一种非介入式葡萄糖传感器的制作方法

专利名称：一种非介入式葡萄糖传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种用于检测体液中的葡萄糖水平的非介入式葡萄糖传感器。
背景技术：
薄膜晶体管已经被认为是用于高度灵敏的一次性生物传感器的优秀换能器(transducer)。由于基于有机薄膜晶体管(OTFT)的传感器制造容易且成本低，近来已经引起极大关注。有机电化学晶体管(OECT)是引起关注的ー类0TFT，并且由于其工作电压低、结构简单以及具有对生物应用来说至关重要的在水相环境中工作的能力而为传感器的应用受到了广泛研究。在1984年报道了首个基于聚吡咯的0ECT，这是OTFT领域中的新方向。从那以后，研究了基于若干不同导电聚合物的0ECT，并且OECT已经表现出了化学和生物感测的广泛应用，包括湿度传感器、PH和离子传感器、葡萄糖传感器和基于细胞的生物传 感器。导电聚合物PED0T:PSS由于其高导电性和溶液处理性而在有机电子装置(包括有机太阳能电池、有机发光二极管和0TFT)中具有非常重要的应用。近来，PED0T:PSS已经成功地用作OECT的活性层，并且这种装置由于其生物兼容性和在水相环境中的稳定性而在各种应用中特别是在生物传感器应用中表现出了优异的性能。在糖尿病诊断中非常期望高度灵敏的葡萄糖传感器。已经报道了在葡萄糖传感器中应用基于PEDOT:PSS的OECT。对于这些传感器来说，在测量过程中将酶(葡萄糖氧化酶)和葡萄糖一起混合在水溶液中，而不对OECT的栅极和活性层进行任何表面改性。这种类型的葡萄糖传感器的检测极限为大约几个μ M，其灵敏度足以用来測量人体唾液中的葡萄糖水平。因此，这些装置的应用成本较低，并且可以进行非介入式血液葡萄糖监测。

发明内容
在本发明的第一方面，提供了ー种用于检测体液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖传感器，所述传感器包括具有栅电极的有机电化学晶体管(OECT)；其中，所述栅电极的表面使用酶和纳米材料进行改性以增加所述栅电极的敏感性和选择性。所述栅电极可以是Pt栅电扱。所述酶可以是葡萄糖氧化酶(GOx)。所述纳米材料可以是选自由多壁碳纳米管(MWCNT)和钼纳米颗粒(Pt-NP)组成的组中的任意ー种。所述体液可以是选自由唾液、组织液、汗液和房水组成的组中的任意ー种。所述栅电极可以由 MWCNT-CHIΤ/GOx/Pt 或 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 组成。在第二方面，提供了一种制造用于检测体液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖传感器的方法，所述方法包括将葡萄糖氧化酶(GOx)磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液滴涂在基板的表面上以形成GOx/Pt电极；和在所述GOx PBS溶液在所述基板的所述表面上干燥以后，将纳米材料脱こ酰壳多糖(CHIT)杂化(hybrid)水溶液滴涂在所述GOx/Pt电极的表面上。在本发明的第三方面，提供了用于检测体液中的葡萄糖的量的方法，所述方法包括
通过葡萄糖氧化酶(GOx)对D-葡萄糖进行生物催化以生成过氧化氢(H2O2)和D-葡萄糖酸-1，5-内酷；在栅电极的表面处对所生成的H2O2进行电氧化；其中，所述栅电极的所述表面使用酶和纳米材料进行改性。在第四方面，提供了一种用于非侵入式葡萄糖传感器的栅电极，所述栅电极包括使用酶和纳米材料进行改性以提高所述栅电极的敏感性和选择性的表面。本发明通过使用酶和纳米材料对OECT的栅电极进行改性来提供ー种新型的基于OECT的葡萄糖传感器。所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)并且所述纳米材料包括碳纳米管(CNT)或钼纳米颗粒(Pt-NP)。这样的传感器在装置性能方面显示出显著的改进。而且，在使用这样的传感器的时候，不需要如现有技术所要求的那样向葡萄糖溶液中添加酶，这将更加方便于实际使用。CNT已经广泛应用于很多类型的传感器中。CNT由于其具有纳米尺寸、良好的电子催化性能以及对生物分子固定容量，因此对用于生物传感器和纳米生物电子学的纳米结构电极的总体效果极为重要。Pt-NP由于具有良好的生物相容性和巨大的表面积，因此作为用于酶固定的基质非常有效。Pt-NP提高了固定效率并保持了 GOx的生物活性，因此显著增强了传感器的选择性。而且，Pt-NP对过氧化氢(H2O2)具有优异的电催化活性，而过氧化氢对基于H2O2检测的葡萄糖传感器是关键的。用于对酶电极进行改性的另ー种重要材料是脱こ酰壳多糖(CHIT)，其是ー种生物相容性聚合物基质。CHIT展示出良好的成膜能力、高的透水性和对化学改性的易感性，能够非共价地与CNT结合从而形成生物相容性碳纳米管杂化水性悬浮液。CNT或Pt-NP与CHIT的结合已经被用于改善基于OECT的葡萄糖传感器的性倉^:。在本发明中，在固定GOx之前，使用多壁碳纳米管(MWCNT)-CHIT杂化物和电子沉积Pt-NP来对Pt电极的表面进行改性。然后，使用MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt和CHIT/G0x/Pt_NP/Pt电极作为基于PEDOT:PSS的OECT的栅电极。有利的是，通过使用这些栅电极可以极大地提高装置的敏感性，并且与现有的栅电极相比，检测极限扩大了超过三个量级。


现在将參照附图描述本发明的实施例，在附图中图I是基于PED0T:PSS的OECT葡萄糖传感器的装置结构(上面)和通过基于PEDOT:PSS的OECT对葡萄糖进行的测定中包括的生物催化反应循环(下面)的示意图；图2 是 MWCNT 的 TEM 图像；图3是Pt基板的扫描电子显微镜(SEM)图像的TEM图像；图4是Pt-NP改性的Pt电极的TEM图像，其中Pt-NP的电沉积时间为30秒；
图5是Pt-NP改性的Pt电极的TEM图像，其中Pt-NP的电沉积时间为60秒；图6是Pt-NP改性的Pt电极的TEM图像，其中Pt-NP的电沉积时间为90秒；
图7是Pt-NP改性的Pt电极的TEM图像，其中Pt-NP的电沉积时间为120秒；图8是一曲线图，该曲线图描绘了在含有5mM[Fe(CN)6]3_/4_的氧化还原探测剂(redox probe)的 PBS(pH7. 2)溶液中测量的 MWCNT-CHIT/Pt (I)，Pt-NP/Pt (II)和 Pt(III)电极的循环伏安图，并且CV扫描率为δΟπιν^Γ1，Pt-NP的沉积时间为60秒；
图9是描绘出了在PBS溶液中以不同频率表征的三个电极的表面电容的曲线图，其中每个电极的面积为O. 25cm2 ；图10是描绘了增加MWCNT-CHIT杂化悬浮液的体积的影响的曲线图；图11 是描绘了 使用 MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt 和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 栅电极的情况下Pt-NP电子沉积时间对针对葡萄糖添加的经归ー化的电流响应的影响的曲线图，其中葡萄糖浓度为(A)，I μ M ; (B)，0. 05 μ M并且所施加的Vg为O. 4V ;图12 是描绘了 使用 MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt ⑷和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt ⑶栅电极的情况下所施加的栅电压(\)对针对葡萄糖添加(葡萄糖的浓度为100 μ M)的经归ー化的电流响应的影响的曲线图；图13 是描绘了使用 MWCNT-CHIT/G0x/Pt (A)和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt (B)栅电极的情况下所施加的栅电压(\)对针对葡萄糖添加(葡萄糖的浓度为0.5 μ M)的经归ー化的电流响应的影响的曲线图；图14是描绘了使用MWCNT-CHIT/Pt和Pt (插图)的PEDOT:PSS装置的典型Id与时间曲线的曲线图，其中Pt-NP/Pt栅电极响应在PBS(pH7. 2)溶液中的H202。Ve固定为0. 4V。H2O2 添カロ :a 至 e 0. I μ M、I μ Μ、5 μ M、10 μ M 和 100 μ M ;图15是描绘了使用MWCNT-CHIT/Pt和Pt (插图)的PEDOT:PSS装置的典型Id与时间曲线的曲线图，其中Pt-NP/Pt栅电极响应在PBS(pH7. 2)溶液中的H202。Ve固定为0. 4V。H2O2 添加:a 至 e 0. 005 μ Μ、0· 05 μ Μ、0· 5 μ Μ、5 μ M 和 10 μ M ;图16 是描绘针对 Pt (线 I) ,MWCNT-CHIT/Pt (线 II)和 Pt-NP/Pt (线 III)，Λ Vgeff对log[H202]的浓度的相关性的曲线图。图17是描绘使用MWCNT-CHIT/G0x/Pt栅电极的PEDOT: PSS装置的典型Id与Ve曲线的曲线图，其中所述装置在空白⑴和100 μ M葡萄糖(II)PBS(pH7. 2)溶液中表征。图18是描绘使用MWCNT-CHIT/G0x/Pt栅电极并添加葡萄糖(a至e :0. 5 μ M、I μ M、10 μ Μ、100 μ M和ImM)的PEDOT:PSS装置的典型Id与时间曲线的曲线图；图19是描绘使用CHIT/GOx/Pt-NP/Pt栅电极的PEDOT: PSS装置的典型Id与Vc曲线的曲线图，其中所述装置在空白⑴和100 μ M葡萄糖(II)PBS(pH7. 2)溶液中表征。图20是描绘使用CHIT/GOx/Pt-NP/Pt栅电极并添加葡萄糖(a至d :0. 005 μ Μ、0.054皿、0.54皿和5“皿)的PEDOT:PSS装置的典型Id与时间曲线的曲线图；图21是描绘使用CHIT/GOx/Pt栅电极的PED0T:PSS装置的典型Id与Ve曲线的曲线图，其中所述装置在空白(I)和100 μ M葡萄糖(II)PBS(pH7. 2)溶液中表征。图22是描绘使用CHIT/G0x/Pt栅电极并添加葡萄糖(a至e :0. 5 μ M、I μ M、10 μ M、100 μ M和ImM)的PEDOT:PSS装置的典型Id与时间曲线的曲线图；图23 是描绘针对 CHIT/GOx/Pt (线 I), MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt (线 II)和 CHIT/G0x/Pt-NP/Pt (线III)栅电极，Λ V/ff和经归ー化的电流响应的相关性的曲线图；图24 是描绘针对 CHIT/GOx/Pt (线 I), MWCNT-CHI Τ/GOx/Pt (线 II)和 CHIT/GOx/Pt-NP/Pt (线III)栅电极，AVgeff作为的函数的相关性的曲线图；图25是描绘MWCNT-CHIT/GOx/Pt电极针对葡萄糖添加的安培计响应的曲线图，葡萄糖添加如下a至f :1μΜ、10μΜ、20μΜ、40μΜ、100μΜ和200 μ Μ，并且所施加的电位为0. 4V(Ag/AgCl);和图26是描绘CHIT/GOx/Pt-NP/Pt (B)电极的安培计响应的曲线图，其中添加葡萄糖，葡萄糖添加如下a至h :0. 005,0. 05,0. 5、5、10、100、100和500 μ Μ，并且所施加的电位为 O. 4V(Ag/AgCl)。
具体实施方式
參考图1，提供了基于有机电化学晶体管(OECT)的具有PED0T:PSS 33的活化层的葡萄糖传感器。使用玻璃片30作为用于制造传感器10的基板。采用热蒸发通过阴影掩模在玻璃基板30的表面上沉积图案化Au/Cr源电极31和漏电极32。使用厚度为约5nm的Cr薄层作为用于厚度为约50nm的Au膜的粘合层。然后在玻璃基板的顶部旋涂厚度为约80nm的PED0T:PSS层33并在源电极31和漏电极32上图案化，再在200°C在充填高纯度N2的手套箱中退火I小吋。PED0T:PSS薄膜33能够使得装置10以低成本制造。OECT装置10的通道长度和宽度分别为0. 2mm和6mm。表观表面积为0. 20cm2的MWCNT-CHIT/G0x/Pt、CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 或 CHIT/GOx/Pt 电极用作 OECT 10 的栅电极 20。对于MWCNT-CHI T/GOx/Pt栅电极20A的制备，使用移液器在各Pt基板21的表面上滴涂体积为20 μ L的葡萄糖氧化酶(GOx)磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液并在4°C干燥。只有GOx被固定在栅电极20A上。为了保持所固定的GOx分子并改善酶电极的性能，在GOx/Pt电极的表面上滴涂10 μ L的MWCNT-CHIT杂化水性悬浮液。在CHIT膜22形成后，使用去离子水将MWCNT-CHI T/GOx/Pt栅电极20A彻底漂洗并在4°C保存以待后用。对于CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 栅电极 20B 的制备，首先在 5mM H2PtCl6+0. 05M HCl 水溶液中将Pt-NP电沉积在经漂洗的Pt基板21上。电沉积电位固定为-0. 3V(Ag/AgCl)，并且沉积时间分别选择为30秒、60秒、90秒和120秒。使用去离子水仔细漂洗后，使用针对MWCNT-CHI T/GOx/Pt栅电极20A所述的相同方法制造CHIT/GOx/Pt-NP/Pt栅电极20B。为了比较，还通过以上相同的程序制造了 CHIT/GOx/Pt栅电极20B。參考图1，0ECT装置10的特征在于使用在充填有PBS(pH 7. 2)的小杯中的半导体參数分析器。使用MWCNT-CHI T/GOx/Pt电极20A或CHIT/GOx/Pt-NP/Pt电极20B作为栅电极20。测量前，将这样制得的所有栅电极20浸入在PBS (pH7. 2)中15分钟以去除多余的残留物。在固定的VD = -0.2V和恒定栅电压或可变的不同栅电压对OECT装置10进行检測。在图I中显示了通过基于PED0T:PSS的OECT进行的葡萄糖測定的工作原理。所添加的D-葡萄糖被GOx所生物催化并反应生成H2O2和D-葡萄糖酸-1，5-内酷。同时，所生成的H2O2在栅电极20处被电氧化。使用CHI660B电化学工作站在被搅拌的PBS (pH7. 2)溶液中表征不同栅电极20的电化学性能。测量时，分别使用Pt箔和Ag/AgCl电极作为反电极和參比电极。所有实验都是在室温进行。通过在含有5mM[Fe(CN)6]3_/4_氧化还原探测剂的PBS(pH7. 2)中通过循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)研究 MWCNT-CHIT/Pt 栅电极 20A 和 Pt-NP/Pt 栅电极 20B，所述探测剂通常用来表征电极20A、20B的表面特征。在PBS中的电极20A、20B的表面电容的特征在于在O. IHz的频率使用具有标准三电极系统的电阻分析器。所施加的交流信号(ac signal)的幅度为50mV。图2显示了 MWCNT和Pt-NP的形态。MWCNT的直径为IOnm至40nm。Pt-NP成功地电沉积在Pt基板的表面上，分布相对均匀。Pt-NP的平均尺寸为约100nm(图4，沉积时间为30s (秒))。采用较长的60秒的沉积时间，Pt-NP的尺寸没有明显的变化，但是颗粒密度増加(图4)。进ー步延长沉积时间，导致Pt-NP生长成片料(图5至7)。图8显示了具有相同尺寸的MWCNT-CHIT/Pt栅电极20A (线I)、Pt-NP/Pt栅电极20B(线II)和Pt栅电极(线III)的电化学性能。前两个栅电极20A、20B具有非常相似的氧化还原电流密度，而第三个栅电极显示出较低的值，表明MWCNT-CHIT/Pt栅电极20A和Pt-NP/Pt栅电极20B比Pt扁平电极具有较大的活性表面积。图9显示了这三种电极在PBS 溶液在零偏压表征的电容。由于在低频率(小于IHz)的电容大致与电极的表面积成比例，因此Pt-NP/Pt栅电极20B的表面积大约为其几何尺寸的两倍，而MWCNT-CHIT/Pt栅电极20A的表面积大约为几何尺寸的50倍。OECT 10的作为栅电压Ve的函数的通道电流Ids由如下方程得到
权利要求
1.一种用于检测体液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖传感器，所述传感器包括 具有栅电极的有机电化学晶体管(OECT)； 其中，所述栅电极的表面使用酶和纳米材料进行改性以增加所述栅电极的敏感性和选择性。
2.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述栅电极可以是Pt栅电极。
3.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)。
4.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述纳米材料是选自由多壁碳纳米管(MWCNT)和钼纳米颗粒(Pt-NP)组成的组中的任意一种。
5.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述体液是选自由唾液、组织液、汗液和房水组成的组中的任意一种。
6.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述栅电极由MWCNT-CHIT/GOx/Pt或CHIT/GOx/Pt-NP/Pt 构成。
7.—种制造用于检测体液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖传感器的方法，所述方法包括 将葡萄糖氧化酶(GOx)磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液滴涂在基板的表面上以形成GOx/Pt电极；和 在所述GOx PBS溶液在所述基板的所述表面上干燥以后，将纳米材料脱乙酰壳多糖(CHIT)杂化水溶液滴涂在所述GOx/Pt电极的表面上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述纳米材料是选自由多壁碳纳米管(MWCNT)和钼纳米颗粒(Pt-NP)组成的组中的任意一种。
9.一种检测体液中的葡萄糖的量的方法，所述方法包括 通过葡萄糖氧化酶(GOx)对D-葡萄糖进行生物催化以生成过氧化氢(H2O2)和D-葡萄糖酸-1，5-内酯； 在栅电极的表面对所生成的H2O2进行电氧化； 其中，所述栅电极的所述表面使用酶和纳米材料进行改性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述纳米材料是选自由多壁碳纳米管(MWCNT)和钼纳米颗粒(Pt-NP)组成的组中的任意一种。
12.一种用于非侵入式葡萄糖传感器的栅电极，所述栅电极包括 使用酶和纳米材料进行改性以提高所述栅电极的敏感性和选择性的表面。
13.根据权利要求12所述的栅电极，其中，所述酶是葡萄糖氧化酶(GOx)。
14.根据权利要求12所述的栅电极，其中，所述纳米材料是选自由多壁碳纳米管(MWCNT)和钼纳米颗粒(Pt-NP)组成的组中的任意一种。
15.根据权利要求12所述的栅电极，其中，所述栅电极由MWCNT-CHIT/GOx/Pt或CHIT/G0x/Pt-NP/Pt 构成。
全文摘要
一种用于检测体液中的葡萄糖的量的非侵入式葡萄糖传感器(10)，所述传感器包括具有栅电极(20)的有机电化学晶体管(OECT)；其中，所述栅电极(20)的表面使用酶和纳米材料进行改性以增加所述栅电极(20)的敏感性和选择性。
文档编号G01N27/327GK102735734SQ20121008882
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者严锋, 唐浩, 陈王丽华 申请人:香港理工大学