[發明專利]一種彈性生物傳感器

在審

• 申請號: 201610288369.6
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN107345929A
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 劉遵峰;尹渠;賈鳳美;陳學成;房少立;雷伊鮑曼
• 申請（專利權）人: 江南石墨烯研究院;常州碳宇納米科技有限公司
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26;G01N27/327;G01N27/48
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及可拉神電子學領域，更確切的講，涉及一種可大幅拉伸的彈性生物傳感器。

背景技術

傳感器作為一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。當今信息時代下，人們不再局限于直接使用“五感”獲取信息；在超出感知范圍或人不在場時，傳感器可以彌補人的這種不足，用來探測外界的信息。所以，如果說現代科技“電腦是人腦的延伸”的話，那么，傳感器就是人‘五官’的延伸了。 我們身邊一直都有類似于傳感器裝置的東西。例如，傳聲器（話筒）就是一種傳感器，它感受聲音的強弱，并轉換成相應的電信號。又如電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它轉換成相應的電信號。傳感器感受一種量并把它轉換成另一種量，這種轉換也可以看成是能量的轉換，因此在某些領域如生物醫學工程等中，也稱為換能器。

近年來，隨著柔性電子學的發展，新型可貼附、可穿戴、便攜式、可折疊等柔性電子學器件的研究備受國內外研究者廣泛關注，并逐漸成為當前重要的前沿研究領域之一。柔性仿生傳感器是一種用于實現仿人類感知功能（觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺等）的人造柔性電子器件，其在消費電子市場、軍事、醫療健康等電子信息產業領域具有極大的應用潛力。

可是一般情況下柔性材料只能承受很小的形變。目前報道可知的柔性材料的制造結構包括如下幾類：（1）將金屬粉或碳粉等導電粉末摻入彈性體形成共混結構；（2）將金屬絲設計成螺旋形彈簧或蛇形結構；（3）在預拉伸的彈性體表面覆蓋金屬或半導體薄膜，釋放預拉伸，壓縮薄膜形成一級褶皺結構。而以上方案均有不小的困難尚待克服：共混結構電阻極不穩定，在拉伸過程中電阻迅速增加；彈簧或蛇形結構做到微納米尺度，制作工藝非常復雜；褶皺結構通常需要復雜的光刻工藝，且材料較脆，大形變拉伸（>20%）容易斷裂[1]。

近幾年人們使用新型材料如碳納米管或石墨烯制造一級褶皺結構，提高了形變量。但目前仍缺乏高性能的大形變電阻穩定導電彈性電子器件的結構設計與制造工藝。彈性電子器件在大形變過程中，需要大形變靈敏傳感器對周圍環境（壓力、應變）進行檢測與感知，而傳統商業化金屬應變傳感器的變形很小（<5%），大形變導電彈性電子器件的制造理論發展相對滯后，尤其是應用于無酶葡萄糖生物傳感器，目前尚無可拉伸的彈性傳感器上市。

1. Kim, D. H., Xiao, J., Song J., Huang, Y., Rogers, J. Adv. Mater. 2010, 22, 2108–2124。

發明內容

本發明提供一種可大幅拉伸的彈性生物傳感器的構建思路以及制備方法。通過磁控濺射將鉑（Pt）納米顆粒（或其他金屬顆粒，如Au，Ag，Cu，Pd，Fe等）修飾覆蓋在碳納米管或者石墨烯薄膜上，將納米粒子修飾的碳納米管或者石墨烯薄膜鋪在小尺寸超細的橡膠纖維上形成電極。使用這種電極為工作電極。對電極為鉑絲，參比電極為飽和甘汞電極，可作為生物傳感器用于非酶葡萄糖檢測。本發明團隊人員模擬人體生理條件，對上述生物傳感器進行電化學測試，包括循環伏安以及計時電流；同時在增加應變的同時，研究電流響應。多次實驗結果證明，上述傳感器是一種對應變不敏感的，即可大幅拉伸的彈性電流型生物傳感器。該傳感器應變系數最高可到1000%，即可拉伸原長的10倍，對一般情況來講，拉伸300%即可完全滿足使用要求，所以本發明以下所用數據取應變至300%。由實驗得到的循環伏安圖計算得到電容值，可以看出應變變化從0%到300%過程中，電容變化僅為5%，即本發明制備的樣品在大幅度拉伸情況下，性能參數變化小，性能穩定。在葡萄糖濃度為1mM-10mM之間，檢測的葡萄糖信號隨葡萄糖濃度線性變化，是很好的彈性葡萄糖檢測用生物傳感器。

上述彈性生物傳感器的工作電極，其構成至少包含彈性芯1和導電層2，可包含絕緣保護層3。橫截面結構示意圖參考說明書附圖1。傳感器的對電極為鉑絲，參比電極為飽和甘汞電極。

上述構成工作電極的彈性芯1，其特征是：由白油與橡膠彈性體按照一定比例混合、熱熔攪拌后，用木棒以較快的速率拉出橡膠，粘附在木棒上的橡膠在拉伸過程中遇到相對低溫的空氣凝固，便形成了彈性芯；此方法生成超軟彈性芯直徑約為40-450um。參考說明書附圖2.使用此方法制作的彈性芯具有極好的可拉伸性能，最高拉伸系數可達10倍以上，是目前橡膠材質中拉伸倍數最長的材料之一。該彈性芯為彈性傳感器的超大形變的實現奠定了基礎，同時也為電極的導電層提供了附著基底。