[发明专利]一种基于纳米多孔金属膜的葡萄糖电化学微电极传感器

说明书

本发明公布了一种纳米多孔金属膜的制备方法，并在多孔膜的上负载葡萄糖氧化酶，用于血糖监测的微电极传感器，涉及多孔金属膜的加工工艺和传感器技术。在聚酰亚胺衬底上，磁控共溅射不同比例和厚度的金属和金属氧化物，用去离子水或弱酸溶液处理，除去金属氧化物，留下三维多孔网络结构且相互连接的金属层，作为负载葡萄糖氧化酶(GOD)的支撑层和导电层，绝缘衬底的另一面涂覆Ag/AgCl作为参比‑对电极，构成电化学两电极体系，再涂覆高分子聚合物作为限制扩散层，抗干扰亲水层后构成葡萄糖传感微电极。纳米多孔金膜比表面积大，有效增加了电极活性面积和GOD负载量，通透性好，导电性高，还能一定程度上保护微电极酶膜传感层的物理损伤。该微电极传感器线性范围宽，长期稳定性好。

技术领域

本发明属于电化学生物传感器领域，涉及一种多孔结构金属膜的加工工艺，及基于多孔金属膜的微电极和电化学葡萄糖传感器，以及它们的制备方法。

背景技术

糖尿病是严重威胁人类健康的常见慢性病之一，血糖的实时监测有利于患者和医生评估病情，制定合理科学的治疗方案或者对现有方案进行调整，因此，葡萄糖传感器也是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器。葡萄糖传感器最为核心的部件是葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOD)有效固定在生物活性界面组成的酶电极。在实际应用中或者现有市场出售的血糖监测传感器一般都采用针式微电极，它们创伤小，可以减少人身生理上的免疫反应。如得到美国食品和药物管理局(FDA)认证雅培公司(Abbott)的辅理善瞬感葡萄糖监测系统传感器(Freestyle Navigator)，传感器探头直径小于0.4毫米，插入皮肤下方5 毫米，不用采集指尖血，通过监测组织液葡萄糖水平而得到血糖指标。但是由于电极微型化和尺寸限制，使得GOD可负载面积大大减小，负载的酶量不足，使传感器的线性范围，灵敏度等性能下降，甚至不能正常工作，根据临床的要求，葡萄糖传感器线性区域上限必须达到30mM。实验室中研究出来的性能优异的新材料也往往因无空间固定而不能得到应用。

在不增加微电极尺寸的要求下，为了解决负载GOD酶量的问题，主要有两种途径解决。一种是增加微电极的数量，如国内专利CN200910097842.2(授权公告号CN 101530327B)和CN200410101080.6提及的皮下组织植入式实时监测用针状葡萄糖传感器，使用一或两个针状工作电极和一个参比电极组成两电极体系，植入时需要植入2-3个电极进行测量，国内专利CN201510783056.3(授权公告号CN 105266826 B)提及了一种皮下组织植入式针状葡萄糖传感器，在基座底部设有工作电极、对电极和参比电极的分体式三电极体系。这些方法会加大了创伤的面积。另一种方法是在微电极表面制备三维网状结构，增加电极活性表面的比表面积，如电极表面修饰物中掺杂零维的量子点、金属纳米颗粒，一维纳米管，或者二维的石墨烯、氧化锌等纳米片，这些方法具有良好性能，但是制备过程复杂，需要苛刻的加工条件和工艺。最简单的三维网状结构的获得是直接制备具三维结构表面膜的电极，如介孔碳膜电极，多孔硅膜电极、多孔金属膜电极等。国内专利CN201510750828.3发明了一种多孔活性石墨烯微电极，固定葡萄糖氧化酶后，实现了酶的直接电化学及对葡萄糖的快速电化学测定；国内专利 CN201810700292使用中空管状石墨烯纤维填充葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶被包覆在连续的石墨烯内部，起到极好的酶保护作用，并且优异的石墨烯导电性使得电荷快速转移和传输；专利CN201710592096提供了一种表面粗糙化处理的金膜电极，并基于该金膜电极构建电化学过氧化氢传感器，该方法利用磁控溅射制备金薄膜层，然后采用化学蚀刻处理，使金膜表面粗糙化。但是，一般而言，电极表面的三维结构有厚度的限制，增加厚度会增加镀膜脱落的几率，影响传感器电极的持久性和稳定性，因此，需要发明一种可以获得镀膜牢固，不易脱落的方法，简单可靠的获得三维结构表面电极的方法。