CN114748064A - 空心微针垂直石墨烯传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了空心微针垂直石墨烯传感器，包括空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列；所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列固定在一起；所述空心微针阵列穿破皮肤后，负压提取装置通过所述空心微针阵列将组织间隙液提取至所述柔性电极阵列处，所述柔性电极阵列对组织间隙液的生理标记物进行分析；所述生理标记物至少包括葡萄糖、胆固醇、钠离子和尿酸。本申请利用微针阵列提取组织间隙液进行生理标记物的电化学检测，较之血液提取的传感检测能够减少皮肤损伤以及感染的风险，并且由于组织间隙液成分与血液具有高度的相关性，较之汗液的传感检测具有更高的准确性。

Description

空心微针垂直石墨烯传感器及制备方法

技术领域

本申请涉及传感器领域，尤其是空心微针垂直石墨烯传感器及制备方法。

背景技术

糖尿病是一种因体内胰岛素分泌缺陷或组织细胞的胰岛素抵抗引起的以高血糖水平为特征的代谢性疾病，糖尿病导致的长期高血糖会引起脑部、肾脏、神经系统、眼睛等全身各个组织器官不同程度的病变，危害人体安全，严重的时候甚至危及生命。当前的主流治疗方案是以实时的血糖含量为参考，通过注射胰岛素、服用降糖类药物等手段，将血糖含量维持在目标范围内。因此，有效并且实时地对血糖水平、尿酸、胆固醇等生理标记物进行检测对于糖尿病的防治具有重要的意义。

相关技术中，针对血糖、尿酸、胆固醇以及钙离子等生理标记物的检测方法主要包括电化学方法、高效液相色谱法、电化学发光等方法。然而，上述检测方法通常需要专业人员利用大型的设备仪器进行操作，检测的步骤较为繁琐，单次检测时间较长、检测费用高昂。并且，这些检测方法通常需要采集人体血液才能进行检测，取血过程会为患者带来痛楚，伤口处也容易造成感染。

因此，相关技术存在的上述技术问题亟待解决。

发明内容

本申请旨在解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请实施例提供空心微针垂直石墨烯传感器及制备方法，能够对人体组织间隙液中的葡萄糖等生理标记物进行定量分析，为糖尿病的诊断与持续监测治疗提供有效的理论基础。

根据本申请实施例一方面，提供一种空心微针垂直石墨烯传感器，包括空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列；

所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列固定在一起；

所述空心微针阵列穿破皮肤后，负压提取装置通过所述空心微针阵列将组织间隙液提取至所述柔性电极阵列处，所述柔性电极阵列对组织间隙液的生理标记物进行分析；

所述生理标记物至少包括葡萄糖、胆固醇、钠离子和尿酸。

在其中一个实施例中，所述柔性电极阵列为柔性垂直石墨烯电化学生物传感电极阵列，所述柔性垂直石墨烯电化学生物传感电极阵列包括具有垂直取向的若干层石墨烯，所述具有垂直取向的若干层石墨烯具有非凝聚形态。

在其中一个实施例中，所述空心微针垂直石墨烯传感器还包括柔性基底，所述柔性基底上集成有若干个柔性电极阵列，用于同时对不同的生理标记物进行定量分析。

在其中一个实施例中，所述空心微针垂直石墨烯传感器还包括固定装置，所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列通过所述固定装置固定在一起，所述固定装置的材质为聚二甲基硅氧烷。

在其中一个实施例中，所述柔性电极阵列的各个电极的表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，用于使各个电极具有检测不同生理标记物的功能。

在其中一个实施例中，所述柔性电极阵列包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，所述工作电极、对电极和参比电极组成三电极体系单元，用于对生理标记物进行分析。

在其中一个实施例中，所述柔性电极阵列包括工作电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，所述工作电极和参比电极组成二电极体系单元，用于对生理标记物进行分析。

根据本申请实施例一方面，提供空心微针垂直石墨烯传感器的制备方法，所述方法包括：

通过3D打印将光敏树脂固化，制备空心微针阵列；

通过微加工技术在柔性聚酰亚胺基底上生成图案化导电电极阵列，得到柔性电极阵列；

将所述空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列按预设方式组合安装。

在其中一个实施例中，所述方法包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在碳纸上生长垂直石墨烯，并将所述垂直石墨烯转移至柔性电极阵列上作为工作电极。

在其中一个实施例中，所述方法包括：

在部分柔性电极表面电镀铂，得到对电极；

在部分柔性电极表面电镀银，得到参比电极；

在所述工作电极表面通过覆盖不同的化学材料覆盖层，得到用于检测不同生理标记物的工作电极。

本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器及制备方法的有益效果为：本申请提出的空心微针垂直石墨烯传感器包括空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列；所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列固定在一起；所述空心微针阵列穿破皮肤后，负压提取装置通过所述空心微针阵列将组织间隙液提取至所述柔性电极阵列处，所述柔性电极阵列对组织间隙液的生理标记物进行分析；所述生理标记物至少包括葡萄糖、胆固醇、钠离子和尿酸。可见，本申请利用微针阵列提取组织间隙液进行生理标记物的电化学检测，较之血液提取的传感检测能够减少皮肤损伤以及感染的风险，并且由于组织间隙液成分与血液具有高度的相关性，较之汗液的传感检测具有更高的准确性。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的垂直石墨烯柔性电极阵列示意图；

图2为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器制备方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的葡萄糖浓度测试曲线图；

图4为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的尿酸浓度测试曲线图；

图5为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的钾离子浓度测试曲线图；

图6为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的钠离子浓度测试曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

糖尿病是一种因体内胰岛素分泌缺陷或组织细胞的胰岛素抵抗引起的以高血糖水平为特征的代谢性疾病。按照致病机理，主要可以分为1型糖尿病和2型糖尿病，1型糖尿病是因为胰腺β细胞被破坏导致胰岛素分泌缺乏而导致的，多发于儿童及青壮年，2型糖尿病是由于体内细胞无法对胰岛素产生正常响应而导致的一种代谢紊乱疾病，较多在40岁以后发病。糖尿病的主要临床表现为多饮、多尿、多食和体重减少。近年来，糖尿病在人群中的发病率逐年上升，并且呈年轻化趋势，糖尿病已经成为继心脑血管疾病、恶性肿瘤之后影响人类健康的第三大疾病。长期的高血糖水平会引起脑部、肾脏、神经系统、眼睛等全身各个组织器官不同程度的病变，危害人体安全，严重的时候甚至危及生命。糖尿病患者往往伴随着高尿酸症，高胆固醇等明显特征。目前糖尿病无法有效根治，现有的治疗方案是以实时的血糖含量为参考，通过注射胰岛素、服用降糖类药物等手段，将血糖含量维持在目标范围内。因此，有效并且实时地对血糖水平以及尿酸、胆固醇等生理标记物进行检测具有重要的意义。

目前针对血糖、尿酸、胆固醇以及钙离子等生理标记物的检测方法主要包括电化学方法、高效液相色谱法、电化学发光等方法。然而，这些检测方法通常需要专业人员利用大型的设备仪器进行操作，检测的步骤较为繁琐，单次检测时间较长、检测费用高昂。并且，这些检测方法通常需要采集人体血液才能进行检测，取血过程会为患者带来痛楚，伤口处也容易造成感染。

为了解决上述技术问题，本申请提出了一种空心微针垂直石墨烯传感器及其制备方法。

为了便于理解，接下来对本说明书可能出现的名词和专业术语进行解释说明，具体如下：

电化学生物传感器：电化学生物传感器主要由生物识别元件和电化学转换元件组成，生物识别元件可以选择性地对大量物质中的一到几种物质如细胞、胆固醇、离子等的变化作出响应，待测物质与生物识别元件结合后，由于生物相互作用活动而发生氧化和还原反应，从而触发电学性质的变化，产生传感器信号的响应变化。生物识别元件主要包括酶、细胞、抗体等具有生物成分的物质。电化学转换元件将生物识别元件作出的响应转换成电导、电容或电阻形式的信号。配合电化学传感检测系统采集响应信号，通过数字信号处理得到响应信号与待测物质的浓度的线性拟合关系，从而进行定性或者定量的检测分析。电化学生物传感器具有高选择性、灵敏度高、体积小和响应快速等优点，拥有广泛的应用前景。目前，电化学生物传感器根据检测原理主要可以分为以下的三种类型：电流型电化学生物传感器，电位型电化学生物传感器以及阻抗型电化学生物传感器。电流型电化学生物传感器是在恒定电位的情况下，催使目标分析物发生电解，通过测定电流信号的变化分析目标分析物的浓度等性质。电位型电化学生物传感器通常为两电极体系，包括了可对待测离子产生特定电化学响应信号的工作电极，即离子选择性电极，以及与工作电极一直保持恒定电位的参比电极，与电解池构成电位型传感体系。在施加零电流的情况下，通过测量电极表面的电位差信号分析待测物质的的含量。阻抗型电化学生物传感器通过测量电化学生物传感器表面或者待测溶液的电阻抗来判断待测物质的含量与特性。

石墨烯：石墨烯是一种由单层碳原子堆积成六方晶格结构的新型纳米材料，由英国物理学家A.K.Geim和K.S.Novoselov于2004年通过剥离定向热解的石墨得到。电子在石墨烯中转移速度非常快，可以达到光速的1/300。石墨烯的理论比表面积高达，而改性的石墨烯的实际比表面积能够达到垂直取向的石墨烯具有非凝聚的形态，相邻的垂直石墨烯之间还拥有开放的片间结构，因此垂直石墨烯具有非常大的比表面积、高导电性、导热性和化学稳定性等特性。由于其较大的比表面积，使得每个原子都在表面上，对外界分子的点响应极其灵敏，垂直石墨烯的大比表面积特性可有效地增大电极的比表面积和界面电子输运速度。垂直石墨烯的生长高度通常在几百纳米到几十微米之间，其平均薄片厚度可以到达几纳米，薄片的形状可以是直的、弯曲的、折叠的和波纹的。除了垂直石墨烯的大比表面积的特点之外，垂直石墨烯还可以与各种掺杂材料和功能材料相结合，各种生物分子和金属蛋白在垂直石墨烯表面能保持原有的结构完整性和生物活性。垂直石墨烯用作工作电极时，其大比表面积以及大量的边缘和缺陷能吸附更多的待测物质，因此垂直石墨烯这些优异的性能使其在电化学生物传感器的研究领域拥有更为广大的前景。

微针：微针是一种用于透皮的工具，它可以穿透皮肤的角质层和真皮层，同时不会接触到真皮深处的神经与血管。真皮层中的结缔组织含有因为体液循环而不断进行更新的组织间隙液。研究表明，组织间隙液中除了蛋白质等一些生物大分子之外，其余的物质和血液中的生理标记物浓度相同，在时间上存在5-15min的延迟，组织间隙液中含有大量能够表征人体疾病的生理标记物(如：葡萄糖、胆固醇、尿酸等等)。

本申请提供的空心微针垂直石墨烯传感器的设计原理为：目前用于糖尿病血糖等生理标记物传感检测的电化学方法主要有有创、微创以及无创三种方式。有创的电化学传感检测包括皮下植入式电化学电极，将传感器电极植入皮下组织以实现长达90天的血糖传感检测；微创的传感检测主要是指尖采血或利用透皮工具提取人体组织间隙液进行血糖等生理标记物的传感检测；无创的传感检测主要是利用电化学传感原理对人体汗液、尿液等进行生理标记物的传感检测，但是这几种方法均存在着不足之处。首先，指血检测仪对指尖取血量有特定的要求，一次指尖取血的量并不能满足多种生理标记物的并行检测，进行穿刺取血会给患者带来较大的痛楚，针尖处容易发生感染，并且，利用该种方法检测血糖浓度存在较长的测试时间间隔，从而无法获取血糖水平的变化趋势。而全植入式的传感电极是一种有创的方法，电极长期存在人体皮下有可能会出现炎症，出血以及疼痛等危及人体安全的症状。无创的汗液血糖检测方法虽然具有较高的安全性，但通过检测汗液中的葡萄糖浓度并不能准确地反应出血糖浓度。现代医学研究表明，皮下组织间隙液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖浓度存在高度的相关性，因此，可以通过检测组织间隙液中的葡萄糖浓度来确定血液中的葡萄糖浓度。

基于上述原理和思路，本申请提出了空心微针垂直石墨烯传感器及其制备方法。

图1为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的垂直石墨烯柔性电极阵列示意图，如图1所示，1为柔性聚二甲基硅氧烷(PI)基底，2是电极接口，3是工作电极，4是参比电极，5是对电极，6是绝缘层，7为修饰层。本申请提供的空心微针垂直石墨烯传感器包括空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列；所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列固定在一起；所述空心微针阵列穿破皮肤后，负压提取装置通过所述空心微针阵列将组织间隙液提取至所述柔性电极阵列处，所述柔性电极阵列对组织间隙液的生理标记物进行分析；所述生理标记物至少包括葡萄糖、胆固醇、钠离子和尿酸。所述空心微针垂直石墨烯传感器还包括固定装置，所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列通过所述固定装置固定在一起，所述固定装置的材质为聚二甲基硅氧烷。空心微针阵列与柔性电极阵列通过聚二甲基硅氧烷固定在一起，空心微针阵列穿破皮肤后，外部的负压提取装置通过空心微针阵列将组织间隙液提取至柔性电极阵列处，垂直石墨烯电化学生物传感电极通过不同的修饰方法实现对组织间隙液不同生理标记物的分析。

需要说明的是，本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器集成有多个垂直石墨烯传感电极，因此可以实现对于组织间隙液中多个生理标记物的实时并行传感检测。例如，在柔性电极中的某一对电极能够对组织间隙液中的葡萄糖浓度进行检测，另一对电极可以同时对组织间隙液中的钠离子浓度进行检测，提高了检测效率。

如图1所示，柔性聚二甲基硅氧烷(PI)基底为负载用于对生理标记物传感检测的电化学传感器以及电极接口的载体。绝缘层为聚酰亚胺材料，主要用于保护电极接口，避免其暴露于外界环境中。电极接口供包括10根铜/金电极，分别连接10个传感电极，将电极上产生的响应信号传递给下一级系统进行处理。工作电极设计为半径为3mm的圆形孔洞，在随后的处理中，垂直石墨烯样品将通过热压机集成在工作电极处，再通过化学修饰便能形成用于检测不同生理标记物的工作电极。参比电极设计为一个1/2圆环，对电极设计为一个2/3圆环。修饰层指的是利用不同化学材料以及不同方法覆盖于传感电极上从而形成不同作用的传感电极的化学材料覆盖层，在设计为圆环的传感电极上沉积Pt和Ag，形成修饰层便会成为参与电化学响应的对电极和参比电极，在垂直石墨烯样品上修饰特定的混合溶液，形成修饰层便成为可检测不同生理标记物的工作电极。在三电极体系中，由一个工作电极、一个对电极以及一个参比电极组成；在两电极体系中，由一个工作电极和一个参比电极组成。在本实施例中，共设置了用于两个三电极体系和两个两电极体系，它们独立工作，不共享参比电极与对电极。工作电极在本次发明中设计为圆形，也可设置为方形、三角形等规则形状；参比电极与对电极的形状不受限制。即，所述柔性电极阵列包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，所述工作电极、对电极和参比电极组成三电极体系单元，用于对生理标记物进行分析。所述柔性电极阵列包括工作电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，所述工作电极和参比电极组成二电极体系单元，用于对生理标记物进行分析。

在本实施例中，采用垂直石墨烯作为电化学生物传感器的电极材料，能够提高传感器的灵敏度和使用寿命。近年来，纳米材料在电化学生物传感器领域的应用研究成为该领域的研讨热点。纳米材料具备优异的化学、物理、电催化等性能，及其独特的量子尺寸效应和表面效应，有望更进一步提高传感的使用性能。研究较多的纳米材料主要有以下几种：金属纳米材料、半导体纳米材料、碳纳米材料、金属氧化物纳米颗粒以及将多种纳米材料符合后使用的复合纳米材料。在碳纳米材料中，石墨烯表现出了优异的电化学性能，比如宽电化学窗口、小的电荷传递电阻、高电催化活性和电子转移率等等。这些优异的电化学性能使得石墨烯材料在电化学传感器中占有十分重要的地位。而垂直石墨烯由于其特殊的非凝聚形态和开放的片间结构，使得其具有更大的比表面积和导电性能，垂直石墨烯还可以与各种掺杂材料和功能材料相结合，各种生物分子和金属蛋白在垂直石墨烯表面能保持原有的结构完整性和生物活性，相较于平面石墨烯和碳纳米管，垂直石墨烯用作工作电极时，其大量的边缘和缺陷能吸附更多的待测物质，因此垂直石墨烯这些优异的性能使其在电化学传感器的研究领域拥有更为广大的前景。

并且，本实施例采用微创的透皮工具微针阵列提取与血液中的生理标记物具有高度相关性的组织间隙液进行电化学的传感检测：微针阵列。透皮工具微针阵列具有以下优点：不会引起疼痛以及造成后续的感染；不会造成皮肤愈合的延迟；能够持续提取和收集组织间隙液；具有生物相容性。

进一步的，本实施例的空心微针能够采集组织间隙液，组织间隙液是从毛细血管动脉端渗入到组织间隙内的一部分液体，与组织细胞进行物质交换后，再经毛细血管静脉端或毛细淋巴管回流入血液或淋巴，组织间隙液不仅像血液一样含有蛋白质、小分子和RNA，而且还含有比血液中更丰富的特定的生理标记物，如用于黑色素瘤的诊断。现代医学研究表明，皮下组织间隙液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖浓度存在高度的相关性，可以通过检测组织间隙液中的葡萄糖浓度来确定血液中的葡萄糖浓度。由于组织间隙液的特殊性质，因此可以利用微创透皮的工具微针阵列无痛提取组织间隙液进行葡萄糖等生理标记物的传感检测。微针阵列的高度通常为50-900μm左右，通过微加工技术利用不同的材料制作而成。微针阵列的高度能够到达皮肤的真皮层，除此之外，由于其形状较小，可以避免刺穿真皮血管或者刺激真皮神经而带来出血和痛楚，最大限度地减少出血量和感染，并且可以减少液体提取过程中的样本量，还可以避免汗液的电化学传感检测的不准确性。

需要说明的是，所述柔性电极阵列为柔性垂直石墨烯电化学生物传感电极阵列，所述柔性垂直石墨烯电化学生物传感电极阵列包括具有垂直取向的若干层石墨烯，所述具有垂直取向的若干层石墨烯具有非凝聚形态，相邻的具有垂直取向的石墨烯之间具有开放的片间结构。本实施例中，垂直取向的石墨烯具有非凝聚的形态，相邻的垂直石墨烯之间还拥有开放的片间结构，因此垂直石墨烯具有非常大的比表面积、高导电性、导热性和化学稳定性等特性。由于其较大的比表面积，使得每个原子都在表面上，对外界分子的点响应极其灵敏，垂直石墨烯的大比表面积特性可有效地增大电极的比表面积和界面电子输运速度。

本实施例中的空心微针垂直石墨烯传感器还包括柔性基底，所述柔性基底上集成有若干个柔性电极阵列，用于同时对不同的生理标记物进行定量分析。具体地，在柔性基底上同时集成了多个可用于检测不同生理标记物的垂直石墨烯传感电极，可以同时对葡萄糖、胆固醇、钠离子等生理标记物进行定量分析，有效地评估与诊断与糖尿病相关的生理标记物的实时浓度情况，为糖尿病的诊断与治疗提供理论依据。

可选地，所述柔性电极阵列的各个电极的表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，用于使各个电极具有检测不同生理标记物的功能。

因此，本申请提出的空心微针垂直石墨烯传感器能够取得如下技术效果：

(1)利用透皮工具微针阵列提取组织间隙液进行生理标记物的电化学检测，较之血液提取的传感检测能够减少皮肤损伤以及感染的风险，并且由于组织间隙液成分与血液具有高度的相关性，较之汗液的传感检测具有更高的准确性。

(2)通过等离子体增强气相沉积法制备的垂直石墨烯对于生理标记物的电化学传感检测具有更高的灵敏度。

(3)通过在柔性聚酰亚胺(PI)基底上集成多个垂直石墨烯传感电极可以实现对于组织间隙液中多个生理标记物的实时并行传感检测。

图2为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器制备方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：

S201、通过3D打印将光敏树脂固化，制备空心微针阵列。

S202、通过微加工技术在柔性聚酰亚胺基底上生成图案化导电电极阵列，得到柔性电极阵列。

S203、将所述空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列按预设方式组合安装。

在本实施例中，石墨烯转移为工作电极的方法包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在碳纸上生长垂直石墨烯，并将所述垂直石墨烯转移至柔性电极阵列上作为工作电极。

可见，本申请采取了等离子体增强化学气相沉积法制备垂直石墨烯，其作用在于：垂直石墨烯是由等离子体增强等离子体增强化学气相沉积法制备的具有垂直取向的数层石墨烯。采用传统化学方法制备的石墨烯在转移过程中容易形成凝聚，这一现象严重地减小了石墨烯的比表面积，影响电化学性能。垂直取向的石墨烯具有非凝聚的形态，相邻的垂直石墨烯之间还拥有开放的片间结构，因此垂直石墨烯具有非常大的比表面积、高导电性、导热性和化学稳定性等特性。由于其较大的比表面积，使得每个原子都在表面上，对外界分子的点响应极其灵敏，垂直石墨烯的大比表面积特性可有效地增大电极的比表面积和界面电子输运速度。

具体地，制备空心微针垂直石墨烯传感器的电极方法包括：在部分柔性电极表面电镀铂，得到对电极；在部分柔性电极表面电镀银，得到参比电极；在所述工作电极表面通过覆盖不同的化学材料覆盖层，得到用于检测不同生理标记物的工作电极。

总结来说，本申请空心微针垂直石墨烯传感器制备方法主要包括以下四个步骤：

(1)空心微针阵列的制备：利用3D打印技术将光敏树脂固化，制备空心微针阵列。

(2)柔性电极阵列的制备：利用一系列微加工技术在柔性聚酰亚胺(PI)基底上生成图案化导电电极阵列。

(3)垂直石墨烯的生长与组装：利用等离子体增强化学气相沉积法在碳纸上生长石墨烯，并将垂直石墨烯转移至柔性电极阵列上作为工作电极。

(4)电极修饰：在设计好的特定的电极上电镀铂，得到铂对电极；在设计好的特定的电极上电镀银，得到银/氯化银参比电极；在垂直石墨烯工作电极上通过特定的化学修饰，得到用于检测不同生理标记物的工作电极。

图3为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的葡萄糖浓度测试曲线图；图4为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的尿酸浓度测试曲线图；图5为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的钾离子浓度测试曲线图；图6为本申请实施例提供的空心微针垂直石墨烯传感器的钠离子浓度测试曲线图。通过图3、图4、图5和图6可见，本申请提出的空心微针垂直石墨烯传感器通过电流和电压测试人体组织间隙液的尿酸浓度、钾离子浓度、钠离子浓度和葡萄糖浓度，测试结果准确且符合预期，能够为糖尿病的诊断与治疗提供理论依据。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，包括空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列；

所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列固定在一起；

所述空心微针阵列穿破皮肤后，负压提取装置通过所述空心微针阵列将组织间隙液提取至所述柔性电极阵列处，所述柔性电极阵列对组织间隙液的生理标记物进行分析；

所述生理标记物至少包括葡萄糖、胆固醇、钠离子和尿酸。

2.根据权利要求1所述的空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，所述柔性电极阵列为柔性垂直石墨烯电化学生物传感电极阵列，所述柔性垂直石墨烯电化学生物传感电极阵列包括具有垂直取向的若干层石墨烯，所述具有垂直取向的若干层石墨烯具有非凝聚形态。

3.根据权利要求1所述的空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，所述空心微针垂直石墨烯传感器还包括柔性基底，所述柔性基底上集成有若干个柔性电极阵列，用于同时对不同的生理标记物进行定量分析。

4.根据权利要求1所述的空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，所述空心微针垂直石墨烯传感器还包括固定装置，所述空心微针阵列与所述柔性电极阵列通过所述固定装置固定在一起，所述固定装置的材质为聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求1所述的空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，所述柔性电极阵列的各个电极的表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，用于使各个电极具有检测不同生理标记物的功能。

6.根据权利要求5所述的空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，所述柔性电极阵列包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，所述工作电极、对电极和参比电极组成三电极体系单元，用于对生理标记物进行分析。

7.根据权利要求5所述的空心微针垂直石墨烯传感器，其特征在于，所述柔性电极阵列包括工作电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极表面覆盖有不同的化学材料覆盖层，所述工作电极和参比电极组成二电极体系单元，用于对生理标记物进行分析。

8.空心微针垂直石墨烯传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

通过3D打印将光敏树脂固化，制备空心微针阵列；

通过微加工技术在柔性聚酰亚胺基底上生成图案化导电电极阵列，得到柔性电极阵列；

将所述空心微针阵列、负压提取装置和柔性电极阵列按预设方式组合安装。

9.根据权利要求8所述的空心微针垂直石墨烯传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在碳纸上生长垂直石墨烯，并将所述垂直石墨烯转移至柔性电极阵列上作为工作电极。

10.根据权利要求9所述的空心微针垂直石墨烯传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在部分柔性电极表面电镀铂，得到对电极；

在部分柔性电极表面电镀银，得到参比电极；

在所述工作电极表面通过覆盖不同的化学材料覆盖层，得到用于检测不同生理标记物的工作电极。

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