CN217332281U - 基于三维碳墙的生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于三维碳墙的生物传感器，包括柔性衬底、三维碳墙传感器阵列、绝缘层及电极接口；其中，所述三维碳墙传感器阵列覆盖有修饰层，所述修饰层包括导电层或检测溶液层；所述三维碳墙传感器阵列与所述电极接口通过连接线连接，所述三维碳墙传感器阵列及所述电极接口设置在所述柔性衬底上，所述绝缘层覆盖所述三维碳墙传感器阵列与所述电极接口的连接线。本实用新型实施例在保护伤口的同时，实现对多个健康指标的连续检测，灵敏度高，成本低，可广泛应用于传感器技术领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于三维碳墙的生物传感器。
背景技术
溃烂伤口的恢复时间大于12周并且容易受到感染，如果伤口感染后得不到有效的控制将会面临截肢的风险。溃烂伤口渗出液中包含了伤口局部区域的健康指标信息，对其进行持续监测分析可以及时有效地了解并掌握溃烂伤口的感染状态与变化，为后续的溃烂伤口处理提供基础。因此，实时并连续地监测伤口的状态与健康指标，是处理慢性溃烂伤口问题的重点。
目前，用于包扎溃烂伤口的绷带还是由传统纱布制成的，只起到了覆盖伤口的作用，并且，在更换绷带时，还容易与伤口皮肤发生粘黏，增大伤口的面积，延缓了溃烂伤口的愈合进度。在这种被动的护理策略下，很难根据实时的伤口状态制定合适的治疗方案。大多数情况下，如要检测溃烂伤口的健康指标，需要一定体积的伤口渗出液，而且需要专业人员借助大型的生化分析诊断仪器进行健康指标分析，样本分析时间较长，并且检测费用较高，难以获取实时的健康指标信息以掌握伤口状态。另外，传感器组成材料决定了传感器的灵敏度有限。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例的目的是提供一种基于三维碳墙的生物传感器，在保护伤口的同时，实现对多个健康指标的连续检测，灵敏度高，成本低。
本实用新型实施例提供一种基于三维碳墙的生物传感器，包括柔性衬底、三维碳墙传感器阵列、绝缘层及电极接口；其中，所述三维碳墙传感器阵列覆盖有修饰层，所述修饰层包括导电层或检测溶液层；所述三维碳墙传感器阵列与所述电极接口通过连接线连接，所述三维碳墙传感器阵列及所述电极接口设置在所述柔性衬底上，所述绝缘层覆盖所述三维碳墙传感器阵列与所述电极接口的连接线。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列的形状为规则形状。
可选地，所述规则形状包括正方形、长方形或圆形中的任意一种。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列设置在所述柔性衬底的中间位置。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列包括若干个传感体系，每个传感体系包括参比电极、对电极及工作电极，每个传感体系中的参比电极和对电极的位置靠近工作电极。
可选地，所述导电层包括铂、金或银中的任意一种。
可选地，所述柔性衬底的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列由等离子体增强化学气相沉积法制备。
实施本实用新型实施例包括以下有益效果：本实施例通过在柔性衬底上设置三维碳墙传感器阵列、绝缘层及电极接口，三维碳墙传感器阵列覆盖有导电层或检测溶液层，绝缘层覆盖三维碳墙传感器阵列与电极接口的连接线，三维碳墙传感器阵列检测的健康指标通过电极接口连接外部显示设备；从而实现在保护伤口的同时，对多个健康指标的连续检测，灵敏度高，成本低。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种基于三维碳墙的生物传感器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种三维碳墙的SEM图；
图3是本实用新型实施例提供的一种基于三维碳墙的生物传感器测试葡萄糖浓度的I-T测试曲线；
图4是本实用新型实施例提供的一种基于三维碳墙的生物传感器测试钾离子浓度的测试曲线；
图5是本实用新型实施例提供的一种基于三维碳墙的生物传感器测试钠离子浓度的测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
电化学生物传感器的检测主要是将生物体的某些敏感生物元素(如组织、抗体等)与传感器件上面的特异性物质相结合，通过传感器或者探测器件实现将一种信号转换成另一种信号(如光学信号、电信号等)，之后通过相关电路将检测数据进行直观显示，从而达到对目标检测物的量化分析。因此可以用于检测人体健康指标，如葡萄糖、乳酸、钠离子等等。生物识别成分和转换成分构成了电化学生物传感器，其中识别元件是任何传感器的基本组成部分。由于识别元件的存在，传感器可以选择性地对大量物质中的一种或者几种作出响应。电化学生物传感器的转换器部分则负责对生物层和被分析物之间的反应引起的变化转换成电、光、热等信号，之后再利用相关的电子仪器如光敏器件、热敏器件对该信号进行测量。电化学生物传感器种类很多，根据检测过程中信号转换类型可以分为电位型电化学生物传感器、电流型电化学生物传感器以及阻抗型电化学生物传感器。电位型电化学生物传感器一般由两电极体系组成，包含对待测离子具有特异选择性的电极作为检测待测物质电化学响应信号的工作电极，和电势始终保持恒定的参比电极，电位型电化学生物传感器检测的是电极表面发生吸附的电压差信号，可以用于分析相应的离子种类以及离子浓度的变化情况，如钠离子、钾离子以及钙离子等等。电流型电化学生物传感器向反应溶液体系中输出特定规律的电势信号，监测电催化条件下的目标分析物在反应体系中氧化还原反应引起的电流信号变化，这些信号变化间接地反映了监测的待测物质的变化，由此可以分析出待测目标物的浓度信息。电流型电化学生物传感器一般可用于葡萄糖、尿酸、乳酸等等健康指标的测量。阻抗型电化学生物传感器通过检测电化学传感电极表面或待测溶液的电阻抗来评估待测物质的浓度和特性，溶液的电阻抗与溶液中离子数目和离子所带电荷数有关。
柔性贴片具有舒适度高、柔性等优势，可以覆盖在糖尿病溃烂伤口上，保护创面，与传统纱布绷带相比，还不易与伤口发生粘连，柔性贴片可为伤口的愈合提供良好的环境。用于检测人体健康指标的传感器性能主要取决于两个因素：高效的电子转移速率和优良的催化材料。
三维碳墙的稳定结构使得它具有优异的电学性能。三维碳墙的电子迁移比较稳定，不会受到原子掺杂等原因的影响而发生散射。由于原子间的强作用力，在常温下，即使原子周围发生碰撞，三维碳墙的电子也不会受到很大的干扰。三维碳墙中电子的迁移速度非常快，达到了光速的1/300，室温下其电子迁移率高达15000cm2/(V·s)，这是目前常见的导体远不能及的。同时，三维碳墙具有良好的导热性，导热率为3000W/(m·k)。除此之外，理想的三维碳墙具有超大的比表面积，其理论比表面积高达2600m2/g，而改性后的三维碳墙的实际比表面积能够达到3100m2/g，大大超过了目前应用于电化学中的活性炭的比表面积。三维碳墙导电性优异、电子迁移率高、比表面积大，并且三维碳墙的原子厚度的晶体结构，使得每个原子都在表面上，对外界分子的电响应极其灵敏。三维碳墙作为传感材料，有效地增大了电化学传感电极的比表面积和界面电子输运速度，各种生物分子和金属蛋白在三维碳墙表面能保持原有的结构完整性和生物活性，并且能够提高传感信号的信噪比，从而提高电化学传感检测的灵敏度。三维碳墙易于被掺杂以及化学改性，更容易接受功能团，比如羧基离子的植入可使三维碳墙表面具有活性功能团，大幅度提高材料的细胞和生物反应活性，非常适用于生物传感器。
如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于三维碳墙的生物传感器，包括柔性衬底1-1、三维碳墙传感器阵列1-2和1-3、绝缘层1-5及电极接口1-4；其中，所述三维碳墙传感器阵列1-2和1-3覆盖有修饰层，所述修饰层包括导电层或检测溶液层，1-2表示修饰层为检测溶液层的三维碳墙传感器，1-3表示修饰层为导电层的三维碳墙传感器；所述三维碳墙传感器阵列1-2和1-3均与所述电极接口1-4通过连接线连接，所述三维碳墙传感器阵列1-2和1-3及所述电极接口1-4设置在所述柔性衬底1-1上，所述绝缘层1-5覆盖所述三维碳墙传感器阵列1-2和1-3与所述电极接口1-4的连接线。
本领域技术人员可以理解的是，柔性衬底表面平滑，在较宽的温度范围内仍具有优秀的力学机械性能，并且具有耐疲劳性、耐摩擦性和长期稳定性，覆盖于溃烂伤口上起到保护创面的作用，除此之外，柔性衬底也用作检测多个健康指标的电化学生物传感器的载体。
需要说明的是，三维碳墙传感器阵列中三维碳墙电极的数量根据实际情况确定，本实施例不做具体限制。
可选地，所述导电层包括铂、金或银中的任意一种。
可选地，所述柔性衬底的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列由等离子体增强化学气相沉积法制备。
目前，制备三维碳墙材料的常见方法主要有机械剥离法、氧化还原法、SiO2外延生长法、和化学气相沉积法(CVD)等。机械剥离法主要通过剥离厚度薄并且容易剥落的石墨来获得石墨烯，在SiO2等基底上外延生长的石墨烯虽然能够获得高质量少缺陷的石墨烯，但是该法设备昂贵并且仅能制备小尺寸石墨烯。氧化还原法制备的三维碳墙材料质量较低。
需要说明的是，通过等离子体增强气相沉积法(MECVD)制备的三维碳墙由于其超大的比表面积、高电子迁移率等特性而表现出了更好的电化学特性，利用三维碳墙材料修饰的智能绷带传感器具有更高的灵敏度和更好的稳定性。
在一个具体的实施例中，三维碳墙传感器阵列包括8个三维碳墙传感电极，通过等离子体增强气相沉积法(MECVD)在导电碳纤维纸上生长三维碳墙并利用热压机将其封装在柔性PET(苯二甲酸乙二醇酯)上的8个圆形孔洞制作而成，三维碳墙传感电极可有效地传输电子，提高了电化学生物传感器的电化学特性。修饰检测层指的是利用不同化学材料以及不同方法覆盖于三维碳墙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，在三维碳墙传感电极上沉积Pt和Ag，形成修饰检测层便会成为参与电化学响应的对电极和参比电极，在三维碳墙传感电极上涂覆上特定的混合溶液形成修饰检测层，便成为可检测不同健康指标的工作电极(如葡萄糖、尿酸、钠离子等)。三维碳墙电极阵列与修饰检测层共同构成电化学生物传感器阵列。绝缘层为PET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8根金电极，分别连接8个三维碳墙传感电极，将电极上产生的响应信号传递给下一级系统进行处理。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列的形状为规则形状。
可选地，所述规则形状包括正方形、长方形或圆形中的任意一种。
需要说明的是，三维碳墙传感器阵列的形状根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。在一个具体的实施例中，三维碳墙传感器阵列为直径为3mm的圆形形状，但不仅限于圆形，可设计为尺寸大小相同的正方形或长方形。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列设置在所述柔性衬底的中间位置。
可选地，所述三维碳墙传感器阵列包括若干个传感体系，每个传感体系包括参比电极、对电极及工作电极，每个传感体系中的参比电极和对电极的位置靠近工作电极。
需要说明的是，三维碳墙电极阵列位置分布应尽量集中在柔性PET衬底中间，使得柔性PET衬底覆盖于溃烂伤口上时传感器的位置能够靠近溃烂伤口中间，实现更好的传感检测；在三维碳墙传感器阵列中起到工作电极作用的三维碳墙电极为使修饰检测层能均匀覆盖在电极上，应尽量设计为规则形状(如圆形、方形)；起到参比电极和对电极作用的三维碳墙电极形状不受太大限制。
在一个具体的实施例中，共修饰了两个用作参比电极和一个用作对电极的三维碳墙电极，其中一个参比电极与对电极与检测葡萄糖、乳酸、胆固醇的工作电极组成一个传感体系，应使该体系中的参比电极和对电极位置靠近该体系中的工作电极，剩余一个参比电极与检测钠离子、钾离子、钙离子和pH的工作电极组成一个传感体系，应使该参比电极位置靠近该体系中的工作电极。
实施本实用新型实施例包括以下有益效果：本实施例通过在柔性衬底上设置三维碳墙传感器阵列、绝缘层及电极接口，三维碳墙传感器阵列覆盖有导电层或检测溶液层，绝缘层覆盖三维碳墙传感器阵列与电极接口的连接线，三维碳墙传感器阵列检测的健康指标通过电极接口连接外部显示设备；从而实现在保护伤口的同时，对多个健康指标的连续检测，灵敏度高，成本低。
下面以一个具体实施例对本申请中基于三维碳墙的生物传感器的制备过程进行说明。
步骤一、使用磁控溅射技术在柔性PET衬底上沉积金得到图案化电极接口。柔性PET衬底中包括8个直径为3mm的圆形孔洞，以及磁控溅射后形成的8根电极接口。
步骤二、选择导电碳纤维纸为底物，彻底清洗后进行预处理：将衬底置入真空腔抽真空，加热至一定温度，通入H2和Ar，调节射频功率和衬底电压产生等离子体，反应去除衬底表面污染物，增强反应活性。预处理后通入CH4和H2混合气体，增加射频功率和衬底电压，反应一定时间生长三维碳墙，经降温冷却得到三维碳墙样品，如图2所示，图2为利用等离子体增强化学气相沉积法制备的三维碳墙样品放大20000倍的SEM图。
步骤三、将于导电碳纤维纸上生长的三维碳墙样品分割为8个直径为3mm的圆形图案，利用热压机将三维碳墙传感电极封装于柔性PET衬底的8个圆形孔洞上。
步骤四、取其中一个三维碳墙传感电极使用磁控溅射技术沉积Pt，形成对电极。取其中两个三维碳墙传感电极使用磁控溅射技术沉积Ag，随后，将PVB溶液涂覆于其中一个沉积了Ag的电极上，形成两个参比电极。
步骤五、对三维碳墙传感电极进行修饰形成可检测多健康指标的工作电极。将葡萄糖酶、戊二醛、牛血清蛋白混合溶液滴涂于电极上，晾干后形成可检测葡萄糖的工作电极。将乳酸醇氧化酶、戊二醛、牛血清蛋白混合溶液滴涂于电极上，晾干后形成可检测乳酸的工作电极。在660微升四氢呋喃中加入DOS(65.45％w/w)、Na-TFPB(0.55％w/w)、PVC(33％w/w)和100毫克的Na ionophore X(1％w/w)，充分混合溶解后得到钠离子选择性薄膜溶液，取10微升滴涂于电极上，晾干后形成可检测钠离子的工作电极。制备钾离子检测工作电极：将100mg的缬氨霉素(2％w/w)、NaTPB(0.5％w/w)、PVC(32.7％w/w)和DOS(64.7％w/w)的混合物充分溶解在350uL的环己酮中，得到钾离子选择性薄膜混合溶液，密封后于4℃保存。取30uL该溶液，滴涂于微针电极上形成钠离子选择性薄膜，干燥后得到钾离子检测工作电极。将100mg的ETH-129(0.46％w/w)、NaTFPB(0.48％w/w)、O-NPOE(66.04％w/w)和PVC(33.2％w/w)的混合物充分溶解于500uL的四氢呋喃中，得到钙离子选择性薄膜混合溶液，取30uL该溶液，滴涂于微针电极上形成钠离子选择性薄膜，待干燥得到钙离子检测工作电极。
步骤六、利用三维碳墙智能绷带传感器可实现对糖尿病溃烂伤口葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子、pH的多健康指标的连续监测。测试结果如图3-图5所示，图3表示葡萄糖浓度的I-T测试曲线，图4表示钾离子浓度的测试曲线，图5表示钠离子浓度的测试曲线。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种基于三维碳墙的生物传感器，其特征在于，包括柔性衬底、三维碳墙传感器阵列、绝缘层及电极接口；其中，所述三维碳墙传感器阵列覆盖有修饰层，所述修饰层包括导电层或检测溶液层；所述三维碳墙传感器阵列与所述电极接口通过连接线连接，所述三维碳墙传感器阵列及所述电极接口设置在所述柔性衬底上，所述绝缘层覆盖所述三维碳墙传感器阵列与所述电极接口的连接线。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述三维碳墙传感器阵列的形状为规则形状。
3.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，所述规则形状包括正方形、长方形或圆形中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述三维碳墙传感器阵列设置在所述柔性衬底的中间位置。
5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述三维碳墙传感器阵列包括若干个传感体系，每个传感体系包括参比电极、对电极及工作电极，每个传感体系中的参比电极和对电极的位置靠近工作电极。
6.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述导电层包括铂、金或银中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述柔性衬底的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
8.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述三维碳墙传感器阵列由等离子体增强化学气相沉积法制备。
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| CN202220384950.9U CN217332281U (zh) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | 基于三维碳墙的生物传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202220384950.9U CN217332281U (zh) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | 基于三维碳墙的生物传感器 |
Publications (1)
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| CN202220384950.9U Active CN217332281U (zh) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | 基于三维碳墙的生物传感器 |
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| CN (1) | CN217332281U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115462787A (zh) * | 2022-11-15 | 2022-12-13 | 北京深纳普思人工智能技术有限公司 | 基于微电极阵列的传感器 |
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2022
- 2022-02-24 CN CN202220384950.9U patent/CN217332281U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115462787A (zh) * | 2022-11-15 | 2022-12-13 | 北京深纳普思人工智能技术有限公司 | 基于微电极阵列的传感器 |
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