衛生潔具配套智能衛生間保健型傳感系統研制*

熊兆賢 薛 昊 林 丞 陳淑嫻 葉何蘭

（廈門大學材料學院 福建 廈門 361005）

前言

一方面，隨著人們生活水平不斷提高，滿足人體生物醫學的日常保健產品具有實際需求，可緩解專業醫療機構門診壓力和節約醫療費用，具有重要的社會效益；另一方面，衛生潔具生產企業應對產品惡性降價競爭現狀，需要通過更新換代來提高產品附加值，開辟具有技術門檻的“藍海市場”，使衛生潔具產品向高端化發展。開發智能衛生間系列化產品市場前景廣闊，具有可觀的經濟效益。

本實驗室科研人員與廈門大學附屬第一醫院經過多年合作研究，開發成功了滿足人體生物醫學日常保健的智能衛生間系列產品技術，已經獲得了授權多項國家發明專利，為全國建筑衛生陶瓷標準化技術委員會正在討論的智能馬桶生產檢測標準補充新的內容。

1 電化學生物傳感器的研制

結合電分析技術與生物傳感技術的電化學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勢，所需的儀器結構簡單價格便宜，因此是生物傳感器中非常重要的一類，被廣泛應用于各種應用領域。根據電化學檢測的方式不同，它又可分為安培型（電流型）、電勢型、表面電荷場致效應晶體管（FETs）型和電導型電化學生物傳感器。筆者主要對以下兩部分進行論述。

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極被廣泛地應用于工業生產中，但是還未有文獻報道該材料被應用于生物傳感器中。然后再利用一種簡單的化學沉積反應，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。納米絨毛鉑對于H2O2有很高的催化能力。再結合具有較好生物相容性的聚吡咯薄膜材料，聚吡咯通過電聚合反應沉積于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固化葡萄糖氧化酶、尿酸氧化酶和膽固醇氧化酶，制得相應的傳感器。研究不同聚合時間、不同pH值、不同酶量和不同溫度等對傳感器響應電流的影響，得到靈敏度高，線性較好，有一定穩定性的傳感器，并考察抗干擾能力和時間穩定性。此外還對比基于PPy／Pt納米絨毛／Al2O3箔電極傳感器和無PPy修飾的Pt納米絨毛／Al2O3箔電極傳感器的靈敏度、線性范圍、檢測限、米氏常數、時間、溫度穩定性和抗干擾能力，在此基礎上對傳感器的電子傳輸機理進行探討。此外還進行了醫院臨床血清實驗。

1.2 基于酞菁鈷修飾聚吡咯鉛筆芯石墨電極的無酶生物傳感器

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、聚合時間和不同電解質等對修飾電極的微觀形貌和電化學性能的影響。采用掃描電鏡顯微鏡、循環伏安法和電化學阻抗譜等方法進行表征。對得到的聚吡咯／鉛筆芯石墨電極進行過氧化處理，使其表面形成一層帶負電的薄膜，并采用酞菁鈷進行了修飾，應用新穎的多段吸附法，以提高傳感器的響應電流。所得到的傳感器無需葡萄糖氧化酶即可直接氧化葡萄糖產生響應電流。傳感器具有較高的靈敏度、較快的響應時間、一定的抗干擾能力和較好的時間穩定性。考察不同聚合時間、分段吸附次數和不同堿性條件等對傳感器響應電流的影響，并對傳感器形貌對傳感器性能的影響以及傳感機理等進行討論。

1.3 衛生間智能保健檢測系統的測試應用

尿酸傳感器可安裝于衛生潔具中，具有實現尿液中尿酸測試的應用潛力。圖1（a）為開發的新尿液反應池。圖1（a）中反應池保護罩上端為尿液入口，下端鋪設傳感器電極和對電極，底部有1～2個尿液出口，連接電極與儀器的導線穿過反應池側方孔洞。此反應池可使用于潔具中，如圖1（b）所示，反應池通過導電連接至電化學工作站，完成電位的施加和數據的采集。

圖1 衛生間智能保健檢測系統的應用原型

圖2 不同尿樣的電流－時間曲線

對該套設備進行了初步的數據采集和測試，具體結果見圖2。不同尿樣具有不同的響應電流，因此該傳感器反應池有望應用于實際潔具環境中，在保健方面得到應用。

未來智能衛生間反應池系統的結構設想圖如圖3所示。測試步驟大致如下：第一步，當沒有人使用潔具時，系統處于休眠模式，此模式為節能狀態；第二步，當有人使用潔具時，紅外探測發出信號，潔具開始沖水，單片機開始工作，系統電流校零，系統進入工作模式；第三步，單片機開始測試，并將相關的測試數據顯示于LCD中，如pH值、蛋白、白細胞和尿酸值等；第四步，使用完成后潔具沖水清洗反應池，系統重新進入休眠模式。

圖3 智能衛生間反應池系統結構原理圖

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價人體健康情況的重要信息，其中葡萄糖和尿酸的檢測對于糖尿病、痛風等疾病的診斷和治療具有重要的意義。

傳統的檢測方法需要通過醫院的大型器械設備，不利于實時在線的預防與監測。目前家用型檢測設備精度低、價格昂貴，難以普及。光纖生物傳感器靈敏精確、輕巧便攜，在醫療檢測方面具有廣泛的發展應用空間。目前文獻報道的基于熒光猝滅原理的尿酸傳感器較為少見，基于熒光猝滅原理的葡萄糖傳感器也尚無成品出現，仍停留在采用大型熒光光度計或昂貴的光纖光譜儀實現熒光檢測的階段。本研究采用電子元器件實現了光電轉換，搭建了經濟實用的小型光纖生物傳感系統，具有較高的應用價值和經濟效益。熒光光纖生物傳感器的研究內容主要分為以下3個部分：

2.1 光學尿酸傳感材料的制備與性能研究

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

2.2 光學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，并采用戊二醛交聯葡萄糖氧化酶，通過包埋－交聯法制備基于熒光猝滅原理的光學葡萄糖傳感膜。討論不同成膜方法對其性能的影響，并考察不同條件因素對葡萄糖傳感膜熒光響應的影響，得到了靈敏度高、線性較好、有一定穩定性的傳感器。以TEOS為先驅體，PVA為改性劑，通過溶膠凝膠法包埋熒光指示劑聯吡啶釕和葡萄糖氧化酶，制備基于熒光猝滅原理的光學葡萄糖傳感材料。討論PVA的摻雜及敏感物質添加量對其性能的影響，并考察不同條件因素對葡萄糖傳感材料熒光響應的影響，得到靈敏度高，線性較好，有一定穩定性的傳感器。

2.3 多功能光纖生物傳感系統的搭建與應用

本研究采用光源、光纖、光強檢測及光電轉換電路板、信號采集卡和計算機，結合不同的光學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并設計光路及信號轉換流路。以此為硬件平臺，通過擬定標準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。將光纖生物傳感系統作為“衛生間智能保健檢測系統”的一部分，應用于智能衛生間，初步實現對尿液中指標參數的檢測。

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展研究工作。氣敏材料的選擇、制備以及表征構成氣敏材料的研究內容；氨氣敏感特性及對氣敏機理的探討則構成敏感性能的研究內容。聚合物及其復合物材料的制備和表征是基礎，改進及敏感機理是研究的重點。主要包括以下3部分內容：

3.1 聚吡咯的制備與氣敏測試

本研究采用化學聚合法制備聚吡咯，并對聚吡咯粉末進行TG－DTA、FTIR、XRD和SEM等表征，探討反應時間、反應壓力、反應溫度以及有機溶劑對聚吡咯電導率的影響，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于上得到氣敏元件。并利用搭建的氣體敏感測試體系，對傳感元件進行氨氣的敏感響應測試、解吸附測試和重復性測試，并對不同溫度下傳感元件對氨氣的敏感行為進行測試。另外，對于聚吡咯的導電機理和氣體敏感性機理進行討論分析。

3.2 聚吡咯／二氧化錫復合材料的制備與氣敏測試

本研究采用原位聚合法制備聚吡咯／二氧化錫復合材料，并對復合材料進行材料表征。將復合材料應用于氨氣氣體敏感測試，討論二氧化錫含量對敏感行為的影響，并對制得的不同基底和不同氣敏材料的傳感元件的響應時間進行統計分析，此外也進行傳感元件時間穩定性的測試。筆者在機理討論方面對二氧化錫對氨氣敏感性的影響以及對傳感元件響應時間的影響進行初步分析討論。

3.3 氣體傳感系統的設計及應用

為了使傳感器滿足集成化和應用便攜式，本研究后期工作整合了電源、傳感元件和數據采集卡，并搭建氨氣氣體傳感系統和電子線路及信號轉換流路；然后以此為硬件平臺，通過擬定標準公式和分析算法編制軟件，應用于氨氣氣體的檢測；最后把氨氣氣體傳感系統作為“衛生間智能保健檢測系統”的一部分，探索其在智能衛生間的初步應用。

4 結語

本實驗室科研人員與廈門大學附屬第一醫院經過多年合作研究，開發成功滿足人體生物醫學日常保健的智能衛生間系列傳感器技術，已經獲得了授權多項國家發明專利，初步應用于“衛生間智能保健檢測系統”。

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