一种微针阵列酶复合电极及其制备方法

1.本发明涉及生物医学技术领域，具体涉及一种微针阵列酶复合电极及其制备方法。


背景技术：

2.近年，随着微针技术的发展，经皮检验得到了长足的发展。微针的长度一般为0.5-1.5毫米，作用于皮肤浅层，避开深部血管及痛觉神经，具有微创、无痛和使用方便等优点。一方面，微针可实现微创、无痛和感染风险低的经皮采样；另一方面，随着生化传感技术的发展，微针与传感器的整合可实现可穿戴检测装备的研发，实现实时、便利的组织液生物标志物检测。
3.生化实时监测在日常医疗活动中扮演十分重要角色，例如，动态乳酸监测对临床急危重症患者病情评估及监测具有重要临床指导意义。目前用于急危重症患者的动态乳酸监测方法主要有2种：反复采血法及血管内动态乳酸浓度监测法。反复采血法，顾名思义，需要反复进行浅静脉抽血或动脉置管抽血，取得血样后进行乳酸监测，这种方法反映血乳酸水平准确度高；但反复采血的操作不仅增加了患者采血次数及采血风险，而且大大增加急诊临床工作负担。血管内动态乳酸浓度监测法，需要将传感器置入血管里，持续获得血乳酸浓度数据；这种方法其操作要求较高，且有血行性感染及引起血栓风险，在临床上难以推广。
4.为解决部分临床生化监测难的问题，雅培糖尿病护理股份有限公司申请号为cn201980026577.0的中国专利，基于植入式经皮血糖动态监测仪的研究基础，公开了经皮乳酸动态监测系统的技术体系，但也发现其采用单根实心针头布置测量电极的结构和直接用乳酸氧化酶直接代替葡萄糖氧化酶的方式，会出现灵敏度低和传感器响应稳定性不足的等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种微针阵列酶复合电极及其制备方法，所述的酶工作电极与对电极距离近，能够减少工作电极与对电极之间的电阻；同时，通过缩短电极间的距离，能够减少分子在两个电极之间的扩散距离，能够有效的提高检测电流灵敏度，从而实现高灵敏度的局部分析物浓度测定；所述的微针阵列酶复合电极可在较少时间内安全刺破皮肤，进入皮下组织液实现实时以及连续的监测。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种微针阵列酶复合电极，包括：
8.衬底；
9.阵列于衬底上的空心微针；
10.位于空心微针外侧面的参比电极；
11.位于空心微针中部的微针中部的对电极；
12.位于参比电极、对电极之间的酶工作电极；
13.所述参比电极、对电极、酶工作电极之间设有阻隔层。
14.本发明的发明人在大量的研究中发现，通过在空心微针外侧面设置参比电极，在空心微针中部设置对电极，在参比电极、对电极之间设置酶工作电极，使所述的酶工作电极与对电极距离近，能够减少工作电极与对电极之间的电阻；同时，通过缩短电极间的距离，能够减少分子在两个电极之间的扩散距离，能够有效的提高检测电流灵敏度，从而实现高灵敏度的局部分析物浓度测定。
15.且所述的微针阵列酶复合电极可在较少时间内，安全刺破皮肤，进入皮下组织液实现实时以及连续的监测。
16.作为本发明的优选实施方案，所述参比电极通过涂覆ag/agcl浆形成。
17.作为本发明的优选实施方案，所述酶工作电极包括金属层、酶层和保护层，所述保护层沿所述空心微针轮廓折叠形成第一保护层、第二保护层，且所述第一保护层位于参比电极正下方，所述酶层位于第二保护层上方，所述金属层位于酶层上方。
18.通过上述结构的设置，能够有效的提高响应的稳定性，同时能够有效避免组织液改变的干扰，提高检测的准确度、灵敏度。
19.作为本发明的优选实施方案，所述保护层通过涂覆半透膜溶液形成。通过涂抹半透膜溶液形成保护膜，使得小分子能够自由透过，能够有效的减轻机体免疫反应以及避免反应过程受组织液蛋白干扰。
20.作为本发明的优选实施方案，所述酶层通过涂抹酶溶液形成，所述酶溶液的制备方法为：将酶溶于缓冲液，再与壳聚糖溶液按照体积比1：0.5～2混合均匀，即得酶溶液。
21.作为本发明的优选实施方案，所述酶为乳酸氧化酶、葡萄糖氧化酶、乳酸脱氢酶中的一种。
22.作为本发明的优选实施方案，所述金属层为金属针尖本身或通过在聚合物针身表面溅射金属膜形成。
23.作为本发明的优选实施方案，所述对电极通过往空心微针的空腔内注入碳纳米糊而成。所述碳纳米糊购自比利时nanocyl公司。
24.作为本发明的优选实施方案，还包括导电线、铜丝，所述酶工作电极、参比电极分别与导电丝连接，所述铜丝与对电极连接，所述铜丝与导电线连接。
25.本发明还提供了一种微针阵列酶复合电极的制备方法，包括以下步骤：
26.制备空心微针阵列，金属针尖本身或通过在聚合物针身表面溅射金属膜形成金属层；
27.在空心微针侧表面以及中部空腔内部涂抹惰性绝缘材料，形成阻隔层；
28.制备碳纳米管糊，将碳纳米糊注入空心微针的中部空腔内形成碳纳米柱；
29.磨去针头斜面的多余的阻隔层；
30.制备酶溶液，将酶溶液涂抹于针头斜面，形成酶层；
31.将半透膜溶液涂敷于针头的前段，形成保护层；
32.在空心微针外侧面涂抹涂覆ag/agcl浆形成参比电极；
33.磨去针头斜面突出的碳纳米柱多余部分，暴露出碳纳米柱，形成对电极；
34.分别给酶工作电极、参比电极外接导电线，再通过铜丝给对电极外接导电线，即得
微针阵列酶复合电极。
35.本发明的有益效果在于：(1)本发明所述的微针阵列酶复合电极可动态的获得皮下组织液分析物浓度数据，不需要反复采血，能够有效的减少患者创伤、痛苦以及医护工作人员的工作负担，可通过微针自身规格决定刺入皮肤的深度，使用门槛低；(2)本发明所述的针头微小，对皮肤损伤小，在一定的长度范围内可避开皮下痛觉神经及血管，达到无痛、安全的效果；(3)本发明所述的酶工作电极与对电极距离近，能够减少工作电极与对电极之间的电阻；同时，通过缩短电极间的距离，能够减少分子在两个电极之间的扩散距离，能够有效的提高检测电流灵敏度，从而实现高灵敏度的局部分析物浓度测定。所述的微针阵列酶复合电极可在较少时间内安全刺破皮肤，进入皮下组织液实现实时以及连续的监测。
附图说明
36.图1为本发明所述的单个空心微针的结构示意图。
37.图2为实施例3所述的微针阵列酶复合电极在不同浓度葡萄糖溶液中的循环伏安曲线响应。
38.图中标记：1、参比电极；2、对电极；3、保护层；31、第一保护层；32、第二保护层；4、酶层；5、金属层；6、阻隔层；7、铜丝；8、导电线。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1
41.请参阅图1，本发明提供了一种微针阵列酶复合电极，包括：
42.衬底；
43.阵列于衬底上的空心微针；
44.位于空心微针外侧面的参比电极1；
45.位于空心微针中部的微针中部的对电极2；
46.位于参比电极1、对电极2之间的酶工作电极；
47.所述参比电极1、对电极2、酶工作电极之间设有阻隔层6。
48.所述参比电极1通过涂覆ag/agcl浆形成。
49.所述酶工作电极包括金属层5、酶层4和保护层3，所述保护层3沿所述空心微针轮廓折叠形成第一保护层31、第二保护层32，且所述第一保护层31位于参比电极1正下方，所述酶层4位于第二保护层32上方，所述金属层5位于酶层4上方，所述保护层3通过涂覆半透膜溶液(nafion乳液)形成，所述酶层4通过涂抹酶溶液形成，所述酶溶液的制备方法为：将乳酸氧化酶溶于pbs缓冲液(ph＝7.0，100mm)，再与1％的壳聚糖溶液按照体积比1：1混合均匀，所述金属层通过在聚合物针身表面溅射金属膜形成。
50.所述阻隔层通过表面涂覆聚二甲硅氧烷形成。
51.所述对电极2通过往空心微针的空腔内注入碳纳米糊而成。
52.所述微针阵列酶复合电极还包括导电线8、铜丝7，所述酶工作电极、参比电极1分别与导电丝8连接，所述铜丝7与对电极2连接，所述铜丝7与导电线8连接。
53.所述的微针阵列酶复合电极的制备方法，包括以下步骤：
54.按照103829954a的方法制备空心微针阵列，对空心微针阵列进行清洗、亲水化处理，将空心微针阵列置于金属溅镀仪内，蒸镀导电金属形成金属层5；
55.在空心微针侧表面以及中部空腔内部涂抹惰性绝缘材料(聚二甲基硅氧烷)，形成阻隔层6；
56.制备碳纳米管糊，将碳纳米糊注入空心微针的中部空腔内形成碳纳米柱；
57.磨去针头斜面的多余的阻隔层6；
58.制备酶溶液，将酶溶液涂抹于针头斜面，形成酶层4；
59.将半透膜溶液(nafion乳液)涂敷于针头的前段，形成保护层3；
60.在空心微针外侧面涂抹涂覆ag/agcl浆形成参比电极1；
61.磨去针头斜面突出的碳纳米柱多余部分，暴露出碳纳米柱，形成对电极2；
62.分别给酶工作电极、参比电极1外接导电线8，再通过铜丝7给对电极2外接导电线8，即得微针阵列酶复合电极。
63.实施例2
64.请参阅图1，本发明提供了一种微针阵列酶复合电极，包括：
65.衬底；
66.阵列于衬底上的空心微针；
67.位于空心微针外侧面的参比电极1；
68.位于空心微针中部的微针中部的对电极2；
69.位于参比电极1、对电极2之间的酶工作电极；
70.所述参比电极1、对电极2、酶工作电极之间设有阻隔层6。
71.所述参比电极1通过涂覆ag/agcl浆形成。
72.所述酶工作电极包括金属层5、酶层4和保护层3，所述保护层3沿所述空心微针轮廓折叠形成第一保护层31、第二保护层32，且所述第一保护层31位于参比电极1正下方，所述酶层4位于第二保护层32上方，所述金属层5位于酶层4上方，所述保护层3通过涂覆半透膜溶液(nafion乳液)形成，所述酶层4通过涂抹酶溶液形成，所述酶溶液的制备方法为：将乳酸氧化酶溶于pbs缓冲液(ph＝7.0，100mm)，再与1％的壳聚糖溶液按照体积比1：1混合均匀，所述金属层通过在聚合物针身表面溅射金属膜形成。
73.所述阻隔层通过表面涂覆聚二甲硅氧烷形成。
74.所述对电极2通过往空心微针的空腔内注入碳纳米糊而成。
75.所述微针阵列酶复合电极还包括导电线8、铜丝7，所述酶工作电极、参比电极1分别与导电丝8连接，所述铜丝7与对电极2连接，所述铜丝7与导电线8连接。
76.所述的微针阵列酶复合电极的制备方法，包括以下步骤：
77.将皮下针注射微针从注射针头上取下，所述金属针尖本身即为金属层5，将其并排列成阵列，得空心微针阵列，
78.在空心微针侧表面以及中部空腔内部涂抹惰性绝缘材料(聚二甲基硅氧烷)，形成阻隔层6；
79.制备碳纳米管糊，将碳纳米糊注入空心微针的中部空腔内形成碳纳米柱；
80.磨去针头斜面的多余的阻隔层6；
81.制备酶溶液，将酶溶液涂抹于针头斜面，形成酶层4；
82.将半透膜溶液(nafion乳液)涂敷于针头的前段，形成保护层3；
83.在空心微针外侧面涂抹涂覆ag/agcl浆形成参比电极1；
84.磨去针头斜面突出的碳纳米柱多余部分，暴露出碳纳米柱，形成对电极2；
85.分别给酶工作电极、参比电极1外接导电线8，再通过铜丝7给对电极2外接导电线8，即得微针阵列酶复合电极。
86.实施例3
87.实施例3与实施例1不同之处在于，实施例3采用葡萄糖氧化酶替换实施例1所述的乳酸氧化酶，其他都相同。
88.实施例3所述的微针阵列酶复合电极对不同葡萄糖浓度的响应图见图2。
89.随着浓度的增加，响应电流逐渐增加，可见，本实施例所述的微针阵列酶复合电极对葡萄糖具有良好的线性响应。
90.最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。