CN211374605U

CN211374605U - 一种用于汗液葡萄糖检测的装置

Info

Publication number: CN211374605U
Application number: CN201921841901.8U
Authority: CN
Inventors: 周成刚; 魏珊珊; 丁梦璠
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2029-10-29

Abstract

本实用新型提供了一种用于汗液葡萄糖检测的装置，包括：柔性基底；设置在柔性基底上的工作电极阵列、辅助电极与参比电极；所述工作电极阵列由工作电极组成；所述工作电极包括由内至外依次设置的硅基微柱、钛层、铂层、普鲁士蓝层与掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层。与现有技术相比，本实用新型设置有工作电极阵列，通过阵列电极上的葡萄糖氧化酶与汗液中的葡萄糖反应，可实现对汗液中葡萄糖浓度的连续监测，真正实现无创检测，并且采用微柱阵列可存储汗液，达到均一监测的目的，另外微柱阵列与柔性基底同时作用，不仅可减少汗液用量、增大检测面积，还可更好地贴合皮肤表面，提高了检测的精确度，在无创血糖检测领域有较好的实用价值。

Description

一种用于汗液葡萄糖检测的装置

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种用于汗液葡萄糖检测的装置。

背景技术

糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，而且目前还无法完全治愈，只能通过对血糖浓度的连续监测和治疗来控制病情，以及降低并发症。目前监测血糖水平变化主要是依靠专用试纸条刺破手指取血来完成检测，这个过程会带来很大的痛苦，特别是对于儿童和老年人来说伤害更大，而且还可能造成伤口感染。随着人们生活水平的提升，人们越来越需要无痛监测，所以无创汗液葡萄糖监测成为了目前研究热点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种用于汗液葡萄糖检测的装置。

本实用新型提供了一种用于汗液葡萄糖检测的装置，包括：

柔性基底；

设置在柔性基底上的工作电极阵列、辅助电极与参比电极；

所述工作电极阵列由工作电极组成；所述工作电极包括由内至外依次设置的硅基微柱、钛层、铂层、普鲁士蓝层与掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层。

优选的，所述工作电极间通过硅层、钛层、铂层、普鲁士蓝层及掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层相连接，且与工作电极的硅基微柱、钛层、铂层、普鲁士蓝层及掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层呈一体化设置。

优选的，所述工作电极的高度为30～80μm；所述工作电极的直径为20～50μm；所述工作电极阵列中工作电极的距离为30～80μm。

优选的，所述钛层的厚度为5～20nm；所述铂层的厚度为50～200nm；所述普鲁士蓝层的厚度为50～200nm；所述掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层的厚度为1～10μm。

优选的，所述辅助电极组成辅助电极阵列；所述辅助电极包括由内至外依次设置的硅基微柱、钛层与铂层；组成辅助电极阵列的辅助电极间通过硅层、钛层与铂层相连接，且与辅助电极的硅基微柱、钛层及铂层呈一体化设置。

优选的，所述工作电极与辅助电极通过硅层相连接，且工作电极表面的钛层及铂层与辅助电极表面的钛层及铂层不连接。

优选的，所述参比电极组成参比电极阵列；所述参比电极包括由内之外依次设置的硅基微柱、银层与氯化银层；组成参比电极阵列的参比电极间通过硅层、银层及氯化银层相连接，且与参比电极的硅基微柱、银层及氯化银层呈一体化设置。

优选的，所述参比电极与工作电极通过硅层相连接。

优选的，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷基底。

附图说明

图1为本实用新型提供的用于汗液葡萄糖检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中制备的工作、辅助电极的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2中制备的参比电极的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种用于汗液葡萄糖检测的装置，包括：

柔性基底；

设置在柔性基底上的工作电极阵列、辅助电极与参比电极；

参见图1，图1为本实用新型提供的用于汗液葡萄糖检测装置的结构示意图，其中1为复合有硅层的柔性基底，2为硅基微柱，3为金属钛层与铂层，4为银层与氯化银层，其中普鲁士蓝层与掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层在此图中未标出在图2中给出。

本实用新型提供的用于汗液葡萄糖检测的装置包括柔性基底；所述柔性基底优选为聚二甲基硅氧烷基底。采用柔性基底可实现装置与人体皮肤表面无缝贴合，减少用户不适感，而且可以大规模生产加工。

所述柔性基底上设置有工作电极阵列、辅助电极与参比电极。

其中，所述工作电极阵列由工作电极组成；组成工作电极阵列的工作电极间的距离优选为30～80μm；所述工作电极的直径优选为20～50μm；所述工作电极的高度优选为30～80μm，更优选为40～70μm，更优选为50～60μm；所述工作电极包括内至外依次设置的硅基微柱、钛层、铂层、普鲁士蓝层与掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层；所述钛层的厚度优选为5～20nm，更优选为10～15nm，其作用为粘结层；所述铂层的厚度优选为50～200nm，更优选为80～150nm，再优选为100～120nm；所述普鲁士蓝层的厚度优选为50～200nm，更优选为100～200nm，再优选为120～160nm，最优选为140nm；所述掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层的厚度优选为1～10μm，更优选为1～6μm，再优选为2～4μm，最优选为3μm；在工作电极的最外层设置掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层可使电镀的普鲁士蓝不易脱落，从而延长电极寿命。组成工作电极阵列的工作电极间优选通过硅层、钛层、铂层、普鲁士蓝层及掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层相连接，且与工作电极的硅基微柱、钛层、铂层、普鲁士蓝层及掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层呈一体化设置，即硅层与硅基微柱呈一体化设置，工作电极间的钛层与硅基微柱表面的钛层城一体化设置，工作电极间的铂层与工作电极上的铂层呈一体化设置，工作电极间的普鲁士蓝层与工作电极上的普鲁士蓝层呈一体化设置，工作电极间的掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层与工作电极表面的掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层呈一体化设置；所述硅层的厚度优选为300～800μm，更优选为400～600μm，再优选为500±10μm。本实用新型通过电极上沉积的葡萄糖氧化酶与汗液中的葡萄糖发生反应产生过氧化氢，过氧化氢再与普鲁士蓝发生氧化还原反应产生电流，通过在间隔均匀的时间内测量电流的大小，从而实现对汗液中血糖浓度的无痛监测。

所述辅助电极优选组成辅助电极阵列；组成辅助电极阵列的辅助电极间的距离优选为30～80μm；所述辅助电极的直径优选为20～50μm；所述辅助电极的高度优选为30～80μm，更优选为40～70μm，更优选为50～60μm；所述辅助电极包括内至外依次设置的硅基微柱、钛层与铂层；所述钛层的厚度优选为5～20nm，更优选为10～15nm，其作用为粘结层；所述铂层的厚度优选为50～200nm，更优选为80～150nm，再优选为100～120nm；组成辅助电极阵列的辅助电极间通过硅层、钛层与铂层相连接，且与辅助电极的硅基微柱、钛层及铂层呈一体化设置；所述硅层的厚度优选为200～500μm，更优选为250～400μm，再优选为260～300μm，最优选为285±10μm。

所述参比电极组成参比电极阵列；组成参比电极阵列的参比电极间的距离优选为30～80μm；所述参比电极的直径优选为20～50μm；所述参比电极的高度优选为30～80μm，更优选为40～70μm，更优选为50～60μm；所述参比电极包括由内之外依次设置的硅基微柱、银层与氯化银层；所述银层的厚度优选为300～600nm，更优选为400～600nm，再优选为500nm；所述氯化银层的厚度优选为300～600nm，更优选为400～600nm，再优选为500nm；组成参比电极阵列的参比电极间通过硅层、银层及氯化银层相连接，且与参比电极的硅基微柱、银层及氯化银层呈一体化设置。

在本实用新型中，所述工作电极阵列、辅助电极与参比电极之间优选通过硅层相连接；所述硅层的厚度优选为200～500μm，更优选为250～400μm，再优选为260～300μm，最优选为285±10μm；更优选地，在本实用新型中所述工作电极间、辅助电极间、参比电极间、工作电极阵列、辅助电极及参比电极之间的硅层呈一体化设置。

本实用新型设置有工作电极阵列，通过阵列电极上的葡萄糖氧化酶与汗液中的葡萄糖反应，可实现对汗液中葡萄糖浓度的连续监测，真正实现无创检测，并且采用微柱阵列可存储汗液，达到均一监测的目的，另外微柱阵列与柔性基底同时作用，不仅可减少汗液用量、增大检测面积，还可更好地贴合皮肤表面，提高了检测的精确度，在无创血糖检测领域有较好的实用价值。

进一步地，本实用新型在柔性基底上设置有工作电极阵列、辅助电极阵列与参比电极阵列，采用微柱阵列形式的三个电极制成电化学传感器，可以起到减少汗液使用和均一性检测的作用，提高检测的精确度，再利用普鲁士蓝反应灵敏的特性将微柱阵列形式的三个电极配合柔性基底完整贴合于人体皮肤表面，就可在少量汗液中进行血糖电化学反应。

本实用新型还提供了上述一种用于汗液葡萄糖检测的装置的制备方法，包括：S1)制备微柱电极：通过在硅片上旋涂光刻胶，然后使用光刻、干法刻蚀以及物理气相沉积的方法在硅片表面制备出工作电极阵列、参比电极及辅助电极；S2)在工作电极表面使用电化学的方法修饰普鲁士蓝，然后电镀掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖；S3)将三个电极转移至柔性基底上，得到用于汗液葡萄糖检测的装置。

本实用新型对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。

在硅片上旋涂光刻胶后，优选使用电感耦合等离子体刻蚀设备的Bosch工艺进行深硅刻蚀，得到微柱电极；然后优选使用磁控溅射在微柱表面沉积金属钛、铂或者银与氯化银，得到工作电极、辅助电极及参比电极。

在工作电极表面使用电化学的方法修饰普鲁士蓝，然后电镀掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖后，优选将三个电极的背面与柔性基底表面进行氧等离子体处理，然后键合，优选在2分钟内键合。

为了进一步说明本实用新型，以下结合实施例对本实用新型提供的一种用于汗液葡萄糖检测的装置进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售。

实施例1

首先在电阻率较大的硅片上使用匀胶机甩出一层厚度均匀的正性光刻胶S1813，然后使用紫外光刻机进行曝光，显影坚膜后完成光刻图形化步骤。然后使用电感耦合等离子刻蚀(ICP)设备进行深硅刻蚀，采用Bosch工艺，刻蚀4s，聚合物沉积7s，所用的反应气体为SF₆和C₄F₈。刻蚀结束后使用丙酮溶液浸泡去除剩余的光刻胶掩膜。最后使用磁控溅射设备沉积10nm的钛和100nm的铂作为电极，其中钛为粘附层，工作电极与辅助电极图示如图2，其中1为柔性基底，2为硅层，3为硅基微柱，4为钛层与铂层，5为普鲁士蓝层，6为掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层；使用相同的做法可以制备出银/氯化银电极，如图3所示，其中4为银层与氯化银层。

之后进行铂微柱工作电极表面的清洗、电化学修饰稳定普鲁士蓝。将铂微柱电极上的杂质清洗干净，再将铂微柱电极放在普鲁士蓝沉积液中以三电极恒电位法在沉积240s，使生成的普鲁士蓝完全包覆电极。辅助电极也为铂微柱电极，参比电极为银/氯化银微柱电极。

为了使沉积上的普鲁士蓝保持稳定状态，将沉积完普鲁士蓝的铂微柱工作电极放入盐酸和氯化钾的混合溶液中使用循环伏安法使其稳定。然后用纯水浸泡清洗后取出，在热板烘烤1h。

然后将铂微柱工作电极放入磷酸缓冲液中先以三电极恒电位法反应600s，再用循环伏安法进行电极的活化步骤。为了使电镀的普鲁士蓝不易脱落从而延长电极寿命，在电极上电镀掺有葡萄糖氧化酶的壳聚糖，然后自然晾干。

最后将铂微柱工作电极、铂微柱配套电极以及银/氯化银参考电极集成在PDMS柔性基底上，完成整个传感器的制作，得到用于汗液葡萄糖检测的装置。

Claims

1.一种用于汗液葡萄糖检测的装置，其特征在于，包括：

柔性基底；

设置在柔性基底上的工作电极阵列、辅助电极与参比电极；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作电极间通过硅层、钛层、铂层、普鲁士蓝层及掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层相连接，且与工作电极的硅基微柱、钛层、铂层、普鲁士蓝层及掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层呈一体化设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作电极的高度为30～80μm；所述工作电极的直径为20～50μm；所述工作电极阵列中工作电极的距离为30～80μm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钛层的厚度为5～20nm；所述铂层的厚度为50～200nm；所述普鲁士蓝层的厚度为50～200nm；所述掺杂有葡萄糖氧化酶的壳聚糖层的厚度为1～10μm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助电极组成辅助电极阵列；所述辅助电极包括由内至外依次设置的硅基微柱、钛层与铂层；组成辅助电极阵列的辅助电极间通过硅层、钛层与铂层相连接，且与辅助电极的硅基微柱、钛层及铂层呈一体化设置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述工作电极与辅助电极通过硅层相连接，且工作电极表面的钛层及铂层与辅助电极表面的钛层及铂层不连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参比电极组成参比电极阵列；所述参比电极包括由内之外依次设置的硅基微柱、银层与氯化银层；组成参比电极阵列的参比电极间通过硅层、银层及氯化银层相连接，且与参比电极的硅基微柱、银层及氯化银层呈一体化设置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述参比电极与工作电极通过硅层相连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷基底。