CN1963485A - 基于碳纳米管的针式生物传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管针式生物传感器及其制作方法。它具有中空管，中空管内设有正电极，中空管外设有负电极，中空管上端设有导电接口，并与正电极和负电极相连接。本发明由多个电极集成而成，其中正电极由碳纳米管、导电石墨粉、生物活性物质和粘合剂按一定比例混合填压而成，负电极由导电金属构成，电极组装在由生物相容材料制造的中空管中构成微型针式生物传感器。上面描述的针式传感器能够插入待测样品中，在线检测样品中被测物质的动态变化。发明中所使用的碳纳米管经过特殊的处理，不仅能够有效提高生物物质的反应活性和保藏周期，而且能够明显提高传感器的检测范围和检测灵敏度。

Description

基于碳纳米管的针式生物传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及生物、医学检测仪器的数据采集组件，尤其涉及一种可介入生物组织的基于碳纳米管的针式生物传感器及其制作方法。

技术背景

电化学传感器是以电信号为特征检测对象，定性、定量检测反应物质种类及浓度的一种装置。除了在传统领域的应用外，电化学分析方法也广泛地用于生物样品的检测，例如血液和尿液，作为诊查疾病的一种手段。在对生物样品进行临床分析时，采用的方法包括化学方法、光学方法、电学方法、核磁方法等，电化学方法是目前发展非常迅速的一种方法。

目前，临床检测上主要采用的取样分析方法，是将病人的血液、尿夜、组织等样品取样后送至测试中心，通过使用大型分析仪器进行定量或定性的检测。由于取样时间的不确定性，采集到的样品中生物物质的含量可能无法准确反映病情，或无法反映病情变化的趋势。因此，在线的、长时间工作的检测方法被普遍重视。而电化学传感器是实现这种长时间在线检测的一种非常好的手段。

电化学传感器的基本构成元素是电极，电极所使用的材料的种类非常多，但主要分为两大类：金属材料和非金属材料。金属材料中使用最多的是铂和金，而非金属材料中使用最多的是碳/石墨。特别是在生物传感器中，很多应用中需要将生物活性物质固定在电极表面，而碳由于兼具导电性和易结合性，因此成为生物传感器上使用最多电极材料。

以碳材料作为电极的生物传感器所面临的最大问题是：由于碳的导电性相对于金属而言较弱，因此传感器的响应灵敏度较低，检测范围较小，在临床应用上受到限制。

碳纳米管，一种发现于1991年的具有全新结构的碳材料，由于具有超高的导电能力，同时又与传统碳材料一样，能够非常好的固定化生物活性物质(如酶)，因此被认为将是传统碳材料的最佳替代物，可用于制造生物传感器电极。同时，由于碳纳米管具有纳米级的尺寸和超大的比表面积，通过对碳纳米管的表面改性，能够固定上大量的生物活性物质，并能保持活性稳定，因此碳纳米管又是一种很好的生物固定化基材。

基于碳纳米管上述两个特性，本发明以碳纳米管为电极材料制作新型的针式生物传感器，用于埋入皮下组织中，长时间动态检测体内生物物质含量的变化趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种定量测量体内生物成分含量的电化学的基于碳纳米管的针式生物传感器及其制作方法。

它具有中空管，中空管内设有正电极，中空管外设有负电极，中空管上端设有导电接口，并与正电极和负电极相连接。

所述的正电极以碳纳米管作为导电材料，负电极以金属作为导电材料。正电极由碳纳米管、导电石墨粉、生物活性物质和粘合剂在中空管内粘合而成。负电极为铂金属，铂金属层覆盖在中空管外表面，在铂金属层表面复合有生物相容性高分子渗透膜层。中空管的材料为高分子材料、玻璃或陶瓷。正电极为一枚，负电极为相互并联的二枚、三枚或四枚；负电极为一枚，正电极为相互并联的二枚、三枚或四枚。生物活性物质为酶。正电极和负电极共同封装在中空管上，并通过与之相连的导电接口末端的正电极引线，第一负电极引线，第二负电极引线与外部检测环境连接。

碳纳米管针式生物传感器的制作方法包括如下步骤：

1)将碳纳米管∶导电石墨粉∶酶冻干粉按50∶50∶1至1∶1∶5的质量比均匀混合；

2)在上述混合粉末中加入粘合剂，搅拌均匀，成浆状后，压入中空管内；

3)将装填完毕的中空管放入真空溅射设备中，在中空管的外表面溅射形成铂金属层，金属层的厚度为100纳米到1毫米；

4)将导电接口封装在上述中空管的一端，中空管上的正、负电极与导电接口上的引出线相连接。

本发明要解决传统的电化学生物传感器无法兼顾优异的电子传递性能、催化性能和良好的生物活性物质固定化能力的问题，为此本发明提供一种新型材料构建的电化学生物传感器。

本发明中所使用的碳纳米管经过特殊的化学处理，表面被修饰了大量的活性基团，如羟基、羧基、氨基等，能够在一定的环境中与酶分子发生共价结合，使酶分子牢固地结合在碳纳米管表面，形成碳纳米管-酶复合物。由于该种复合物特殊的结构，使酶活性能够长期保持不变。由于介入式生物传感器在长时间检测过程中需要保持检测结果的稳定，因此上述的这种特性使本发明所述的生物传感器具有非常优异的稳定性，非常适用于介入式检测系统。

由于碳纳米管具有独特的表观结构，因此其导电性能非常优异。本发明所述的传感器，由于使用碳纳米管作为主要导电材料，不仅能够有效保持生物物质的反应活性和保藏周期，而且能够明显提高电极的导电能力和催化能力，使所述传感器具有较好的线性检测范围和较高的检测灵敏度。

当本发明应用于介入式检测时，可采用柔性的生物相容性材料制作传感器所使用的中空管，将碳纳米管酶复合物压合在管中作为正电极，同时将铂以涂敷或溅射的方法在中空管的外表面形成薄层作为负电极，制成针式生物传感器。此传感器具有柔韧性，可植入到皮下固定，动态检测体内某些生化参数的变化情况。由于传感器的体积可以通过微加工技术做得非常微细，植入时造成的创伤很小。

附图说明

图1是基于碳纳米管的针式生物传感器剖面结构示意图；

图2是本发明的实施例3中的葡萄糖水溶液浓度/传感器响应电流关系曲线图；

图3是本发明的实施例4中的的24小时葡萄糖浓度/传感器响应电流关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，碳纳米管针式生物传感器具有中空管1，中空管内设有正电极2，中空管外设有负电极3，中空管上端设有导电接口4，并与正电极和负电极相连接。

本发明由多个电极组合而成。正电极以碳纳米管作为导电材料，负电极以金属作为导电材料。正电极由碳纳米管、导电石墨粉、生物活性物质和粘合剂按一定比例混合，在中空管内粘合而成。负电极为铂金属，铂金属层覆盖在中空管外表面，在铂金属层表面复合有生物相容性高分子渗透膜层。中空管的材料为高分子材料、玻璃或陶瓷。正负电极组装在由生物相容材料制造的中空管中构成微型针式生物传感器。上面描述的针式传感器能够插入待测样品中，在线检测样品中被测物质的动态变化。

本发明所述的碳纳米管针式生物传感器，由至少一个正电极和一个负电极构成，正电极和负电极的上端连接有导电接口。所述的正电极和负电极共同封装在一起，并通过与之相连的导电接口与外部检测环境连接，导电接口的位置位于传感器的一端。

封装电极所使用的中空材料可以是任何可通过加工成型的物质，例如高分子材料、玻璃、陶瓷等。如果本传感器使用在临床医疗领域，则中空材料需使用生物相容性材料，如硅橡胶、医用高聚物、陶瓷等。

在本发明中，正电极由碳纳米管、导电石墨粉、生物活性物质和粘合剂共同构成，正电极的形状和尺寸可根据中空材料的形状和尺寸确定，尺寸范围从微米到厘米，形状可以是任何形状。

本发明也可以是：正电极为一枚，负电极为相互并联的二枚、三枚或四枚；或者所述的负电极为一枚，正电极为相互并联的二枚、三枚或四枚。

所述的正电极由碳纳米管、导电石墨粉、生物活性物质和粘合剂压合在中空材料内部而成，所述的负电极由铂金属构成，铂金属可涂覆在中空材料外形成铂金属层，也可封装在中空材料内。

所述的生物活性物质为酶，其冻干粉以一定的比例与导电的碳纳米管和石墨粉均匀混合，通过粘合剂黏结、压合制成正电极。本发明所使用的酶是以氧作为反应物，过氧化氢作为生成产物的酶，如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、胆固醇氧化酶等。

实施例1：

本例生物传感器，将碳纳米管、导电石墨粉、葡萄糖氧化酶以50∶50∶1(质量比)混合均匀，加入粘合剂后填充进玻璃制成的针形中空管1内(内径0.5mm)，压制成形2作为正电极，同时通过真空溅射法在中空管外壁涂覆形成金层3作为负电极。针式传感器的尖形一端为检测端，可插入皮下固定；传感器的另一端通过特殊制造的导电接口4将来源于传感器的电检测信号引出，通过导电线5、6、7与外部设备连接，进行信号接收和记录。

实施例2

本例生物传感器，将碳纳米管、导电石墨粉、葡萄糖氧化酶以1∶1∶5(质量比)混合均匀，加入粘合剂后填充进由硅橡胶制成的针形中空管1内(内径0.4mm)，压制成形2作为正电极，同时通过真空溅射法在中空管外壁涂覆形成铂层3作为负电极。针式传感器的尖形一端为检测端；传感器的另一端通过特殊制造的导电接口4将来源于传感器的电检测信号引出，通过导电线5、6、7与外部设备连接，进行信号接收和记录。

实施例3

本例生物传感器，将碳纳米管、导电石墨粉、葡萄糖氧化酶以5∶3∶2(质量比)混合均匀，加入粘合剂后填充进聚酰亚胺制成的针形中空管1内(内径0.3mm)，压制成形2作为正电极，同时通过真空溅射法在聚酰亚胺管外壁涂覆形成铂层3作为负电极。针式传感器的尖形一端为检测端，可插入皮下固定；传感器的另一端通过特殊制造的导电接口4将来源于传感器的电检测信号引出，通过导电线5、6、7与外部设备连接，进行信号接收和记录。

图2为本传感器在磷酸盐缓冲液中(pH7)对葡萄糖浓度的电流响应曲线，曲线中每一阶梯分别对应的葡萄糖溶液浓度为0、1、5、10、15、20mmol/L，每个葡萄糖浓度的测试时间为200秒。

实施例4：

本例生物传感器，制作方式与上例类似，将碳纳米管、导电石墨粉、葡萄糖氧化酶以5∶2∶3(质量比)混合均匀，加入粘合剂后填充进聚酰亚胺制成的针形中空管1内(内径0.4mm)，压制成形2作为正电极，同时通过真空溅射法在聚酰亚胺管外壁溅射形成铂层3作为负电极。针式传感器的尖形一端为检测端，可插入皮下固定；传感器的另一端通过特殊制造的导电接口4将来源于传感器的电检测信号引出，通过导电线5、6、7与外部设备连接，进行信号接收和记录。

只在中空管的外壁部分别溅射两条铂金属层，形成个一个正电极，两个负电极。将此传感器放入浓度为5mmol/L的葡萄糖溶液中，连续24小时不间断测试其电流响应，结果图3所示。

Claims (10)

1.一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于它具有中空管(1)，中空管内设有正电极(2)，中空管外设有负电极(3)，中空管上端设有导电接口(4)，并与正电极和负电极相连接。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于，所述的正电极以碳纳米管作为导电材料，负电极以金属作为导电材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于，所述的正电极由碳纳米管、导电石墨粉、生物活性物质和粘合剂在中空管内粘合而成。

4.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于所述的负电极为铂金属，铂金属层覆盖在中空管外表面，在铂金属层表面复合有生物相容性高分子渗透膜层。

5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于所述中空管的材料为高分子材料、玻璃或陶瓷。

6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于所述的正电极为一枚，负电极为相互并联的二枚、三枚或四枚；

7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于所述的负电极为一枚，正电极为相互并联的二枚、三枚或四枚。

8.根据权利要求3所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于所述的生物活性物质为酶。

9.根据权利要求1所述的一种碳纳米管针式生物传感器，其特征在于所述的正电极和负电极共同封装在中空管(1)上，并通过与之相连的导电接口(4)末端的正电极引线(5)，第一负电极引线(6)，第二负电极引线(7)与外部检测环境连接。

10.一种如权利要求1所述碳纳米管针式生物传感器的制作方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)将碳纳米管∶导电石墨粉∶酶冻干粉按50∶50∶1至1∶1∶5的质量比均匀混合；

2)在上述混合粉末中加入粘合剂，搅拌均匀，成浆状后，压入中空管内；

3)将装填完毕的中空管放入真空溅射设备中，在中空管的外表面溅射形成铂金属层，金属层的厚度为100纳米到0.5毫米；

4)将导电接口封装在上述中空管的一端，中空管上的正、负电极与导电接口上的引出线相连接。