三维有序大孔结构薄膜及检测糖尿病和肺癌标志物的电学传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料制备和检测分析技术领域，具体涉及一种三维有序大孔结构薄膜及检测糖尿病和癌症标志物的电学传感器。
【背景技术】
[0002]对疾病进行快速、准确、简单且无创的检测对疾病的预防和检测具有重要的意义。研究表明，由于在人体不同部位病变细胞的生物化学过程中，会产生与之密切相关的多种挥发性有机化合物(VOCs)，它们可通过血液循环由肺泡交换而呼出体外。所以观察呼气中VOCs的浓度变化，为研究者提供了一个直观监测人体健康情况的生物窗口。另外，VOCs在呼气中的表达常常优先于临床症状的出现，对疾病的早期诊断也非常有利。因此，对呼出气体中的VOCs标志物进行探测，被认为是进行疾病快速无创检测的有效手段。目前应用于呼气中VOCs标志物的检测方法大致可分为谱线测定法和传感检测器件。谱线测定法虽使用广泛也可满足无创的要求，但因体积大、价格昂贵、存放环境和技术水平要求高、需要对待测气体预富集等缺点限制了其推广使用。传感检测器件的出现为呼出气体检测便携实用化打开了一个新领域，尤其是电阻式半导体氧化物(SMO)气敏传感器因具有对低浓度VOCs灵敏度高、操作方便、体积小等特点，成为被热门研究的一类呼出气体传感器件。因此鉴于传统疾病检测方法存在的多种缺陷，设计一种性能优良、低成本、快速、无创的体外检测疾病装置显得迫在眉睫。
[0003]纳米材料形貌可控性极强，针对其结构及形貌的控制和优化，可进一步改进半导体氧化物气敏传感器件的性能。在众多的纳米结构中，三维(3D)大孔结构的半导体氧化物纳米材料兼具了半导体氧化物优异的电子传输特性、3D孔道结构巨大的比表面积、大孔尺寸方便可控等优点，为气体分子提供了更丰富的传输通道，可以获得对极低浓度目标气体的快速响应，因而成为新型半导体氧化物气体传感器的理想结构选择。在气体检测方面，三维有序大孔材料的应用仍然较少，本发明是基于三维有序大孔材料的气体传感器，基于三维有序大孔材料器件易于集成，结构稳定，可重复利用等特点，使其在实际应用中有良好前景。
[0004]本发明通过制备得到三维有序大孔结构薄膜，用于生物标志物气体的检测具有低成本、高灵敏度、可调节的检测范围和精度并有望实现便携测试。例如，糖尿病检测设备较为昂贵，并且传统的糖尿病检测手段通常采用采血等有创或者微创手段，给患者带来身心上的压力和痛苦；而使用三维有序大孔结构薄膜，进行呼出气体中糖尿病生物标志物的检测，则可极大降低检测成本，同时可实现无创检测，从而避免患者的创伤痛苦。一般来讲，健康个体呼出气体中丙酮的含量是0.3?0.9ppm，而糖尿病患者呼出气体中丙酮的含量则高于1.8ppm，当呼出气体接触制备的三维有序大孔结构薄膜时，呼出气体中的生物标志物气体分子与三维有序大孔结构薄膜半导体表面的吸附氧发生反应，吸附氧释放电子回到半导体之中，从而使半导体电阻发生改变。因此，响应灵敏度的高低则能区分出健康个体与患者。三维有序大孔结构薄膜特有的结构，具有比表面积大，通透性高等特点，非常有利于气体分子的吸附与反应。因此，将三维有序大孔结构薄膜结构应用于生物标志物气体的检测，可以实现高灵敏度、精确、低成本、无创性的实时检测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述疾病检测的缺陷，而提供一种三维有序大孔结构薄膜及基于该三维有序大孔结构薄膜的检测糖尿病及癌症标志物的体积小、结构稳定、易于操作而且可重复使用的电学传感器。
[0006]糖尿病及癌症标志物气体，如丙酮气体常见于糖尿病患者，甲苯气体常见于肺癌患者，壬烷常见于乳腺癌患者，醋酸常见于肝癌患者等。
[0007]该电学传感器由三部分组成，第一部分是密闭容器，在密闭容器内设置有气敏电极，在气敏电极的表面负载有三维有序大孔结构薄膜；第二部分是与气敏电极相连接的气体测试仪器，用于将来自于三维有序大孔结构薄膜的检测信号转换为可识别的电信号；第三部分是处理机，用于接收气体测试仪器输出电信号的处理及直观显示。
[0008]待测浓度气体通入密闭容器后，待测浓度气体与三维有序大孔结构薄膜接触，并与薄膜表面的吸附氧发生化学反应，引起薄膜表面和体内电阻变化，通过对薄膜电阻的测量，最终实现对待测气体浓度的比对检测。本发明具有体积小、结构稳定、易于操作而且可重复使用等优点，具有高的灵敏度，并且可调节检测范围和精度。
[0009]本发明所述的三维有序大孔结构薄膜，其由如下步骤制备得到:
[0010](I)通过溶胶凝胶法合成单分散的聚甲基丙烯酸甲酯微球:在80?100°C油浴温度下，依次将甲基丙烯酸甲酯、过硫酸钾加入水中，反应0.5?3h，制备得到稳定性、均一性良好的聚甲基丙烯酸甲酯微球乳液，聚甲基丙烯酸甲酯微球直径为100?600nm ;
[0011](2)采用自组装方法，将聚苯乙烯微球或步骤⑴制备的聚甲基丙烯酸甲酯微球沉积在基底(普通玻璃、ITO导电玻璃、FTO导电玻璃、塑料板)上，从而形成规整的聚甲基丙稀酸甲酯或聚苯乙稀微球蛋白石薄膜，薄膜厚度为I μπι?4 μm，聚苯乙稀微球的直径为I μ m ~ 2 μ m ；
[0012](3)向步骤⑵制得的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯蛋白石薄膜上滴入前驱体溶液，前驱体溶液应填满聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯蛋白石薄膜的缝隙，然后于100?150°C温度下处理I?3h ;
[0013](4)高温退火去除聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯蛋白石薄膜，在基底上得到对呼出气体敏感的反蛋白石结构的半导体氧化物三维有序大孔结构薄膜；
[0014]步骤(I)中甲基丙烯酸甲酯、过硫酸钾、水的用量比例为0.5?15mL: 5?10mg: 10 ?150mL。
[0015]步骤(2)所述的自组装方法包括以下步骤:
[0016]①将聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯微球乳液用水分散，得到0.1?2%质量分数的微球分散液；
[0017]②将微球分散液加入到容器中，容器中竖直放置平整的基底，然后在10?60°C下恒温干燥I?6天，从而在基底表面自组装得到微球薄膜；
[0018]③将自组装有微球薄膜的基底从微球分散液中取出，再在100?150°C下恒温处理0.5?2小时，从而在基底上形成规整的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯微球蛋白石薄膜。
[0019]步骤(3)中所述的前驱体溶液由无机盐、耦合剂、溶剂按质量比4?15: O?10: 30?70的比例混合而成，前驱体溶液退火处理后得到具有气体识别功能的半导体氧化物；所述的无机盐，包括硝酸类无机盐、氯化物无机盐、醋酸类无机盐、硫酸类无机盐以及铵类盐；所述的耦合剂为用于耦合作用的交联剂，包括柠檬酸、氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰等；所述的溶剂为醇类溶剂、酮类溶剂、水溶剂等。
[0020]步骤(4)采用高温退火促进前驱体无机盐分解，同时去除聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯蛋白石薄膜，退火温度为400?800°C，退火时间为I?5h。
[0021]将步骤(4)得到的三维有序大孔结构薄膜从基底上刮下，与粘合剂混合制成涂料状混合物，然后将涂料状混合物涂抹到带有两个分立电极的陶瓷管或带有插指电极的平板陶瓷上，从而得到气敏电极；所述的粘合剂为水、乙醇或松香醇等。
[0022]基于三维有序大孔结构薄膜的气体传感器可以用于检测气体浓度，其步骤如下:
[0023](I