CN106770187B - 一种电致变色传感器阵列及其制备、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电致变色传感器阵列及其制备方法，并成功将此传感器阵列应用于乳酸检测。该传感器阵列包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分，传感部分包含传感电极和样品反应池，传感电极的工作电极上修饰有普鲁士蓝点，样品反应池的阴极反应区和阳极反应区分别包含由纸构成的基底以及检测试剂，阴极反应区中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，阳极反应区的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液。乳酸检测时，根据待测乳酸浓度的不同，指示点阵列变色的个数不同。可以通过裸眼观察指示点变色的个数来判断乳酸的浓度。该传感器阵列制备简单，使用方便，无需检测电路，可通过肉眼直接观测反应结果，具有很好的应用价值。

Description

一种电致变色传感器阵列及其制备、使用方法

技术领域

本发明属于电化学检测分析领域，尤其涉及一种基于裸眼检测的电致变色传感器阵列及其制备方法，并用于乳酸的半定量检测。

背景技术

2007年，哈佛大学的Whiteside课题组首次提出纸芯片实验室的概念，即把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本单元集成在纸上完成。由于纸芯片实验室具有成本低、制备方法简单(利用简单的打印技术，且无需无尘室等苛刻条件)、操作简单(无需外加设备，如泵等)、使用后可任意处理等优点，受到人们的广泛关注。

目前，建立在纸芯片技术平台上的分析方法主要分为两类，一类是定性分析方法如比色法，这类方法只能给出“是/否”的信号响应，且比色法灵敏度较低，选择性较差；另一类是定量分析方法如电化学检测法，是将生物信号通过氧化还原反应转换成电信号，这类方法检测灵敏度高，响应速度快，但是需要专门的检测仪器进行结果的检测，增加了检测的复杂性及成本，且影响了纸芯片的便携性。

发明内容

发明目的：本发明针对目前纸芯片技术在分析方法中应用存在的问题，提供一种灵敏度高、选择性好、成本低廉、使用简便的电致变色传感器阵列，该电致变色传感器阵列可成功应用于乳酸检测。同时，本发明提供了制备和使用该电致变色传感器阵列的方法。该传感器阵列结合了定性检测和定量检测的优点，制备简单，使用方便，无需检测电路，可通过肉眼直接观测反应结果，具有很好的应用价值。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种电致变色传感器阵列，其包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分；传感部分包含传感电极和样品反应池；传感电极包含工作电极和参比电极，工作电极上修饰有普鲁士蓝点；样品反应池包含阴极反应区和阳极反应区，阴极反应区和阳极反应区分别由纸构成并通过Nafion膜隔开，所述阴极反应区和阳极反应区内分别装有检测试剂，所述阴极反应区中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，所述阳极反应区中的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液。

由于ITO薄膜具有高导电率，适合作为电极材料，且具有高透光性便于观察，可弯曲性适合与纸传感器进行结合，同时成本低廉，因此传感电极均选用ITO薄膜电极。

为了降低成本，提高电致变色响应灵敏度，使阴极反应区的检测试剂为含有250U乳酸氧化酶的0.01M磷酸缓冲盐溶液，pH 7.4，使阳极反应区的检测试剂为含有500mM铁氰化钾的0.01M磷酸缓冲盐溶液，pH 7.4。

为了提高传感芯片的集成度，本发明将电池直接与传感部分集成在一起。基于纸的金属氧电池已有很多研究，本发明选择铝作为金属材料，制出铝氧电池，其输出电压在1V左右，适合后续传感检测的需求，且铝成本低廉，便于获取。铝氧电池的正极采用印刷油墨，其正极与参比电极在同一片ITO薄膜的导电侧；铝氧电池的负极采用铝箔材料，其负极与所述工作电极在同一片ITO薄膜的导电侧；正极和负极通过纸隔开。

本发明的另一个方面提供了一种电致变色传感器阵列的制备方法，其包括以下步骤：

1)将两个矩形ITO薄膜分别切割成梳状；取一个经切割的ITO薄膜，将梳齿部作为参比电极，将梳齿部一端相互连接的梳柄部涂覆电池正极材料形成正极；取另一个经切割的ITO薄膜，梳齿部作为工作电极，并将梳齿部一端相互连接的梳柄部覆盖电池负极材料作为负极；

2)在工作电极的导电侧修饰普鲁士蓝点；

3)依次层叠设置阴极反应区、Nafion膜和阳极反应区，形成中间层，将所述中间层设置为与所述工作电极和参比电极相同的形状，形成样品反应池，所述中间层设置在工作电极和参比电极之间，所述阴极反应区与所述工作电极相互重合，所述阳极反应区与所述参比电极相互重合；

4)正极和负极之间通过纸隔开，纸形状大于正极和负极；

5)在阴极反应区滴加含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，常温避光阴干；在阳极反应区滴加含有铁氰化钾的缓冲溶液，常温避光阴干；

6)取标准浓度梯度的乳酸溶液，依次吸入步骤5)得到的传感器阵列的样品反应池，常温阴干，形成预置溶液区；

7)取不同已知浓度的乳酸溶液，分别用步骤6)得到的形成有预置溶液区的传感器阵列进行检测，得到待测乳酸溶液浓度与普鲁士蓝点变色情况的对应关系，所述不同已知浓度的乳酸溶液浓度分别为0，4，8，12，16，20mM。

为了降低成本，提高电致变色响应灵敏度，将普鲁士蓝点采用电沉积方法修饰在工作电极表面；使电沉积采用的沉积液pH为2.0，沉积液包含10mM氯化铁、10mM铁氰化钾和2.6mM盐酸。

正常情况下人体汗液乳酸浓度在2mM以下，当大量运动后汗液乳酸浓度能达到20mM，为了使乳酸检测范围在0～20mM，且结合传感器阵列中传感器的个数，将乳酸检测的区分度设置为4mM，因此使步骤6)浓度梯度为0，4，8，12，16，20mM。

本发明的又一个方面提供了一种电致变色传感器阵列的使用方法，

1)吸取饱和氯化钠溶液进入所述电池部分，使电池正负极导通；

2)取待测乳酸溶液进入所述样品反应池，使样品反应池内开始进行氧化还原反应；

3)反应一段时间后，观察普鲁士蓝点的颜色变化，根据变色的普鲁士蓝点的个数即可获知待测乳酸溶液的浓度。

有益效果：本发明提供的电致变色传感器阵列，将生物信号转换为裸眼可直接识别的颜色变化用于半定量检测，检测过程简单快速，无需专业人员操作，无需外部供能，无需额外检测设备，芯片易于制备、可量产制备，价格低廉并具有很好的实用性。本发明中涉及的基于裸眼检测的电致变色传感器阵列的研制方法与现有技术相比具有以下优点：

1、制备简单，价格低廉；

2、操作简便，适合非专业人士使用；

3、无需外部供电，传感器阵列自带铝氧电池，使用方便；

4、无需额外检测装置，裸眼直接识别进行半定量检测；

5、检测快速：检测时间控制在1分钟之内，能够满足现场检测的需求。

附图说明

图1为本发明的传感器阵列的各层剖面结构示意图；

图2A-2C为形成预置溶液区的传感器阵列检测不同浓度的乳酸溶液时，普鲁士蓝点的变色情况示意图；其中，图2A为未加入待测乳酸溶液时传感器阵列的整体示意图，图2B为加入10mM乳酸溶液时传感器阵列中普鲁士蓝点的变色情况示意图，图2C为加入1mM乳酸溶液时传感器阵列中普鲁士蓝点的变色情况示意图；

图3为不同浓度的待测乳酸溶液加入传感器阵列中普鲁士蓝点变色的结果图；

图4为乳酸溶液浓度与普鲁士蓝点变色的个数的对应关系曲线。

图5为用6mM乳酸溶液对本发明的传感器阵列的重复性进行测试结果。

1、工作电极；2、参比电极；3、普鲁士蓝点；4、电池正极；5、电池负极；6、电池分隔纸；7、阴极反应区；8、Nafion膜；9、阳极反应区；10、预置溶液区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1基于裸眼检测的电致变色传感器阵列

一种基于裸眼检测的电致变色传感器阵列，由6个传感器构成，每个传感器都包含两部分：电池部分和传感部分。

如图1所示，传感部分包括ITO电极和样品反应池。ITO电极包含工作电极1和参比电极2，它们都采用ITO薄膜材料，其中工作电极上修饰有普鲁士蓝点3作为指示剂。普鲁士蓝点3的直径是1.12mm，采用电沉积方法修饰在工作电极1表面，沉积方法采用的沉积液是60μL溶液，pH 2.0，所述溶液包含10mM氯化铁、10mM铁氰化钾和2.6mM盐酸。样品反应池包括阴极反应区7和阳极反应区9，且阴极反应区7和阳极反应区9的基底均由纸构成，阴极反应区7和阳极反应区9通过Nafion膜8隔开。

阴极反应区7中预先添加的试剂为5μL 0.01M PBS溶液，pH 7.4，该溶液中含有250U乳酸氧化酶；阳极反应区中预先添加的试剂为5μL 0.01M PBS溶液，pH 7.4，该溶液中含有500mM铁氰化钾。

电池部分采用铝氧电池构成，其中正极4采用印刷油墨，所述正极4与参比电极2在同一片ITO薄膜的导电侧；负极5采用铝箔材料，所述负极5与工作电极1在同一片ITO薄膜的导电侧。正极和负极通过纸6隔开。

实施例2基于裸眼检测的电致变色传感器阵列的制备

本发明所提供的基于裸眼检测的电致变色传感器阵列，其制备过程包含以下步骤：

a)用激光切割机将两个矩形ITO薄膜切出如图1中相应的形状作为传感器阵列的基底，即，分别沿与矩形ITO薄膜的第一边平行的方向对ITO薄膜进行裁切，使与所述第一边垂直的第二边相互分离形成6个条状部，与所述第二边平行的第三边相互连接，从而形成梳状结构；

取一个经切割的ITO薄膜，将梳齿部作为参比电极2，将梳齿部一端相互连接的梳柄部涂覆2mm×15mm长方形的油墨并阴干，形成电池正极4；取另一个经切割的ITO薄膜，梳齿部作为工作电极1，并将梳齿部一端相互连接的梳柄部贴上与电池正极4同样形状的铝箔，形成电池负极5；

b)在工作电极1的导电侧电沉积直径为1.12mm的普鲁士蓝圆点3，具体过程为：

b-1)配置浓度为100mM的氯化铁溶液、浓度为500mM的铁氰化钾溶液和浓度为1M的盐酸溶液；

b-2)取100μL氯化铁溶液、20μL铁氰化钾溶液、880μL超纯水混合均匀，用稀盐酸将pH调至2.0，此混合溶液作为沉积液；

b-3)用激光切割机将双面胶切除直径为1.12mm的圆孔作为掩膜，覆盖在工作电极1的固定位置；

b-4)用铂丝作为参比电极，与工作电极1形成两电极系统，取60μL沉积液作为电解液，采用恒电流法进行普鲁士蓝电沉积，设置阴极电流为1E-6A，沉积时间为60s；

b-5)除去双面胶掩膜，用超纯水将沉积液清洗干净，工作电极1置干。

c)依次层叠设置阴极反应区7(纸质基底)、Nafion膜8和阳极反应区9(纸质基底)，形成中间层，将中间层切出与阴极反应区7和阳极反应区9同样的尺寸，形成样品反应池，其中阴极反应区7与工作电极1相互重合，阳极反应区9与参比电极2相互重合，工作电极1和参比电极2的导电侧均向内紧贴中间层。

d)正极4和负极5之间贴上纸6隔开，纸的形状略大于正极4和负极5。

e)在阴极反应区7滴加5μL、浓度为250U的乳酸氧化酶溶液，阳极反应区9滴加5μL、浓度为500mM的铁氰化钾溶液，常温避光阴干。

f)取3μL标准浓度梯度的乳酸溶液依次吸入传感器阵列的样品反应池，常温阴干，形成预置溶液区，所述浓度梯度为0,4,8,12,16,20mM；

g)取不同已知浓度的乳酸溶液，用步骤f)得到的传感器阵列分别进行检测，得到待测乳酸溶液浓度与普鲁士蓝点变色情况的对应关系。

整体芯片装置图如图2所示。铝氧电池的负极是铝箔，正极是碳墨水材料，中间用纸作为电解池，当在纸中吸入电解液时，电池导通，发生铝氧反应，产生1V左右的电压供芯片传感反应使用。传感部分的工作原理是，当吸入乳酸溶液时，乳酸在乳酸氧化酶的作用下将铁氰化钾还原成亚铁氰化钾；普鲁士蓝与亚铁氰化钾形成氧化还原对，在电池供电的情况下，从电池中得到电子被还原成无色的普鲁士白，同时亚铁氰化钾被氧化。其反应方程式如下：

阴极：PB+e^-→PW

普鲁士蓝被还原所需要的电子与亚铁氰化钾被氧化失去的电子数相等，继而与乳酸的浓度相关。通过控制普鲁士蓝电沉积的过程，使普鲁士蓝在乳酸浓度为20mM时能够完全被还原成普鲁士白而变为无色，即普鲁士蓝完全变为无色的检测限是20mM。通过在传感器中预置不同浓度梯度的乳酸，即可在不同浓度待测乳酸的情况下使传感器阵列中不同数量的传感器达到普鲁士蓝的检测限，继而发生不同数量的普鲁士蓝变为无色，肉眼观察结果。

具体检测时，吸入不同浓度待测乳酸溶液时，传感器阵列中的普鲁士蓝点由蓝色变为无色的个数不同，可通过肉眼观察普鲁士蓝点的个数从而得知待测乳酸的浓度。设浓度参数C等于预置的乳酸浓度和待测乳酸样品浓度之和。当浓度参数C不低于20mM时，普鲁士蓝完全变为无色。

图2A为仅在传感器阵列中加入标准浓度梯度的乳酸溶液形成预置溶液区，未加入待测乳酸溶液时传感器阵列的整体示意图，此时尽管在传感器阵列中有一个传感器预置乳酸溶液浓度达到20mM，由于图2A中20mM的预置乳酸溶液是将预置乳酸吸入到传感器底部，没有与普鲁士蓝(PB)接触，没有发生反应，因此没有普鲁士蓝点变色。图2B为加入10mM乳酸溶液时传感器阵列中普鲁士蓝点的变色情况示意图，此时传感器阵列中有3个普鲁士蓝点变为无色。图2C为加入1mM乳酸溶液时传感器阵列中普鲁士蓝点的变色情况示意图，此时传感器阵列中有1个普鲁士蓝点变为无色。

如图3所示，当待测乳酸溶液浓度小于4mM时，传感器阵列中浓度参数C不低于20mM的只有一个，因此变为无色的普鲁士蓝的个数为1。按照这种方法可以对0～20mM的乳酸进行半定量检测，检测的分辨率为4mM。

乳酸浓度与普鲁士蓝点变无色的个数关系曲线如图4所示。

实施例3基于裸眼检测的电致变色传感器阵列检测乳酸：

将实施例1中基于裸眼检测的电致变色传感器阵列用于检测乳酸，包含以下步骤：

1)配置饱和氯化钠溶液，将该溶液吸进电池部分的纸6中，使铝氧电池导通。

2)铝氧电池的负极是铝箔，正极是碳墨水材料，中间用纸作为电解池，当在纸中吸入电解液时，电池导通，发生铝氧反应，产生1V左右的电压供芯片传感反应使用。传感部分的工作原理是，当吸入乳酸溶液时，乳酸在乳酸氧化酶的作用下将铁氰化钾还原成亚铁氰化钾；普鲁士蓝与亚铁氰化钾形成氧化还原对，在电池供电的情况下，从电池中得到电子被还原成无色的普鲁士白，同时亚铁氰化钾被氧化。普鲁士蓝被还原所需要的电子与亚铁氰化钾被氧化失去的电子数相等，继而与乳酸的浓度相关。通过控制普鲁士蓝电沉积的过程，使普鲁士蓝在乳酸浓度为20mM时能够完全被还原成普鲁士白而变为无色，即普鲁士蓝完全变为无色的检测限是20mM。通过在传感器中预置不同浓度梯度的乳酸，即可在不同浓度待测乳酸的情况下使传感器阵列中不同数量的传感器达到普鲁士蓝的检测限，继而发生不同数量的普鲁士蓝变为无色，肉眼观察结果。具体检测时，吸取18μL待测乳酸溶液进入样品反应池，开始计时，样品反应池内开始进行氧化还原反应。

3)反应30s后，观察传感器阵列的普鲁士蓝点的颜色有无，根据变无色的普鲁士蓝点的个数即可直接获知待测乳酸溶液的浓度。

用6mM乳酸对此传感器阵列的重复性进行测试，如图5所示。其中每行的普鲁士蓝点阵是一个传感器阵列的检测结果，从五次重复测试的结果中可以看出，变为无色的普鲁士蓝点的数量都是2个，此传感器阵列的重复性较好。

Claims (2)

1.一种电致变色传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列包含多个传感器，每个传感器分别包含电池部分和传感部分；所述传感部分包含传感电极和样品反应池；所述传感电极包含工作电极（1）和参比电极（2），所述工作电极（1）上修饰有普鲁士蓝点（3）；所述样品反应池包含阴极反应区（7）和阳极反应区（9），所述阴极反应区（7）和阳极反应区（9）分别由纸构成并通过Nafion膜（8）隔开，所述阴极反应区（7）和阳极反应区（9）内分别装有检测试剂，所述阴极反应区（7）中的检测试剂为含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，所述阳极反应区（9）中的检测试剂为含有铁氰化钾的缓冲溶液；

电池为铝氧电池，所述铝氧电池的正极（4）采用印刷油墨，所述正极（4）与所述参比电极（2）在同一片ITO薄膜的导电侧；所述铝氧电池的负极（5）采用铝箔材料，所述负极（5）与所述工作电极（1）在同一片ITO薄膜的导电侧；所述正极（4）和负极（5）通过纸（6）隔开；

所述工作电极（1）、参比电极（2）、正极（4）和负极（5）的制备方法包括：将两个ITO薄膜分别切割成梳状；取一个经切割的ITO薄膜，将梳齿部作为参比电极（2），将梳齿部一端相互连接的梳柄部涂覆电池正极材料形成正极（4）；取另一个经切割的ITO薄膜，梳齿部作为工作电极（1），将梳齿部一端相互连接的梳柄部覆盖电池负极材料作为负极（5）；

所述工作电极（1）和参比电极（2）均采用ITO薄膜电极，所述含有乳酸氧化酶的缓冲溶液为含有250U乳酸氧化酶的0.01M 磷酸缓冲盐溶液，pH 在7.0~7.5范围内，所述含有铁氰化钾的缓冲溶液为含有500mM铁氰化钾的0.01M 磷酸缓冲盐溶液，pH在7.0~7.5范围内；

所述的电致变色传感器阵列的使用方法如下：

1）吸取饱和氯化钠溶液进入所述电池部分，使电池正负极导通；

2）取待测乳酸溶液进入所述样品反应池，使样品反应池内开始进行氧化还原反应；

3）反应一段时间后，观察所述普鲁士蓝点的颜色变化，根据变色的普鲁士蓝点的个数即可获知待测乳酸溶液的浓度。

2.权利要求1所述的电致变色传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将两个ITO薄膜分别切割成梳状；取一个经切割的ITO薄膜，将梳齿部作为参比电极（2），将梳齿部一端相互连接的梳柄部涂覆电池正极材料形成正极（4）；取另一个经切割的ITO薄膜，梳齿部作为工作电极（1），将梳齿部一端相互连接的梳柄部覆盖电池负极材料作为负极（5）；

2）在工作电极（1）的导电侧修饰普鲁士蓝点（3）；所述普鲁士蓝点采用电沉积方法修饰在工作电极表面；所述电沉积采用的沉积液pH为2.0，所述沉积液包含10 mM氯化铁、10 mM铁氰化钾和2.6 mM盐酸；

3）依次层叠设置阴极反应区（7）、Nafion膜（8）和阳极反应区（9），形成中间层，将中间层设置为与所述工作电极（1）和参比电极（2）相同的形状，形成样品反应池，所述中间层设置在工作电极（1）和参比电极（2）之间，所述阴极反应区（7）与所述工作电极（1）相互重合，所述阳极反应区（9）与所述参比电极（2）相互重合；

4）所述正极（4）和所述负极（5）之间通过纸（6）隔开，所述纸（6）形状大于正极（4）和负极（5）；

5）在阴极反应区（7）滴加含有乳酸氧化酶的缓冲溶液，常温避光阴干；在阳极反应区（9）滴加含有铁氰化钾的缓冲溶液，常温避光阴干；

6）取标准浓度梯度的乳酸溶液，依次吸入步骤5）得到的传感器阵列的样品反应池，常温阴干，形成预置溶液区；所述标准浓度梯度为0，4，8，12，16，20 mM；

7）取不同已知浓度的乳酸溶液，用步骤6）得到的传感器阵列进行分别检测，得到乳酸溶液浓度与普鲁士蓝点变色情况的对应关系，所述不同已知浓度的乳酸溶液浓度分别为0，4，8，12，16，20 mM。

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