熊兆賢 薛 昊 林 丞 陳淑嫻 葉何蘭

（廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院 福建 廈門(mén) 361005）

前言

一方面，隨著人們生活水平不斷提高，滿足人體生物醫(yī)學(xué)的日常保健產(chǎn)品具有實(shí)際需求，可緩解專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)門(mén)診壓力和節(jié)約醫(yī)療費(fèi)用，具有重要的社會(huì)效益；另一方面，衛(wèi)生潔具生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品惡性降價(jià)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀，需要通過(guò)更新?lián)Q代來(lái)提高產(chǎn)品附加值，開(kāi)辟具有技術(shù)門(mén)檻的“藍(lán)海市場(chǎng)”，使衛(wèi)生潔具產(chǎn)品向高端化發(fā)展。開(kāi)發(fā)智能衛(wèi)生間系列化產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

本實(shí)驗(yàn)室科研人員與廈門(mén)大學(xué)附屬第一醫(yī)院經(jīng)過(guò)多年合作研究，開(kāi)發(fā)成功了滿足人體生物醫(yī)學(xué)日常保健的智能衛(wèi)生間系列產(chǎn)品技術(shù)，已經(jīng)獲得了授權(quán)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，為全國(guó)建筑衛(wèi)生陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)正在討論的智能馬桶生產(chǎn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充新的內(nèi)容。

1 電化學(xué)生物傳感器的研制

結(jié)合電分析技術(shù)與生物傳感技術(shù)的電化學(xué)生物傳感器具有較高的靈敏度、易微型化、能在渾濁的溶液中操作等許多優(yōu)勢(shì)，所需的儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜，因此是生物傳感器中非常重要的一類，被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)電化學(xué)檢測(cè)的方式不同，它又可分為安培型（電流型）、電勢(shì)型、表面電荷場(chǎng)致效應(yīng)晶體管（FETs）型和電導(dǎo)型電化學(xué)生物傳感器。筆者主要對(duì)以下兩部分進(jìn)行論述。

1.1 基于聚吡咯／Pt納米絨毛修飾多孔氧化鋁箔電極的生物傳感器

研究采用具有高比表面的多孔氧化鋁箔電極作為傳感器基底。該基底已作為鋁電解電容器的陽(yáng)極被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但是還未有文獻(xiàn)報(bào)道該材料被應(yīng)用于生物傳感器中。然后再利用一種簡(jiǎn)單的化學(xué)沉積反應(yīng)，將Pt納米絨毛沉積在金層上，形成Pt納米絨毛修飾的多孔氧化鋁箔電極。納米絨毛鉑對(duì)于H2O2有很高的催化能力。再結(jié)合具有較好生物相容性的聚吡咯薄膜材料，聚吡咯通過(guò)電聚合反應(yīng)沉積于Pt納米絨毛修飾的多孔氧化鋁箔電極上。在上述修飾電極上用戊二醛分別交聯(lián)固化葡萄糖氧化酶、尿酸氧化酶和膽固醇氧化酶，制得相應(yīng)的傳感器。研究不同聚合時(shí)間、不同pH值、不同酶量和不同溫度等對(duì)傳感器響應(yīng)電流的影響，得到靈敏度高，線性較好，有一定穩(wěn)定性的傳感器，并考察抗干擾能力和時(shí)間穩(wěn)定性。此外還對(duì)比基于PPy／Pt納米絨毛／Al2O3箔電極傳感器和無(wú)PPy修飾的Pt納米絨毛／Al2O3箔電極傳感器的靈敏度、線性范圍、檢測(cè)限、米氏常數(shù)、時(shí)間、溫度穩(wěn)定性和抗干擾能力，在此基礎(chǔ)上對(duì)傳感器的電子傳輸機(jī)理進(jìn)行探討。此外還進(jìn)行了醫(yī)院臨床血清實(shí)驗(yàn)。

1.2 基于酞菁鈷修飾聚吡咯鉛筆芯石墨電極的無(wú)酶生物傳感器

我們采用聚吡咯修飾不同電極（Pt片、鍍金、銅片、鐵片和鉛筆芯石墨電極），考察不同聚合電位、聚合時(shí)間和不同電解質(zhì)等對(duì)修飾電極的微觀形貌和電化學(xué)性能的影響。采用掃描電鏡顯微鏡、循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜等方法進(jìn)行表征。對(duì)得到的聚吡咯／鉛筆芯石墨電極進(jìn)行過(guò)氧化處理，使其表面形成一層帶負(fù)電的薄膜，并采用酞菁鈷進(jìn)行了修飾，應(yīng)用新穎的多段吸附法，以提高傳感器的響應(yīng)電流。所得到的傳感器無(wú)需葡萄糖氧化酶即可直接氧化葡萄糖產(chǎn)生響應(yīng)電流。傳感器具有較高的靈敏度、較快的響應(yīng)時(shí)間、一定的抗干擾能力和較好的時(shí)間穩(wěn)定性?？疾觳煌酆蠒r(shí)間、分段吸附次數(shù)和不同堿性條件等對(duì)傳感器響應(yīng)電流的影響，并對(duì)傳感器形貌對(duì)傳感器性能的影響以及傳感機(jī)理等進(jìn)行討論。

1.3 衛(wèi)生間智能保健檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試應(yīng)用

尿酸傳感器可安裝于衛(wèi)生潔具中，具有實(shí)現(xiàn)尿液中尿酸測(cè)試的應(yīng)用潛力。圖1（a）為開(kāi)發(fā)的新尿液反應(yīng)池。圖1（a）中反應(yīng)池保護(hù)罩上端為尿液入口，下端鋪設(shè)傳感器電極和對(duì)電極，底部有1～2個(gè)尿液出口，連接電極與儀器的導(dǎo)線穿過(guò)反應(yīng)池側(cè)方孔洞。此反應(yīng)池可使用于潔具中，如圖1（b）所示，反應(yīng)池通過(guò)導(dǎo)電連接至電化學(xué)工作站，完成電位的施加和數(shù)據(jù)的采集。

圖1 衛(wèi)生間智能保健檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用原型

圖2 不同尿樣的電流－時(shí)間曲線

對(duì)該套設(shè)備進(jìn)行了初步的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試，具體結(jié)果見(jiàn)圖2。不同尿樣具有不同的響應(yīng)電流，因此該傳感器反應(yīng)池有望應(yīng)用于實(shí)際潔具環(huán)境中，在保健方面得到應(yīng)用。

未來(lái)智能衛(wèi)生間反應(yīng)池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)想圖如圖3所示。測(cè)試步驟大致如下：第一步，當(dāng)沒(méi)有人使用潔具時(shí)，系統(tǒng)處于休眠模式，此模式為節(jié)能狀態(tài)；第二步，當(dāng)有人使用潔具時(shí)，紅外探測(cè)發(fā)出信號(hào)，潔具開(kāi)始沖水，單片機(jī)開(kāi)始工作，系統(tǒng)電流校零，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式；第三步，單片機(jī)開(kāi)始測(cè)試，并將相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示于LCD中，如pH值、蛋白、白細(xì)胞和尿酸值等；第四步，使用完成后潔具沖水清洗反應(yīng)池，系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠模式。

圖3 智能衛(wèi)生間反應(yīng)池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 熒光光纖生物傳感器的研制

本研究基于熒光猝滅原理的光纖生物傳感器的制備與應(yīng)用，包含葡萄糖傳感器和尿酸傳感器。人體體液中的各種成分的含量是評(píng)價(jià)人體健康情況的重要信息，其中葡萄糖和尿酸的檢測(cè)對(duì)于糖尿病、痛風(fēng)等疾病的診斷和治療具有重要的意義。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法需要通過(guò)醫(yī)院的大型器械設(shè)備，不利于實(shí)時(shí)在線的預(yù)防與監(jiān)測(cè)。目前家用型檢測(cè)設(shè)備精度低、價(jià)格昂貴，難以普及。光纖生物傳感器靈敏精確、輕巧便攜，在醫(yī)療檢測(cè)方面具有廣泛的發(fā)展應(yīng)用空間。目前文獻(xiàn)報(bào)道的基于熒光猝滅原理的尿酸傳感器較為少見(jiàn)，基于熒光猝滅原理的葡萄糖傳感器也尚無(wú)成品出現(xiàn)，仍停留在采用大型熒光光度計(jì)或昂貴的光纖光譜儀實(shí)現(xiàn)熒光檢測(cè)的階段。本研究采用電子元器件實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，搭建了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型光纖生物傳感系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。熒光光纖生物傳感器的研究?jī)?nèi)容主要分為以下3個(gè)部分：

2.1 光學(xué)尿酸傳感材料的制備與性能研究

本研究以TEOS為先驅(qū)體，通過(guò)溶膠－凝膠法包埋熒光指示劑聯(lián)吡啶釕和尿酸酶，制備基于熒光猝滅原理的凝膠尿酸傳感材料。討論了溶膠－凝膠反應(yīng)參數(shù)及敏感物質(zhì)添加量對(duì)其性能的影響。并考察不同條件因素對(duì)尿酸傳感材料熒光響應(yīng)的影響，得到了靈敏度高，線性較好，有一定穩(wěn)定性的傳感器。

2.2 光學(xué)葡萄糖傳感材料的制備與性能研究

本研究采用丙酮和醋酸纖維素制備了氧敏感膜，并采用戊二醛交聯(lián)葡萄糖氧化酶，通過(guò)包埋－交聯(lián)法制備基于熒光猝滅原理的光學(xué)葡萄糖傳感膜。討論不同成膜方法對(duì)其性能的影響，并考察不同條件因素對(duì)葡萄糖傳感膜熒光響應(yīng)的影響，得到了靈敏度高、線性較好、有一定穩(wěn)定性的傳感器。以TEOS為先驅(qū)體，PVA為改性劑，通過(guò)溶膠凝膠法包埋熒光指示劑聯(lián)吡啶釕和葡萄糖氧化酶，制備基于熒光猝滅原理的光學(xué)葡萄糖傳感材料。討論P(yáng)VA的摻雜及敏感物質(zhì)添加量對(duì)其性能的影響，并考察不同條件因素對(duì)葡萄糖傳感材料熒光響應(yīng)的影響，得到靈敏度高，線性較好，有一定穩(wěn)定性的傳感器。

2.3 多功能光纖生物傳感系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用

本研究采用光源、光纖、光強(qiáng)檢測(cè)及光電轉(zhuǎn)換電路板、信號(hào)采集卡和計(jì)算機(jī)，結(jié)合不同的光學(xué)生物傳感材料元件制成的探頭搭建多功能光纖生物傳感系統(tǒng)并設(shè)計(jì)光路及信號(hào)轉(zhuǎn)換流路。以此為硬件平臺(tái)，通過(guò)擬定標(biāo)準(zhǔn)公式和分析算法編制了軟件，可用于葡萄糖和尿酸的濃度檢測(cè)。將光纖生物傳感系統(tǒng)作為“衛(wèi)生間智能保健檢測(cè)系統(tǒng)”的一部分，應(yīng)用于智能衛(wèi)生間，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)尿液中指標(biāo)參數(shù)的檢測(cè)。

3 氣體生物傳感器的研制

筆者從傳感器的氣敏材料和氨氣敏感性能這兩方面開(kāi)展研究工作。氣敏材料的選擇、制備以及表征構(gòu)成氣敏材料的研究?jī)?nèi)容；氨氣敏感特性及對(duì)氣敏機(jī)理的探討則構(gòu)成敏感性能的研究?jī)?nèi)容。聚合物及其復(fù)合物材料的制備和表征是基礎(chǔ)，改進(jìn)及敏感機(jī)理是研究的重點(diǎn)。主要包括以下3部分內(nèi)容：

3.1 聚吡咯的制備與氣敏測(cè)試

本研究采用化學(xué)聚合法制備聚吡咯，并對(duì)聚吡咯粉末進(jìn)行TG－DTA、FTIR、XRD和SEM等表征，探討反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度以及有機(jī)溶劑對(duì)聚吡咯電導(dǎo)率的影響，研究出最佳的工藝條件。研究采用多孔陶瓷制備的基底，直接將氣敏材料聚吡咯反應(yīng)于上得到氣敏元件。并利用搭建的氣體敏感測(cè)試體系，對(duì)傳感元件進(jìn)行氨氣的敏感響應(yīng)測(cè)試、解吸附測(cè)試和重復(fù)性測(cè)試，并對(duì)不同溫度下傳感元件對(duì)氨氣的敏感行為進(jìn)行測(cè)試。另外，對(duì)于聚吡咯的導(dǎo)電機(jī)理和氣體敏感性機(jī)理進(jìn)行討論分析。

3.2 聚吡咯／二氧化錫復(fù)合材料的制備與氣敏測(cè)試

本研究采用原位聚合法制備聚吡咯／二氧化錫復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行材料表征。將復(fù)合材料應(yīng)用于氨氣氣體敏感測(cè)試，討論二氧化錫含量對(duì)敏感行為的影響，并對(duì)制得的不同基底和不同氣敏材料的傳感元件的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，此外也進(jìn)行傳感元件時(shí)間穩(wěn)定性的測(cè)試。筆者在機(jī)理討論方面對(duì)二氧化錫對(duì)氨氣敏感性的影響以及對(duì)傳感元件響應(yīng)時(shí)間的影響進(jìn)行初步分析討論。

3.3 氣體傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

為了使傳感器滿足集成化和應(yīng)用便攜式，本研究后期工作整合了電源、傳感元件和數(shù)據(jù)采集卡，并搭建氨氣氣體傳感系統(tǒng)和電子線路及信號(hào)轉(zhuǎn)換流路；然后以此為硬件平臺(tái)，通過(guò)擬定標(biāo)準(zhǔn)公式和分析算法編制軟件，應(yīng)用于氨氣氣體的檢測(cè)；最后把氨氣氣體傳感系統(tǒng)作為“衛(wèi)生間智能保健檢測(cè)系統(tǒng)”的一部分，探索其在智能衛(wèi)生間的初步應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)室科研人員與廈門(mén)大學(xué)附屬第一醫(yī)院經(jīng)過(guò)多年合作研究，開(kāi)發(fā)成功滿足人體生物醫(yī)學(xué)日常保健的智能衛(wèi)生間系列傳感器技術(shù)，已經(jīng)獲得了授權(quán)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，初步應(yīng)用于“衛(wèi)生間智能保健檢測(cè)系統(tǒng)”。

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