丝素蛋白基可穿戴式葡萄糖传感器的设计、构筑与性能研究

来源 :魏云航 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gygc126
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葡萄糖是人体中合成其他分子的关键能量来源和前驱体,但其浓度过高会引发糖尿病。近年来,糖尿病患者数量急剧上升,且尚有很大数量的潜在患者,因此,早期跟踪检测血糖浓度、预防高血糖的发生显得尤为重要。有效的葡萄糖浓度检测结果依赖于高性能传感器。目前,已见报道的葡萄糖传感器准确性高,但可穿戴性差,不能满足人体葡萄糖浓度实时连续在线检测需要。因此,设计开发新型柔性可穿戴葡萄糖传感器迫在眉睫。柔性可穿戴传感器能与人体更加贴合,融合传感性能和穿着舒适性,从而能够更加深入、连续性监测人体健康状态。纺织品柔软、穿着舒适性佳且与人体更贴合,是理想的传感器基底材料。因此,本文拟以蚕丝制品为基底,通过表面活化和原位沉积技术,在基底表面沉积普鲁士蓝(Prussian Blue,PB),保持其良好柔韧性和可穿戴性,同时赋予其一定的导电性和传感性能,构筑蚕丝基柔性可穿戴葡萄糖传感器。通过原位沉积成功制备PB功能化蚕丝纤维(PB@ASF),且沉积次数对其形貌影响显著。铁氰化钾吸附量实验表明随着沉积次数增加,沉积初始阶段(<2次),铁氰化钾溶液浓度变化较小,吸附量仅为0.03 mg/g,纤维表面可见少量颗粒沉积;增加沉积次数,铁氰化钾吸附量不断增加,纤维表面观察到大量PB颗粒。沉积6次时,铁氰化钾吸附量达0.31 mg/g,且沉积均匀,PB颗粒平均直径为72.28 nm;FITR、XRD、TG等结果表明:原位沉积PB仅发生在ASF表面,不会改变ASF构象;沉积6次后的SF具有短暂的疏水性,且热性质和力学性能得到改善,其中力学性能提高明显(123.89 MPa、89.15%)。PB@ASF纤维的含水量对纤维的导电性(电阻值)影响明显,表明其是离子导电;与含水量为0%相比,纤维含水量80%时电阻较干燥样品下降3个数量级。当沉积次数为6时,其电阻值最小,达99.5 KΩ。所制备的PB@ASF纤维电极对H2O2响应性高,且随着沉积次数的增加,灵敏度从9.12×10-3 m A·m M-1·cm-2提高到21.82×10-3 m A·m M-1·cm-2,6次达到21.82×10-3 m A·m M-1·cm-2,置信区间都在95%以上。继续增加沉积次数,其灵敏度反而下降。沉积6次的纤维电极对过氧化氢响应性最好,在0.8~7.0 mmol/L范围内具有明显的电化学响应性,检测限为0.01 mmol/L(S/N=3);并在30次CV循环测试下具有很好的循环性(RSD=1.4%);同一个纤维电极在7天后所测得的还原峰值降低为最初峰值的96.12%,说明PB@ASF纤维电极具有良好的稳定性;且同一种方法制备的3组样品对H2O2的响应性电流峰值偏差仅为1.9%,说明PB@ASF纤维电极有很好的重现性。发现6次的PB得到蚕丝纤维电极的灵敏度最高可达716.54×10-3 m A·m M-1·cm-2。横向、竖向、螺旋三种形态的PB@ASF纤维的峰值电流密度几乎相同(17.71 m A·cm-2、17.24 m A·cm-2、17.72m A·cm-2),三种结构的灵敏度以及相关性接近,说明PB@ASF纤维具有很好的柔性,可被用于纺织品的加工与织造方面。通过原位沉积和浸渍涂覆技术制备PB@ASF/GOx织物基可穿戴葡萄糖传感器具有良好的舒适性和可穿戴性。PB@ASF/GOx F织物透湿率达75.88 g·m-2·h-1,与原样(透湿率77.06 g·m-2·h-1)相差不大。PB@ASF/GOx织物基可穿戴葡萄糖传感器对葡萄糖具有独特的电催化性,在p H=6.8的环境下,灵敏度最高。通过i-t电化学测量方法,在0.45V的外加电位下显示出55.33×10-3 m A·m M-1·cm-2的灵敏度(2~17 mmol/L),检测限为2m M。此外,在相同方法制造的3个葡萄糖传感器上具有良好的重复性(97.93%),并在一周的时间内峰值电流损失约4.92%,说明其具有良好的稳定性,其循环性为原来的96.72%,并对葡糖糖具有很好的专一性。在不同弯曲角度下,PB@ASF/GOx织物基可穿戴葡萄糖传感器对葡萄糖的响应性曲线几乎重合,峰值电流变化不明显,说明PB@ASF/GOx织物基可穿戴葡萄糖传感器具有良好的柔性。
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