专利名称：一种用于糖尿病早期诊断的纳米传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于糖尿病早期诊断的纳米传感器。
背景技术：
人体呼出气体中可以检测出几百种挥发性气体，其中部分与疾病有关[1]。例如，丙酮气体预示着尿毒症(如糖尿病患者)，二甲胺气体则与肝脏疾病有关，等等。因此，通过检测人体呼出气体来诊断人体健康状态引起了医学界非常的关注[2]。它不仅可以在无毒状态下，不需任何侵入人体的方式快速实施病情诊断，而且可以为进一步掌握人体基本生物化学功能提供一个重要的新视角。通过对病人呼出气体分子的探测，实现多种疾病的诊断是十分有效的。
国际上，检测人体呼出气体的传感器的研究还刚起步，报道的类型通常有以下几种MOS(金属氧化物半导体，如SnO2、CdO2、Nb2O5等)[2]、EC(电化学)[3]、BAW(声体波)/SAW(声表面波)[1]和CP(导电聚合物)[4]等。探测人体呼气中特殊气体的含量作为健康状况的预检，是家庭自检或群体普查的方便快捷手段之一。但是，目前还未见有通过探测人体呼出气体中特殊气体来诊断糖尿病的传感器和方法。
参考文献[1]Y-J Lin，H-R Guo，et al.“Application of the electronic nose for uremia diagnosis”，Sensorsand Actuators，B 76(2001)177-180[2]S.V.Ryabtsev，A.V.Shaposhmick，et al，“Application of semiconductor gas sensors formedical diagnostics”，Sensors and Actuators，B 59(1999)26-29. J.W.Gardner，H W.Shin，et al，“An electronic nose system to diagnose illness”，Sensors andActuators，B 70(2000)19-24. K.C.Persaud，P.J.Travers，“Arrays of broad specificity films for sensing volatile chemicals”，inE.Kress-Rpger(Ed)，Haadb.Biosens.Electron.Noses，CRC Press，Ohio，1997，pp.563-592. J.W.Gardner.Microsensors-Principles and Applications.John Wiley & Sons，New York1994. Bozhi Tian，Xiaoying Liu，Haifeng Yang，Songhai Xie，Chengzhong Yu，Bo Tu and DongyuanZhao.General Synthesis of Ordered Crystallized Metal Oxide Nanoarrays Replicated byMicrowave Digested Mesoporous Silica.Adv.Mater.，2003，15，1370-1374[7]Haifeng Yang，Qihui shi，Bozhi Tian，Qingyi Lu，Feng Gao，Songhai Xie，Jie Fan，Chengzhong Yu，Bo Tu，and Dongyuan Zhao.One-Step Nanocasting Synthesis of HighlyOrdered Single Crystalline Indium Oxide Nanowire Arrays from Mesostructured Frameworks.J.Am.Chem.Soc.，2003，125，4724-4725.

发明内容
本发明的目的在于提出一种通过探测人体呼出气体中的特殊成份，早期诊断糖尿病症的传感器及其制备方法。
医学研究表明，人体呼出气体中的丙酮气体的含量是糖尿病症的重要表征指标，因此，检测出呼出气体中丙酮的浓度，可为早期诊断糖尿病症提供依据。根据丙酮分子的大小，本发明找到了一种银离子修饰的纳米沸石分子筛材料，它对丙酮具有独特的响应，即对丙酮有很高的选择性。另外，压电谐振式质量传感器QCM(Quartz Crystal Microbalance)具有很高的灵敏度。因此，本发明以纳米分子筛材料作为敏感膜，与压电谐振式质量传感器QCM结合，构成用于早期诊断糖尿病的纳米传感器。
本发明提出的纳米传感器的制备方法如下a.对QCM石英晶片预清洗，以便去除晶片上的微尘、金属离子和有机物；b.把Ag+ZSM-5纳米分子筛材料研磨成粉末(一般颗粒直径＜0.1微米)，以便使分子筛与QCM均匀、牢固的键合；c.把Ag+ZSM-5粉末分散于无水乙醇，并放在超声波混合仪中进行超声处理，直至成为均一的悬浮液。一般Ag+ZSM-5与无水乙醇的重量配比为1∶20-1∶100，具体可根据涂覆膜层的厚度确定；d.停止超声，把QCM石英晶片浸没于悬浮液中，随即取出，去除随之带出的液滴；e.把涂有Ag+ZSM-5分子筛的QCM石英晶片升温至200-300℃，在该温度保持20-30分钟，以去除乙醇并使QCM与分子筛很好地键合；f.根据需要重复步骤d和e以得到需要的敏感膜厚度，以满足传感器谐振基频的要求。
传感器的工作原理介绍如下谐振式质量传感器QCM在电压的驱动下以基频振动。当含有一定浓度的丙酮气体流入气敏传感器，丙酮分子则迅速被涂覆在QCM表面的纳米分子筛吸附，该微小质量的改变立即引起QCM谐振频率的变化，根据Sauerbrey方程[5]，可以知道Δf＝-2.26×10-6f2Δm/A其中，Δm是质量负载的改变(单位为g)，f为石英晶体的工作频率(单位为Hz)，Δf是负载质量改变量Δm所引起的频率改变，A是石英晶体的面积(单位为cm2)，负号表示QCM表面质量增加将导致其频率下降。
上述频率的改变由频率计检测后，经过数据采集送入计算机，显示在屏幕上和/或存储起来。多次对不同已知浓度的丙酮气体的测量结果经过统计分析并经计算模拟，得到该传感器的标定曲线，见图2。由该曲线可以实时查对未知被测气体中的丙酮含量。
本发明中，压电谐振式质量传感器件通过检测系统谐振频率的改变来获得系统质量的变化；通过不同孔径大小、形状以及经化学修饰的纳米分子筛材料作为气体敏感膜，用一定工艺制作在上述传感器件上。当气体进入检测传感器后，其中特定的丙酮气体分子就会选择性地被气敏纳米分子筛膜吸附而附着在压电谐振式质量传感器件上，因此造成了系统质量的变化(该变化量大小与该特定气体的浓度相关)，进而导致系统谐振频率的变化。所以系统谐振频率的变化即指示出人体呼出气体中含有特定的与各种疾病相关的气体的浓度，该浓度值即可作为糖尿病病情诊断的辅助手段和早期病情的自诊系统的参考。
本发明提供的传感器结构简单，价格低廉，能完全区分正常人和糖尿病人的呼出气体，重复性好，可多次使用，适用于医院糖尿病大面积普查和家庭早期自测。


图1疾病诊断传感器系统示意图。
图2传感器丙酮浓度——频率响应标定曲线。
图3传感器的灵敏度鉴定结果。其中，图3(a)为丙酮在氮气中浓度为4.5ppm-29ppm的响应曲线(Ag+ZSM-5的厚度为1.5微米)，图3(b)为丙酮在氮气中浓度为1.2ppm-7.8ppm的响应曲线(Ag+ZSM-5的厚度为2微米)。
图4传感器选择性测试曲线。
图5传感器重复性试验结果。
图6传感器对糖尿病人呼气的测试。其中，图6(a)为响应曲线图，图6(b)为图6(a)中曲线经数据处理后的形象直观图。
具体实施例方式
纳米气敏传感器的制备。
QCM首先以1％草酸清洗30分钟后，继续用无水乙醇超声清洗30分钟，经去离子水冲洗5分钟后，200℃烘干30分钟，以确保QCM表面清洁干燥。Ag+ZSM-5纳米分子筛，经玛瑙研砵研磨30分钟后，加入适量的CMOS无水乙醇于超声波混合仪中超声处理30分钟后成为悬浮状液体，然后将预先清洁干燥的QCM浸于该悬浮液中，随即取出并置于干净的培养皿中，在200℃烤箱内烘一个小时解吸乙醇后，即完成一层纳米分子筛膜的涂覆。重复上述步骤，直至该QCM的谐振基频(涂分子筛之前为8MHz)达到7.97MHz。涂覆纳米分子筛后的QCM放入干燥箱存放以备使用。
整个测量装置的结构示意图见图1。它主要由三个部分组成气体预处理部分、传感器部分和检测部分。由于人体呼出气体中含有大量水汽，会对检测造成很大的干扰，因此对于人体呼出气体的重要处理步骤是采用物理冷凝的办法去除水份。一般可采用半导体制冷片和三级绝热气体膨胀的制冷结构，使流经除湿腔的样品气体中的水蒸汽被冷却成微水珠达到水分与气体的分离，又不影响原来待测气体样品的浓度，可基本消去水汽对待测气体的影响。传感器部分是装置的核心部分，即采用本发明的QCM经涂覆气敏材料Ag+ZSM-5构成的传感器。气体通过这部分引起QCM频率改变进而转化为电信号从检测部分输出。传感器主要性能指标传感器对丙酮气体的最小检测浓度达1.2ppm，灵敏度为-0.00088％Hz/ppm(如图3)，而图4则表明该传感器对丙酮气体具有良好的选择性。
图5所示为QCM样管传感器对不同浓度丙酮气体重复性实验，对纯氮气、5ppm和10ppm三种浓度的气体都进行了两次的测量以证明其重复性。从图中可以看出该传感器的响应时间大约为90秒，重复性好。
样管对糖尿病人呼出气体的检测我们采集了11位糖尿病人的呼气，并进行了检测，结果见图6，从图中可以看到，该样管可以完全区分糖尿病人和正常人。表1给出了病人的血糖值及检测时对应的谐振频率改变值，以及按照样管标定曲线获得的病人呼气中的丙酮含量值。其丙酮含量符合文献[1]所说0.1～10ppm的范围，说明了该传感器的实用性。
权利要求
1.一种用于糖尿病早期诊断的纳米传感器，其特征在于以纳米分子筛材料Ag+ZSM-5作为敏感膜，与压电谐振式质量传感器QCM结合而构成。
2.一种用于糖尿病早期诊断的纳米传感器的制备方法，其特征在于具体步骤如下a.对QCM石英晶片预清洗；b.把Ag+ZSM-5纳米分子筛材料研磨成粉末；c.将Ag+ZSM-5分散于无水乙醇中，并放在超声波混合仪中进行超声处理，直至成为均一的悬浮液；d.停止超声，把QCM石英晶片浸没于悬浮液中，随即取出，去除随之带出的液滴；e.把涂有Ag+ZSM-5分子筛的QCM石英晶片升温至200-300℃，并在该温度保持20-30分钟，以去除乙醇并使QCM与分子筛很好地键合；f.重复步骤d和e，直至得到需要的敏感膜厚度。
全文摘要
本发明为一种用于糖尿病早期诊断的纳米传感器。它以Ag
文档编号G01N27/04GK1540330SQ20031010821
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月25日 优先权日2003年10月25日
发明者黄洪湖, 陈声育, 黎坡, 曾磊, 黄宜平, 周嘉, 赵东元, 刘志诚, 郁挺, 刘全 申请人:复旦大学