專(zhuān)利名稱(chēng)：基于碳納米管的針式生物傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物、醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集組件，尤其涉及一種可介入生物組織的基于碳納米管的針式生物傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)傳感器是以電信號(hào)為特征檢測(cè)對(duì)象，定性、定量檢測(cè)反應(yīng)物質(zhì)種類(lèi)及濃度的一種裝置。除了在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用外，電化學(xué)分析方法也廣泛地用于生物樣品的檢測(cè)，例如血液和尿液，作為診查疾病的一種手段。在對(duì)生物樣品進(jìn)行臨床分析時(shí)，采用的方法包括化學(xué)方法、光學(xué)方法、電學(xué)方法、核磁方法等，電化學(xué)方法是目前發(fā)展非常迅速的一種方法。
目前，臨床檢測(cè)上主要采用的取樣分析方法，是將病人的血液、尿夜、組織等樣品取樣后送至測(cè)試中心，通過(guò)使用大型分析儀器進(jìn)行定量或定性的檢測(cè)。由于取樣時(shí)間的不確定性，采集到的樣品中生物物質(zhì)的含量可能無(wú)法準(zhǔn)確反映病情，或無(wú)法反映病情變化的趨勢(shì)。因此，在線的、長(zhǎng)時(shí)間工作的檢測(cè)方法被普遍重視。而電化學(xué)傳感器是實(shí)現(xiàn)這種長(zhǎng)時(shí)間在線檢測(cè)的一種非常好的手段。
電化學(xué)傳感器的基本構(gòu)成元素是電極，電極所使用的材料的種類(lèi)非常多，但主要分為兩大類(lèi)金屬材料和非金屬材料。金屬材料中使用最多的是鉑和金，而非金屬材料中使用最多的是碳/石墨。特別是在生物傳感器中，很多應(yīng)用中需要將生物活性物質(zhì)固定在電極表面，而碳由于兼具導(dǎo)電性和易結(jié)合性，因此成為生物傳感器上使用最多電極材料。
以碳材料作為電極的生物傳感器所面臨的最大問(wèn)題是由于碳的導(dǎo)電性相對(duì)于金屬而言較弱，因此傳感器的響應(yīng)靈敏度較低，檢測(cè)范圍較小，在臨床應(yīng)用上受到限制。
碳納米管，一種發(fā)現(xiàn)于1991年的具有全新結(jié)構(gòu)的碳材料，由于具有超高的導(dǎo)電能力，同時(shí)又與傳統(tǒng)碳材料一樣，能夠非常好的固定化生物活性物質(zhì)(如酶)，因此被認(rèn)為將是傳統(tǒng)碳材料的最佳替代物，可用于制造生物傳感器電極。同時(shí)，由于碳納米管具有納米級(jí)的尺寸和超大的比表面積，通過(guò)對(duì)碳納米管的表面改性，能夠固定上大量的生物活性物質(zhì)，并能保持活性穩(wěn)定，因此碳納米管又是一種很好的生物固定化基材。
基于碳納米管上述兩個(gè)特性，本發(fā)明以碳納米管為電極材料制作新型的針式生物傳感器，用于埋入皮下組織中，長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)檢測(cè)體內(nèi)生物物質(zhì)含量的變化趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種定量測(cè)量體內(nèi)生物成分含量的電化學(xué)的基于碳納米管的針式生物傳感器及其制作方法。
它具有中空管，中空管內(nèi)設(shè)有正電極，中空管外設(shè)有負(fù)電極，中空管上端設(shè)有導(dǎo)電接口，并與正電極和負(fù)電極相連接。
所述的正電極以碳納米管作為導(dǎo)電材料，負(fù)電極以金屬作為導(dǎo)電材料。正電極由碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、生物活性物質(zhì)和粘合劑在中空管內(nèi)粘合而成。負(fù)電極為鉑金屬，鉑金屬層覆蓋在中空管外表面，在鉑金屬層表面復(fù)合有生物相容性高分子滲透膜層。中空管的材料為高分子材料、玻璃或陶瓷。正電極為一枚，負(fù)電極為相互并聯(lián)的二枚、三枚或四枚；負(fù)電極為一枚，正電極為相互并聯(lián)的二枚、三枚或四枚。生物活性物質(zhì)為酶。正電極和負(fù)電極共同封裝在中空管上，并通過(guò)與之相連的導(dǎo)電接口末端的正電極引線，第一負(fù)電極引線，第二負(fù)電極引線與外部檢測(cè)環(huán)境連接。
碳納米管針式生物傳感器的制作方法包括如下步驟1)將碳納米管∶導(dǎo)電石墨粉∶酶凍干粉按50∶50∶1至1∶1∶5的質(zhì)量比均勻混合；2)在上述混合粉末中加入粘合劑，攪拌均勻，成漿狀后，壓入中空管內(nèi)；3)將裝填完畢的中空管放入真空濺射設(shè)備中，在中空管的外表面濺射形成鉑金屬層，金屬層的厚度為100納米到1毫米；4)將導(dǎo)電接口封裝在上述中空管的一端，中空管上的正、負(fù)電極與導(dǎo)電接口上的引出線相連接。
本發(fā)明要解決傳統(tǒng)的電化學(xué)生物傳感器無(wú)法兼顧優(yōu)異的電子傳遞性能、催化性能和良好的生物活性物質(zhì)固定化能力的問(wèn)題，為此本發(fā)明提供一種新型材料構(gòu)建的電化學(xué)生物傳感器。
本發(fā)明中所使用的碳納米管經(jīng)過(guò)特殊的化學(xué)處理，表面被修飾了大量的活性基團(tuán)，如羥基、羧基、氨基等，能夠在一定的環(huán)境中與酶分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合，使酶分子牢固地結(jié)合在碳納米管表面，形成碳納米管-酶復(fù)合物。由于該種復(fù)合物特殊的結(jié)構(gòu)，使酶活性能夠長(zhǎng)期保持不變。由于介入式生物傳感器在長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)過(guò)程中需要保持檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定，因此上述的這種特性使本發(fā)明所述的生物傳感器具有非常優(yōu)異的穩(wěn)定性，非常適用于介入式檢測(cè)系統(tǒng)。
由于碳納米管具有獨(dú)特的表觀結(jié)構(gòu)，因此其導(dǎo)電性能非常優(yōu)異。本發(fā)明所述的傳感器，由于使用碳納米管作為主要導(dǎo)電材料，不僅能夠有效保持生物物質(zhì)的反應(yīng)活性和保藏周期，而且能夠明顯提高電極的導(dǎo)電能力和催化能力，使所述傳感器具有較好的線性檢測(cè)范圍和較高的檢測(cè)靈敏度。
當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于介入式檢測(cè)時(shí)，可采用柔性的生物相容性材料制作傳感器所使用的中空管，將碳納米管酶復(fù)合物壓合在管中作為正電極，同時(shí)將鉑以涂敷或?yàn)R射的方法在中空管的外表面形成薄層作為負(fù)電極，制成針式生物傳感器。此傳感器具有柔韌性，可植入到皮下固定，動(dòng)態(tài)檢測(cè)體內(nèi)某些生化參數(shù)的變化情況。由于傳感器的體積可以通過(guò)微加工技術(shù)做得非常微細(xì)，植入時(shí)造成的創(chuàng)傷很小。


圖1是基于碳納米管的針式生物傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的實(shí)施例3中的葡萄糖水溶液濃度/傳感器響應(yīng)電流關(guān)系曲線圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例4中的的24小時(shí)葡萄糖濃度/傳感器響應(yīng)電流關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，碳納米管針式生物傳感器具有中空管1，中空管內(nèi)設(shè)有正電極2，中空管外設(shè)有負(fù)電極3，中空管上端設(shè)有導(dǎo)電接口4，并與正電極和負(fù)電極相連接。
本發(fā)明由多個(gè)電極組合而成。正電極以碳納米管作為導(dǎo)電材料，負(fù)電極以金屬作為導(dǎo)電材料。正電極由碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、生物活性物質(zhì)和粘合劑按一定比例混合，在中空管內(nèi)粘合而成。負(fù)電極為鉑金屬，鉑金屬層覆蓋在中空管外表面，在鉑金屬層表面復(fù)合有生物相容性高分子滲透膜層。中空管的材料為高分子材料、玻璃或陶瓷。正負(fù)電極組裝在由生物相容材料制造的中空管中構(gòu)成微型針式生物傳感器。上面描述的針式傳感器能夠插入待測(cè)樣品中，在線檢測(cè)樣品中被測(cè)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。
本發(fā)明所述的碳納米管針式生物傳感器，由至少一個(gè)正電極和一個(gè)負(fù)電極構(gòu)成，正電極和負(fù)電極的上端連接有導(dǎo)電接口。所述的正電極和負(fù)電極共同封裝在一起，并通過(guò)與之相連的導(dǎo)電接口與外部檢測(cè)環(huán)境連接，導(dǎo)電接口的位置位于傳感器的一端。
封裝電極所使用的中空材料可以是任何可通過(guò)加工成型的物質(zhì)，例如高分子材料、玻璃、陶瓷等。如果本傳感器使用在臨床醫(yī)療領(lǐng)域，則中空材料需使用生物相容性材料，如硅橡膠、醫(yī)用高聚物、陶瓷等。
在本發(fā)明中，正電極由碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、生物活性物質(zhì)和粘合劑共同構(gòu)成，正電極的形狀和尺寸可根據(jù)中空材料的形狀和尺寸確定，尺寸范圍從微米到厘米，形狀可以是任何形狀。
本發(fā)明也可以是正電極為一枚，負(fù)電極為相互并聯(lián)的二枚、三枚或四枚；或者所述的負(fù)電極為一枚，正電極為相互并聯(lián)的二枚、三枚或四枚。
所述的正電極由碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、生物活性物質(zhì)和粘合劑壓合在中空材料內(nèi)部而成，所述的負(fù)電極由鉑金屬構(gòu)成，鉑金屬可涂覆在中空材料外形成鉑金屬層，也可封裝在中空材料內(nèi)。
所述的生物活性物質(zhì)為酶，其凍干粉以一定的比例與導(dǎo)電的碳納米管和石墨粉均勻混合，通過(guò)粘合劑黏結(jié)、壓合制成正電極。本發(fā)明所使用的酶是以氧作為反應(yīng)物，過(guò)氧化氫作為生成產(chǎn)物的酶，如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、膽固醇氧化酶等。
實(shí)施例1本例生物傳感器，將碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、葡萄糖氧化酶以50∶50∶1(質(zhì)量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進(jìn)玻璃制成的針形中空管1內(nèi)(內(nèi)徑0.5mm)，壓制成形2作為正電極，同時(shí)通過(guò)真空濺射法在中空管外壁涂覆形成金層3作為負(fù)電極。針式傳感器的尖形一端為檢測(cè)端，可插入皮下固定；傳感器的另一端通過(guò)特殊制造的導(dǎo)電接口4將來(lái)源于傳感器的電檢測(cè)信號(hào)引出，通過(guò)導(dǎo)電線5、6、7與外部設(shè)備連接，進(jìn)行信號(hào)接收和記錄。
實(shí)施例2本例生物傳感器，將碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、葡萄糖氧化酶以1∶1∶5(質(zhì)量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進(jìn)由硅橡膠制成的針形中空管1內(nèi)(內(nèi)徑0.4mm)，壓制成形2作為正電極，同時(shí)通過(guò)真空濺射法在中空管外壁涂覆形成鉑層3作為負(fù)電極。針式傳感器的尖形一端為檢測(cè)端；傳感器的另一端通過(guò)特殊制造的導(dǎo)電接口4將來(lái)源于傳感器的電檢測(cè)信號(hào)引出，通過(guò)導(dǎo)電線5、6、7與外部設(shè)備連接，進(jìn)行信號(hào)接收和記錄。
實(shí)施例3本例生物傳感器，將碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、葡萄糖氧化酶以5∶3∶2(質(zhì)量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進(jìn)聚酰亞胺制成的針形中空管1內(nèi)(內(nèi)徑0.3mm)，壓制成形2作為正電極，同時(shí)通過(guò)真空濺射法在聚酰亞胺管外壁涂覆形成鉑層3作為負(fù)電極。針式傳感器的尖形一端為檢測(cè)端，可插入皮下固定；傳感器的另一端通過(guò)特殊制造的導(dǎo)電接口4將來(lái)源于傳感器的電檢測(cè)信號(hào)引出，通過(guò)導(dǎo)電線5、6、7與外部設(shè)備連接，進(jìn)行信號(hào)接收和記錄。
圖2為本傳感器在磷酸鹽緩沖液中(pH7)對(duì)葡萄糖濃度的電流響應(yīng)曲線，曲線中每一階梯分別對(duì)應(yīng)的葡萄糖溶液濃度為0、1、5、10、15、20mmol/L，每個(gè)葡萄糖濃度的測(cè)試時(shí)間為200秒。
實(shí)施例4本例生物傳感器，制作方式與上例類(lèi)似，將碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、葡萄糖氧化酶以5∶2∶3(質(zhì)量比)混合均勻，加入粘合劑后填充進(jìn)聚酰亞胺制成的針形中空管1內(nèi)(內(nèi)徑0.4mm)，壓制成形2作為正電極，同時(shí)通過(guò)真空濺射法在聚酰亞胺管外壁濺射形成鉑層3作為負(fù)電極。針式傳感器的尖形一端為檢測(cè)端，可插入皮下固定；傳感器的另一端通過(guò)特殊制造的導(dǎo)電接口4將來(lái)源于傳感器的電檢測(cè)信號(hào)引出，通過(guò)導(dǎo)電線5、6、7與外部設(shè)備連接，進(jìn)行信號(hào)接收和記錄。
只在中空管的外壁部分別濺射兩條鉑金屬層，形成個(gè)一個(gè)正電極，兩個(gè)負(fù)電極。將此傳感器放入濃度為5mmol/L的葡萄糖溶液中，連續(xù)24小時(shí)不間斷測(cè)試其電流響應(yīng)，結(jié)果圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于它具有中空管(1)，中空管內(nèi)設(shè)有正電極(2)，中空管外設(shè)有負(fù)電極(3)，中空管上端設(shè)有導(dǎo)電接口(4)，并與正電極和負(fù)電極相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于，所述的正電極以碳納米管作為導(dǎo)電材料，負(fù)電極以金屬作為導(dǎo)電材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于，所述的正電極由碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、生物活性物質(zhì)和粘合劑在中空管內(nèi)粘合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的負(fù)電極為鉑金屬，鉑金屬層覆蓋在中空管外表面，在鉑金屬層表面復(fù)合有生物相容性高分子滲透膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述中空管的材料為高分子材料、玻璃或陶瓷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的正電極為一枚，負(fù)電極為相互并聯(lián)的二枚、三枚或四枚；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的負(fù)電極為一枚，正電極為相互并聯(lián)的二枚、三枚或四枚。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的生物活性物質(zhì)為酶。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管針式生物傳感器，其特征在于所述的正電極和負(fù)電極共同封裝在中空管(1)上，并通過(guò)與之相連的導(dǎo)電接口(4)末端的正電極引線(5)，第一負(fù)電極引線(6)，第二負(fù)電極引線(7)與外部檢測(cè)環(huán)境連接。
10.一種如權(quán)利要求1所述碳納米管針式生物傳感器的制作方法，其特征在于，它包括如下步驟1)將碳納米管∶導(dǎo)電石墨粉∶酶凍干粉按50∶50∶1至1∶1∶5的質(zhì)量比均勻混合；2)在上述混合粉末中加入粘合劑，攪拌均勻，成漿狀后，壓入中空管內(nèi)；3)將裝填完畢的中空管放入真空濺射設(shè)備中，在中空管的外表面濺射形成鉑金屬層，金屬層的厚度為100納米到0.5毫米；4)將導(dǎo)電接口封裝在上述中空管的一端，中空管上的正、負(fù)電極與導(dǎo)電接口上的引出線相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳納米管針式生物傳感器及其制作方法。它具有中空管，中空管內(nèi)設(shè)有正電極，中空管外設(shè)有負(fù)電極，中空管上端設(shè)有導(dǎo)電接口，并與正電極和負(fù)電極相連接。本發(fā)明由多個(gè)電極集成而成，其中正電極由碳納米管、導(dǎo)電石墨粉、生物活性物質(zhì)和粘合劑按一定比例混合填壓而成，負(fù)電極由導(dǎo)電金屬構(gòu)成，電極組裝在由生物相容材料制造的中空管中構(gòu)成微型針式生物傳感器。上面描述的針式傳感器能夠插入待測(cè)樣品中，在線檢測(cè)樣品中被測(cè)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。發(fā)明中所使用的碳納米管經(jīng)過(guò)特殊的處理，不僅能夠有效提高生物物質(zhì)的反應(yīng)活性和保藏周期，而且能夠明顯提高傳感器的檢測(cè)范圍和檢測(cè)靈敏度。
文檔編號(hào)G01N27/327GK1963485SQ20061005395
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月25日
發(fā)明者管文軍, 葛浣溪, 李紅, 陳裕泉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)