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用于呼吸中的丙酮检测的传感器组合物的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于丙酮检测的组合物及其制备方法。所述组合物包含γ-氧化铁(γ-Fe2O3)、锑(Sb)盐和铂(Pt)。使用所述组合物制造的传感器对在通常存在于呼吸中的高水分量的存在下的低浓度的呼吸中丙酮具有选择性，所述低浓度的呼吸中丙酮是糖尿病的生物标记。用于糖尿病监测的这种半导体传感器价格便宜、坚固耐用、患者友好并且首要地是无创的。
【专利说明】用于呼吸中的丙酮检测的传感器组合物
【技术领域】
[0001]本发明涉及诊断方法和组合物领域。更具体地，其涉及用于丙酮检测的组合物。更具体地，其涉及可用于糖尿病诊断的呼吸中的丙酮检测的组合物及其制备方法。本发明的组合物包含Y-氧化铁(Y-Fe2O3)、铺(Sb)盐和钼(Pt)。
【背景技术】
[0002]糖尿病的威胁遍及全球并且糖尿病患者比率不断增加。印度将很快成为糖尿病的最大的国家。然而，糖尿病的早期检测可降低该致命疾病的潜在危险。血糖监测(空腹血浆葡萄糖和口服葡萄糖耐量测试)是经过时间检验的糖尿病检测的可靠方法。然而，该方法是昂贵的，并且首要地，是具有侵入性的一种方法。为了解决该问题，已经研究了不同的无创和微创技术如IR光谱、偏振光的旋光性、无线电波阻抗、泪液分析、提取自皮肤的流体的分析以及从一滴血中监测糖尿病的生物传感器。迄今为止，还没有市售的用于监测糖尿病的无创家用小工具。
[0003]迄今为止，已经尝试了许多不同的无创和微创技术(如上所提及的)来监测糖尿病[1，2]。另外，长时间以来，已知在糖尿病患者中在人体呼吸中的丙酮浓度增加。已经给出，呼吸中的丙酮浓度〈0.9ppm可作为健康个体的正常值,而浓度>1.7ppm表明糖尿病[I, 2]。在呼吸的丙酮浓度与血糖水平之间也有良好的相关性[3]。已经在高度精密的仪器如GC-MS、SFFT-MS和腔衰荡光谱(cavity ring down spectroscopy)上进行了大多数关于呼吸中丙酮测量的研究[4,5]。其他方法是C-13标记的基于丙酮酸的测量(US7118919B2、USRE38575E和W01999/56790A2)、离子淌度分光光度计(US6794645B2)、与光谱仪结合的微等离子体(US7417730B2、US2004/137637A1) [6，7]等。另外，最近已经研究了金属氧化物半导体(如SnO2, WO3> ZnO和T12)以用于低浓度丙酮的检测(W02011/068976A1) [7-20]，因为半导体传感器价格便宜、坚固耐用和方便携带。例如，Ag纳米颗粒改性的T12传感器具有1ppm的丙酮蒸汽检测限[8]并且ZnO纳米线和哑铃状ZnO微晶体的丙酮检测限分别低至5ppm和lppm[14，15]。早前已经报道了在150°C的温和的工作温度下使用未掺杂或掺杂
Y-Fe2O3传感器的亚ppm的丙酮灵敏度[1，9]。1mol %的S12掺杂的ε -WO3组合物示出了在400°C的工作温度下的低浓度(10ppb至900ppb)丙酮蒸汽中的足够灵敏度[20]。
[0004]迄今为止，研究的金属氧化物半导体传感器的缺点是:
[0005]i)对于制造装置，在低ppm或亚ppm范围检测丙酮浓度的灵敏度不够高。
[0006]ii)现有技术报道的传感器对水分敏感并因此在高水分量存在下(通常存在于呼吸中)对丙酮没有选择性。
[0007]考虑到现有技术传感器的缺点，本发明人已经开发了克服现有技术传感器的这些缺点的组合物。使用要求保护的组合物制造的传感器示出了在约Ippm丙酮浓度下的可感知的灵敏度和高选择性，并且同时对存在于呼吸中的高水分量不敏感。
[0008]发明目的
[0009]本发明的主要目的是提供用于丙酮检测的组合物及其制备方法。[0010]本发明的另一个目的是提供用于呼吸中的低浓度丙酮检测(约Ippm)的改进的组合物及其制备方法。
[0011]本发明的另一个目的是提供基于金属氧化物半导体的组合物及其制备方法，所述组合物用于在呼吸中的高水分量的存在下低浓度选择性检测呼吸中的丙酮。
[0012]本发明的又一个目的是提供用于糖尿病诊断的基于金属氧化物半导体的组合物及其制备方法，所述组合物用于在呼吸中的高水分量的存在下的呼吸中低浓度丙酮的检测。

【发明内容】

[0013]本发明提供了用于呼吸中丙酮检测的组合物及其制备方法。所述用于丙酮检测的组合物包含Y-氧化铁(Y-Fe2O3)、铺(Sb)盐和钼(Pt)。所述组合物示出了在约Ippm丙酮浓度下的可感知的灵敏度并且对于通常存在于呼吸中的高水分量是不敏感的。本发明提供了用于在糖尿病患者的呼吸中丙酮检测的组合物。
[0014]附图和表的说明
[0015]图1示出在300°C的工作温度下，实施例1的Y-Fe2O3基传感器对空气(RH约45% )中的Ippm丙酮蒸汽和饱和水分的响应。
[0016]图2示出在300°C的工作温度下，实施例1的Y-Fe2O3基传感器对空气(RH约45% )中不同浓度的丙酮蒸汽的响应度(percent response)。
[0017]表1数据示出在 300°C的工作温度下，Y-Fe2O3基传感器对于空气(RH约45% )中的Ippm丙酮蒸汽和饱和水分中的Ippm丙酮蒸汽的气敏特性。
【具体实施方式】
[0018]因此，本发明提供了用于丙酮检测的组合物，其包含Y-氧化铁U_Fe203)、锑(Sb)盐和钼(Pt)。
[0019]本发明的一个实施方案提供了用于丙酮检测的组合物，其包含Y-氧化铁、锑盐和怕。
[0020]在本发明的另一个方面中，锑盐是以氧化物、碳酸盐、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
[0021]在本发明的另一个方面中，钼是以金属形式、氯化物、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
[0022]在本发明的另一个方面中，Y-氧化铁的浓度范围为87.5界七％至95.7wt%。
[0023]在本发明的另一个方面中，锑盐的浓度范围为2.9￥七％至9.9wt%。
[0024]在本发明的另一个方面中，钼的浓度范围为0.5?七％至2.6wt%。
[0025]在本发明的另一个实施方案中，通过包括以下步骤的声化学方法来制备组合物:
[0026](a)通过添加水和盐酸来制备九水合硝酸铁(III)盐[Fe (NO3) 3.9H20]、锑盐和钼盐各自的水溶液并且在100°c加热该溶液；
[0027](b)以所需的比例(例如本文所描述的)将在步骤(a)中形成的水溶液混合以形成混合溶液；
[0028](C)将在步骤(b)中形成的混合溶液声处理并且在声处理期间添加肼以生成沉淀物；
[0029](d)将在步骤(C)中形成的沉淀物离心、洗涤和干燥以得到Y-氧化铁基粉末。
[0030]在本发明的另一个方面中，锑盐是以氧化物、碳酸盐、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
[0031]在本发明的另一个方面中，钼是以金属形式、氯化物、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
[0032]在本发明的另一个实施方案中，使用所述组合物来制造传感器的方法包括以下步骤:
[0033]a)将Y-氧化铁基粉末与异丙醇混合以形成浆料；
[0034]b)取衬底并且将其在1000°C的温度下加热从而将金电极和钼丝附接至衬底；
[0035]c)取如在步骤(a)中所制备的浆料并且滴涂在旋转的衬底上以制造滴涂的衬底；
[0036]d)将所述滴涂的衬底在200°C至450°C范围内的温度下硬化；
[0037]e)将坎塔尔合金(kanthal)加热线圈插入到所述滴涂的衬底中；以及
[0038]f)通过引线接合/钎焊将涂覆有传感器的衬底固定在晶体管轮廓(TO)型封装体上以形成传感器。
[0039]在本发明的另一个方面中，所述传感器制造成在衬底上的厚膜或薄膜的形式和/或块状的形式。
[0040]在本发明的另一个方面中，衬底选自氧化铝或绝缘材料并且为管、平面结构或基于微机电系统(MEMS)的微型加热器的形式。
[0041]在本发明的另一个实施方案中，使用所述组合物的传感器在高水分量的存在下检测Ippm和亚ppm的丙酮浓度。
[0042]在本发明的另一个实施方案中，将所述组合物用于诊断糖尿病和具有异常的丙酮浓度的相关疾病。
[0043]本发明的又一个实施方案提供了用于糖尿病诊断的呼吸中丙酮检测的传感器组合物及其制备方法，所述传感器组合物包含约87.5wt%至约95.7被％的Y-Fe2O3、约
2.9wt%至约 9.9wt% 的 Sb2O3 和约 0.5wt%至约 2.6wt% 的钼。
[0044]对于用于糖尿病诊断的半导体传感器的现实应用，其应对约Ippm浓度的丙酮(糖尿病的呼吸生物标志物)敏感。此外，其应对呼吸中的丙酮具有选择性并且首要的是对存在于呼吸中的高水分量不敏感或几乎不敏感。最后一个标准是很难实现的，因为半导体传感器是众所周知地对水分敏感。
[0045]本发明提供了满足上述标准并且特别是很难达到的最后一个标准的组合物。按照初步研究，由本发明人使用本发明的组合物制造的传感器示出了健康个体在进食之前和进食之后的不同的呼吸中丙酮水平。此外，初步研究示出通过使用本发明的组合物制造的传感器可检测糖尿病患者中的高呼吸丙酮水平。
[0046]通常，Fe2O3易于作为C1-Fe2O3而获得。然而，需要调整处理步骤以得到“ Y ”形式的Fe203。有趣的是，常规化学沉淀路线提供a -Fe2O3，而声化学方法因为气穴现象提供纳米级的Y-Fe2O3，所述气穴现象产生局部的高温和压力。用于制造传感器的组合物的颗粒应在纳米级范围从而易于通过声化学方法获得改进的灵敏度、响应和恢复时间。
[0047]为了制备传感器组合物(约87.5wt %至约95.7wt %的Y _Fe203、约2.9wt %至约9.9wt %的Sb2O3和约0.5wt %至约2.6wt %的Pt),通过添加盐酸(HCl)来制造铁盐(Fe (NO3)3- 9H20)、锑盐(SbCl3)、钼盐(无水PtCl4)各自的水溶液并且在100°C下加热该溶液。以所需的比例将溶液混合，将混合的溶液声处理并且在声处理期间将肼添加到溶液中。将沉淀物离心并用蒸馏水洗涤，在烘箱中干燥以得到Y-Fe2O3基粉末。然而，还可通过现有技术中已经报道的方法(例如固态、软化学和气相方法)来制备Y-Fe203。
[0048]本发明的组合物用于根据本领域已知的技术来制造厚膜、薄膜或块状气体传感器。传感器平台可为管状氧化铝或其他绝缘衬底、平面氧化铝或其他绝缘衬底或MEMS基微型加热器/微型热板。本文描述了一种不例性技术。
[0049]将共计约0.0015g的Y -Fe2O3基粉末与ImL的异丙醇混合以形成浆料。用微量移液器取约40 μ L的浆料，然后滴涂在旋转的氧化铝管上(约4mm的长度、1.5mm的外径和Imm的内径)，其上在每个末端放置有两个金电极和钼丝。在施用糊剂之前通过在高温(约1000C )下硬化系统来将金电极和钼导线附接到管的末端。在约300°C下以50°C /h的加热速率烧制涂覆的氧化铝管I小时。然后将坎塔尔合金加热线圈放置在Al2O3管内以产生最适宜的工作温度。通过线接合/钎焊将涂覆有传感器的氧化铝管固定在T0(晶体管轮廓)型晶体管封装体上。在灵敏度测量之前，将传感器在250°C初始老化72小时以达到期望的稳定性。使用数字万用表(Agilent U1252A)和恒定电压/电流源(Keithley228A)在不同的温度(200°C至350°C )下测量传感器的电阻、响应百分比以及恢复和响应时间。待测量的传感器置于石英管(2cm直径和1cm长度)的中间并且经过数字万用表和恒定的电压/电流源外部连接传感器以记录传感器电阻。在不同的工作温度下，将传感器暴露于空气中的低浓度丙酮的蒸汽、饱和水分以及在饱和水分的周围环境中的低浓度丙酮的蒸汽中。在干燥器中通过连续稀释法制备低浓度丙酮蒸汽。响应的百分比，S(等于灵敏度)定义为，
【权利要求】
1.一种用于丙酮检测的组合物，其中所述组合物包含: (a)Y -氧化铁(Y -Fe2O3), (b)锑(Sb)盐，和 (c)钼(Pt)。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中锑盐以氧化物、碳酸盐、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中钼以金属形式、氯化物、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中￥-氧化铁的浓度在87.5被％至95.7被％的范围内。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中铺盐的浓度在2.9?1:%至9.9wt%的范围内。
6.根据权利要求1所述的组合物，其中钼的浓度在0.5界七％至2.6wt%的范围内。
7.一种制备根据权利要求1所述的组合物的方法，其中通过包括以下步骤的声化学方法来制备所述组合物: (a)通过添加水和 盐酸来制备九水合硝酸铁(III)盐[Fe(NO3) 3.9Η20]、锑盐和钼盐各自的水溶液并且在100°C下加热所述溶液； (b)以例如本文所描述的所需的比例将在步骤(a)中形成的所述水溶液混合以形成混合溶液； (c)将在步骤(b)中形成的所述混合溶液声处理并且在声处理期间添加肼以生成沉淀物； (d)将在步骤(C)中形成的所述沉淀物离心、洗涤并干燥以得到Y-氧化铁基粉末。
8.根据权利要求7所述的制备所述组合物的方法，其中锑盐以氧化物、碳酸盐、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
9.根据权利要求7所述的制备所述组合物的方法，其中钼以金属形式、氯化物、硝酸盐或任意其他盐的形式加入。
10.一种使用根据权利要求1所述的组合物制造传感器的方法，其包括以下步骤: a)将Y-氧化铁基粉末与异丙醇混合以形成浆料； b)提供衬底并且将其在1000°C的温度下加热从而将金电极和钼丝附接至所述衬底； c)提供在步骤(a)中所制备的所述浆料并且滴涂在旋转的所述衬底上以制造滴涂的衬底； d)将所述滴涂的衬底在200°C至450°C范围内的温度下硬化； e)将坎塔尔合金加热线圈插入到所述滴涂的衬底中；以及， f)通过引线接合/钎焊将涂覆有传感器的衬底固定在晶体管轮廓(TO)型封装体上以形成传感器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述传感器制造成在衬底上的厚膜或薄膜的形式和/或块状的形式。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述衬底选自氧化铝或绝缘材料并且为管、平面结构或基于微机电系统(MEMS)的微型加热器的形式。
13.根据权利要求1所述的组合物，其中使用所述组合物的所述传感器在高水分量的存在下检测Ippm和亚ppm的丙酮浓度。
14.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物用于诊断糖尿病以及具有异常丙酮浓度的相关疾病。
【文档编号】G01N33/497GK104040347SQ201380004960
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月4日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】阿马尔纳特·森, 苏巴西斯·拉娜 申请人:科学与工业研究会