[发明专利]碳气凝胶、传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开碳气凝胶、传感器及其制备方法和应用，所述碳气凝胶的制备方法包括如下步骤：将多糖与水溶性金属盐混合，形成凝胶状金属‑多糖复合物；在保护气体‑氢气气氛中对所述凝胶状金属‑多糖复合物进行碳化；碳化后去除金属盐，得到碳气凝胶。所述传感器包括所述碳气凝胶。本发明通过特殊的方法制得具有大比表面积和三维网状多孔结构的碳气凝胶，使得被壳聚糖保护的酶探针均匀分布于碳气凝胶结构内，实现离子的连续迁移和电子的快速传输，提高了传感器的灵敏度和稳定性。且本发明的碳气凝胶不含重金属，无生物毒性，生物相容性好。

技术领域

本发明涉及传感材料技术领域，特别涉及碳气凝胶、传感器及其制备方法和应用。

背景技术

全球有数亿人深受糖尿病的困扰。糖尿病患者长期血糖过高，需要经常检测血糖浓度，目前采用的主要检测方法是采血式单点测量法。该方法通过指端采血，需要进行扎针采样，给患者带来了痛苦。开发基于汗液、泪液等进行葡萄糖检测的无创型血糖监测设备可以使得检测者免受扎针之痛，可穿戴的柔性葡萄糖传感器使血糖的无创检测更为便利，检测体验更佳。

相关技术公开了一种柔性可拉伸葡萄糖传感器及其制备方法，该传感器使用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯等高分子聚合物作为柔性基底，金、铂等金属材料作为金属电极层，金属电极层上有铟金属薄膜层作为缓冲层。铟金属薄膜层设有金属氧化物颗粒，金属氧化物颗粒外表面包附有葡萄糖氧化酶。另有相关公开了一种基于金气凝胶工作电极的可穿戴葡萄糖传感器芯片及制备方法。利用金气凝胶直接作为可穿戴葡萄糖传感器的工作电极，无需附加导电基底。不过使用金、铂等贵金属作为主要材料成本较高，可穿戴传感器上含有铜、镍等重金属对皮肤具有毒性风险。

还有相关技术使用化学镀金得到PET基底薄膜金电极，在参比电极上涂布银浆，在工作电极上沉积普鲁士蓝，滴涂含有壳聚糖、单壁碳纳米管的葡萄糖氧化酶溶液和nafion溶液，使用壳聚糖保护葡萄糖氧化酶的生物活性。虽然葡萄糖氧化酶对葡萄糖的催化具有特异性和高效性，但葡萄糖氧化酶易受环境的影响而失活。壳聚糖包埋使得葡萄糖氧化酶活性中心的电子难以传导到金电极上。而在葡萄糖氧化酶溶液中添加单壁碳纳米管虽然可以实现电子的直接传导，但单壁碳纳米管的潜在生物毒性问题近年来引起越来越多的关注，用于可穿戴的柔性葡萄糖传感器具有较大的安全风险。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种碳气凝胶的制备方法，所得碳气凝胶具有大比表面积和三维网状多孔结构，能够使葡萄糖氧化酶等酶探针均匀分布其中，避免酶探针受环境的影响而失活，且具有很高的安全性。

同时，本发明还提供由该制备方法得到的碳气凝胶，以及利用碳气凝胶制成的传感器。

具体地，本发明采取如下技术方案：

本发明的第一方面是提供一种碳气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

将多糖与水溶性金属盐混合，形成凝胶状金属-多糖复合物；

在保护气体-氢气气氛中对所述凝胶状金属-多糖复合物进行碳化；

碳化后去除金属盐，得到碳气凝胶。

在本发明的制备方法中，将多糖与金属盐混合使得金属离子进入多糖的结构中形成稳定的配位结构，使多糖的构架得以保持而不发生坍塌。碳化过程一般在高温下进行，但是高温下碳元素会被气化，从而影响碳气凝胶的结构。本发明通过在含氢气的保护气氛下进行碳化，避免了碳元素气化，形成具有大比表面积的三维网状多孔结构，可对酶探针进行保护。且本发明的碳气凝胶中不含金属，无生物毒性，具有很高的安全性。

在本发明的一些实施方式中，所述多糖包括壳聚糖、甲壳素、淀粉、纤维素中的至少一种，优选为壳聚糖。