的尺寸若干片，浸没在超纯水中，并通入氮气进行清洗；
（2）在步骤（1）处理后的传感器基底上转印GODx工作电极、LODx 工作电极、Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极，并将各电极电连接到恒电位器上；
（3）在步骤（2）处理后的GODx工作电极和LODx 工作电极表面电化学沉积一层沉积染料层；
（4）在步骤（3）处理后的沉积染料层滴涂修饰层；
（5）在步骤（4）滴涂修饰层后的GODx工作电极和LODx 工作电极外表面，孵育壳聚糖保护层，并经pH 7.4-7.6的 PBS 缓冲液冲洗，除去残留物，即得成品。
因此，本发明具有如下有益效果：
本发明具有的有益效果：
（1）本发明在利用 MXene 材料的基础上，制备出了柔性可穿戴传感器，该传感器具有良好的灵敏度，较宽的检测范围，以及响应时间短的特点；
（2）通过对GODx 工作电极和LODx工作电极上依次设有沉积染料层、修饰层及壳聚糖保护层，来极大提升检测灵敏度与准确度，同时保证GODx 工作电极和LODx工作电极上涂覆材料的结构稳定性与检测持久性；
（3）通过柔性传感器基底与工作电极上各涂层之间的有效配合，各涂覆层中成分的选取和成分添加比例都是本发明限定的最优范围，制得的传感器检测灵敏度、准确度高，检测结果反馈快。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图 2为实施例1 的GODx 电极在-0.45V下对葡萄糖的梯度响应I - T曲线图。
图3为实施例1 的GODx 电极在-0.45V下对葡萄糖的梯度响应校准曲线图。
图中：1、传感器基底；2、GODx工作电极；3、LODx 工作电极；4、Ag/AgCl 参比电极；5Pt对电极。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
总实施例
一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，包括传感器基底1 ，所述传感器基底1上设有GODx工作电极2，LODx 工作电极3，Ag/AgCl 参比电极4和 Pt对电极5，所述GODx 工作电极2和LODx工作电极3上设有沉积染料层，沉积染料层上设有修饰层，修饰层表面设有壳聚糖保护层。GODx 工作电极2和LODx工作电极3位于传感器基底1中间相对而设，GODx 工作电极2和LODx工作电极周围设有Ag/AgCl 参比电极4和 Pt对电极5。
GODx 工作电极、LODx 工作电极、Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极的电极宽度为1.8-2.2mm，电极间距为1.8-2.2mm。
所述传感器基底的材料为聚二甲基硅氧烷。所述沉积染料层选自普鲁士蓝、罗丹明B及亚甲基蓝中的一种或多种，进一步地，所述沉积染料层选自普鲁士蓝。
GODx 工作电极上的修饰层为0.48-0.52 mg/mL MXene化合物与19-21mg/mL葡萄糖氧化酶以1：1-1.2的比例混合。LODx工作电极上的修饰层为0.48-0.52 mg/mL MXene化合物与3.8-4.2mg/mL乳酸氧化酶以1：1-1.2的比例混合。所述MXene化合物选自MXene 碳化物低维 Ti3C2Tx、MXene 氮化物Ti4N3Tx、MXene 碳氮化物Ti3CNTx中的一种或多种，进一步地，所述MXene化合物选自MXene 碳化物低维 Ti3C2Tx。
所述基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器的制备方法，包括如下制备步骤：
（1）选取传感器基底，裁剪成 40 mm×20 mm 的尺寸若干片，浸没在超纯水中，并通入氮气进行清洗；
（2）在步骤（1）处理后的传感器基底上转印GODx工作电极、LODx 工作电极、Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极，并将各电极电连接到CHI电化学工作站上；
（3）在步骤（2）处理后的GODx工作电极和LODx 工作电极表面电化学沉积一层沉积染料层；
（4）在步骤（3）处理后的沉积染料层滴涂修饰层；
（5）在步骤（4）滴涂修饰层后的GODx工作电极和LODx 工作电极外表面，孵育壳聚糖保护层，并经pH 7.4-7.6的 PBS 缓冲液冲洗，除去残留物，即得成品。
MXene 碳化物（低维 Ti3C2Tx）制备实施例：
①用 10 mL 移液枪取 7.5 mL HCl (36%)，加入 2.5 mL 超纯水，配置成 10 mL9 mol/L 的盐酸溶液于聚四氟乙烯杯中；
②称取 0.5 g LiF（阿拉丁），在 500 rpm 磁力搅拌下加入盐酸溶液中，搅拌 10min，待 LiF 完全溶解，得到刻蚀剂；
③称取 0.5 g Ti3AlC2粉末（山东莱州凯烯），缓慢（共计 5 min）加入蚀刻剂中；
④将聚四氟乙烯杯移至 35 ℃水浴内，在 500 rpm 磁力搅拌下反应 24 h；
⑤反应结束后，加超纯水于反应物，并在 3500 rpm 离心机中离心 8 次，每次 5min，直至 pH 约为 6.8（pH 笔测量），获得最终沉淀物；
⑥利用超纯水将沉淀物转移到圆底烧瓶中，并向其中通入氮气 20 ~ 30 min，而后（烧瓶通过上套有充满氮气的气球）超声 30 min；
⑦取超声完的溶液于 50 mL 离心管中，在 7500 rpm 下离心 20 min，取上层清液冻干备用。
MXene 碳化物（Ti3C2Tx量子点）制备实施例：
①按上述 MXene 碳化物（低维 Ti3C2Tx）制备实施例的步骤得到低维 Ti3C2Tx（可不冻干），取 5 mL 该溶液分散在 5 mL 超纯水中；
②添加 0.2 mL PEI（30 %）于上述分散溶液中，并在磁搅拌器上搅拌 30 min；
③待搅拌结束，将混合溶液在氮气气氛下，加热到 120 ℃，保温 36 h；
④用 220 nm 滤膜将所得的淡黄色悬浮液进行过滤，而后保存在 4 ℃环境下备用。
MXene 氮化物（Ti4N3Tx）制备实施例：
①以 2： 1： 2 的比例称取 TiH2，AlN，TiN，球磨 4 h 后，在 1275 ℃ 70 MPa 下热压 24 h，经由筛子选出≤ 37 μm 的颗粒，获得 Ti4AlN3；
②以 0.59： 0.29： 0.12 的比例称取 KF，LiF，NaF，混合获得氟盐；
③将 Ti4AlN3与氟盐按 1： 1 混合，球磨 6 h 后，在氩气氛围中，取 2 g 混合物于氧化铝坩埚内，加热到 550 ℃，保温 30 min（加热/冷却速率为 10 ℃/min），制得熔融态混合物；
④将上述混合物经由氮气清洗，并以 10 mL： 1g 的比例与 4 M H2SO4混合，通过聚四氟乙烯搅拌器搅拌 1 h；
⑤加去离子水于反应物，并在 3500 rpm 离心机中多次离心，每次 2 min，直至pH 约为 6（pH 笔测量），经由聚丙烯滤膜过滤，获得最终沉淀物；
⑥以 10 mL： 1 g 的比例将 TBAOH 与沉淀物混合，同手震荡 5 min，加去离子水，并在 3500 rpm 离心机中离心 5 min，去除上层液体；
⑦继续加去离子水，,超声 30 min，并在 5000 rpm 离心机中离心 15 min，后由聚丙烯滤膜过滤，获得所需二维碳化钛材料。
MXene 碳氮化物（Ti3CNTx）制备实施例：
①将 MAX 相与 DES 混合，并加入刻蚀剂，其中 DES 相为氯化胆碱和草酸混合物，摩尔比为 1： (0.5 ~ 2)，刻蚀剂为氟化铵，且 MAX 与氟化铵的摩尔比为 1： (5 ~10)；
②将上述混合物置于高压反应釜中，于 100 ~ 140 ℃下反应 12 ~ 36 h；
③将反应产物用蒸馏水洗涤、过滤，至 pH 为 6 ~ 7；
④用无水乙醇洗涤 2 ~ 4 次，在 60 ~ 80 ℃下真空干燥 12 h。
实施例 1：
选取 PDMS 作为基底，通过氮气进行清洗，而后转印电极，分别为两个工作电极（WE1、WE2）、参比电极（Ag/AgCl）、对电极（Pt）。
在步骤（1）处理后的工作电极表面电化学沉积 PB。其中，WE1 电极所用的伏安参数为 20 mV/s（0 ~ 0.6 V），共循环 3 次；WE2 电极所用的伏安参数为 20 mV/s（-0.5 ~0.6 V），共循环 10 次。
将低维 Ti3C2Tx分别与 GODx 和 LODx 按体积比1：1混合，并各取 5 µL 混合液分别滴涂在 WE1 和 WE2 上。其中，Ti3C2Tx/GODx 的浓度比为 0.5 mg/mL： 20 mg/mL，Ti3C2Tx/LODx 浓度比为 0.5 mg/mL： 4 mg/mL。
在步骤（3）处理后的电极外表面，孵育壳聚糖保护层，而后在 PBS 缓冲液（pH7.4）中冲洗 3 ~ 4 次，除去未固定完全的酶，最终得到所需传感器的电极平台。
实施例 2：
在实施例 1 的基础上，将步骤（2）中改为：在步骤（1）处理后的工作电极表面电化学沉积沉积染料层RB。
实施例 3：
在实施例 1 的基础上，将步骤（2）中改为：在步骤（1）处理后的工作电极表面电化学沉积沉积染料层MB。
实施例 4：
在实施例 1 的基础上，将步骤（3）中改为：将 Ti3C2Tx量子点分别与 GODx 和LODx 混合。
实施例 5：
在实施例 1 的基础上，将步骤（3）中改为：将 Ti4N3Tx分别与 GODx 和 LODx 混合。
实施例 6：
在实施例 1 的基础上，将步骤（3）中改为：将 Ti3CNTx分别与 GODx 和 LODx 混合。
实施例 1 的电化学测试结果如图 2, 3 所示，可以看出，实施例 1 中 PB +Ti3C2Tx/GODx 电极在 -0.45V 下对葡萄糖进行检测，具有良好的梯度响应。
由实施例1-6可知，只有在本发明权利要求范围内的方案，才能够在各方面均能满足上述要求，得出最优化的方案，得到基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，各工艺参数才能使得材料利用、回收率最大化。而对于配比的改动、原料的替换/加减，或者加料顺序的改变，均会带来相应的负面影响。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，包括传感器基底（1） ，所述传感器基底（1）上设有GODx工作电极（2），LODx 工作电极（3），Ag/AgCl 参比电极（4）和 Pt对电极（5），所述GODx 工作电极（2）和LODx工作电极（3）上设有沉积染料层，沉积染料层上设有修饰层，修饰层表面设有壳聚糖保护层。
2.根据权利要求1所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，GODx 工作电极、LODx 工作电极、Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极的电极宽度为1.8-2.2mm，电极间距为1.8-2.2mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，所述传感器基底的材料为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求3所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，所述沉积染料层选自普鲁士蓝、罗丹明B及亚甲基蓝中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，所述沉积染料层选自普鲁士蓝。
6.根据权利要求5所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，GODx 工作电极上的修饰层为0.48-0.52 mg/mL MXene化合物与19-21mg/mL葡萄糖氧化酶以1：1-1.2的比例混合。
7.根据权利要求5所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，LODx工作电极上的修饰层为0.48-0.52 mg/mL MXene化合物与3.8-4.2mg/mL乳酸氧化酶以1：1-1.2的比例混合。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，所述MXene化合物选自MXene 碳化物低维 Ti3C2Tx、MXene 氮化物Ti4N3Tx、MXene碳氮化物Ti3CNTx中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的一种基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器，其特征是，所述MXene化合物选自MXene 碳化物低维 Ti3C2Tx。
10.一种如权利要求9所述的基于 MXene 的多成分汗液检测柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征是，包括如下制备步骤：
（1）选取传感器基底，裁剪成 40 mm×20 mm 的尺寸若干片，浸没在超纯水中，并通入氮气进行清洗；
（2）在步骤（1）处理后的传感器基底上转印GODx工作电极、LODx 工作电极、Ag/AgCl 参比电极和 Pt对电极，并将各电极电连接到CHI电化学工作站上；
（3）在步骤（2）处理后的GODx工作电极和LODx 工作电极表面电化学沉积一层沉积染料层；
（4）在步骤（3）处理后的沉积染料层滴涂修饰层；
（5）在步骤（4）滴涂修饰层后的GODx工作电极和LODx 工作电极外表面，孵育壳聚糖保护层，并经pH 7.4-7.6的 PBS 缓冲液冲洗，除去残留物，即得成品。
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