一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法，步骤为：采用PECVD法以铜箔为基底生长三维石墨烯纳米墙；将三维石墨烯块漂浮在Fe(NO3)3溶液表面以刻蚀铜箔，经超纯水清洗后转移至PET基材；采用丝网印刷术在三维石墨烯/PET表面印制三电极，然后按照壳聚糖‑戊二醛交联法将乳酸氧化酶固定到三维石墨烯表面对电极进行功能化处理；最后在电化学工作站下对电极进行乳酸的灵敏性、稳定性、实时性和特异性检测，由此获得所需三维石墨烯乳酸传感器。本发明专利技术能够以经济环保、简单高效及质量可控的方式制得石墨烯乳酸传感器，且石墨烯纳米墙丰富的三维导电网络结构和巨大的比表面积等优点有效地提升了对乳酸检测的灵敏性和实时性，该传感器可用于医疗卫生健康领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法，属于生物化学传感器
，具体涉及一种可穿戴式的三维石墨烯乳酸传感器的制备方法。
技术介绍
乳酸，作为葡萄糖无氧酵解的产物，在人体缺氧和过度疲劳的情况下会出现大量的堆积，其在体液和组织中的含量能够有效地反映人体局部组织是否缺氧，运动是否过度。可见，对人体乳酸含量的实时监测显得尤为重要。但是，市场上通用的乳酸检测仪属于侵入式传感器，通过针扎的形式采集受试者指尖毛细血管的血液，反复的采集不仅伤害大，而且不能做到实时监测，尤其体现在对各类疾病导致缺氧的患者的监护治疗和对运动员体能测试的过程中。新近研究先后报道了用于人体唾液和汗液中乳酸含量监测的可穿戴式电化学传感器，但其制作过程复杂，工艺要求和成本高，精度低，生物相容性差，不能及时有效地反映乳酸含量的变化。因此，亟需研发新的乳酸检测技术，来实现其在生理健康监测和信号提取方面的应用突破。石墨烯，一种由单层碳原子组成的新型二维碳基纳米材料，在生物电化学领域中的研究日益受到关注，其优良的电催化性能使其成为制备酶电化学生物传感器理想的电极材料之一，其特殊的分子结构使其可以有效地促进电子传输，提升生物传感器的响应信号和灵敏度。此外，其良好的生物相容性能够保持传感器所负载酶的生物活性，改善传感器的稳定性。近来，石墨烯纳米墙，一种由石墨烯纳米片垂直分布于基底材料上的石墨烯三维结构，与二维石墨烯相比具有更为丰富的形态结构和巨大的比表面积，同时赋予了更好的拉伸性，已开始逐渐应用于传感器的研发，如对气体、温度的监测。申请公布号为CN105116028A专利文件公开了一种石墨烯修饰的乳酸生物传感器及其制备方法，该乳酸生物传感器是一种微型化的乳酸传感器，可测量人体血清中的乳酸含量，但是该材料依然属于二维的碳颗粒/碳纤维为基材的穿戴式乳酸传感器，其电传导性、生物相容性依然有局限性，且材料本身拉伸性能不强。同时该专利采用的是氧化或羧基化的石墨烯，材料本身由于其结构缺陷，导致其电子传输速度不高，影响传感器的效率。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的不足和改进需求，本专利技术的目的在于提供一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法，基于一种特殊的石墨烯纳米墙结构材料作为乳酸氧化酶的负载骨架，三维石墨烯具有更强的电传导性、更为丰富的导电网络结构且材料生物兼容性好。通过对关键传感器基材-三维石墨烯墙的生长条件研究和技术改进，对传感器的制备和乳酸酶功能化技术优化，能够制得新型的三维石墨烯乳酸传感器，且该传感器对于乳酸的电化学响应灵敏，并体现出优良的重现性，同时可拉伸性强，适宜穿戴，这种传感器可用在非侵入性可穿戴式的电子皮肤，可对人体乳酸进行实时、精确的检测；这种三维石墨烯成本低廉、产品生产工艺简单，适于大规模的工业化批量生产，尤其适用于医疗监护、健康管理等领域的应用。本专利技术所涉及的一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法，该方法步骤如下：(1)石墨烯墙的制备采用PECVD法，将厚度为1μm～100μm的铜箔水平放置在生长炉的玻璃管中，先后经过升温、退火、生长三个步骤；其中，升温过程为30～90min升温至500～800℃，氢气＝5～30sccm；退火过程为30～90min，维持600～800℃，氢气＝5～15sccm；生长过程为60～120min，维持600～800℃，甲烷:氢气＝4:8sccm，射频＝200～500mw；生长结束后关闭射频和甲烷，氢气设置到2～20sccm，打开风扇快速降温，最后轻柔地取出生长有石墨烯墙的铜箔；(2)石墨烯墙的转移a)配制浓度为0.1M～0.5M的Fe(NO3)3铜刻蚀液，b)将铜箔裁剪成尺寸为0.2cm*0.2cm～3cm*3cm不等的小块置入溶液表面，以生长有石墨烯墙的一面朝上，室温条件下过夜以充分刻蚀铜箔，c)用经等离子处理的尺寸为0.2cm*0.2cm～3cm*3cm不等的PET膜将漂浮的石墨烯墙捞起，将石墨烯墙转移至超纯水中30min*3～5次以充分清除残余的铜、铁等金属离子，d)用PET捞起清洗过的石墨烯墙并放入烘箱中在80～150℃*5～60min的条件下烘干，使石墨烯墙与PET牢固贴合；(3)电极的制备采用丝网印刷法印制电极，a)将Ag/AgCl油墨印制在PET上作为参比电极，在60-100℃范围烘烤5-25分钟，b)将碳油墨印制在PET上作为工作电极和对电极，在80-120℃范围烘烤15-30分钟，c)在工作电极表面再印制一层绝缘浆料，在50-90℃范围内烘烤5-20分钟，d)将三电极分别接上导电银丝引出电路；(4)传感器电极的表面功能化a)将乳酸氧化酶负载到三维石墨烯纳米墙上，室温晾干，b)配置2-20μL，浓度为100-800IU/ml的壳聚糖溶液，c)将2-20μL，浓度为0.3-3.5％壳聚糖溶液滴覆到三维石墨烯/乳酸氧化酶表面，d)将浓度为0.25-2％的戊二醛固定到三维石墨烯墙/酶/壳聚糖表面，室温晾干一段时间，e)清洗电极上残余的乳酸氧化酶并保存；在清洗和保存的过程中所用到的PBS溶液浓度均为0.1M，pH＝7.0，处理的温度均为2-8℃；(5)传感器电极的乳酸检测a)于PBS缓冲液中配制乳酸溶液，b)测试传感器灵敏度并测试传感器稳定性，c)测试传感器特异性；其中，PBS(0.1M，pH7.0)缓冲液配制的乳酸溶液浓度范围在1-100mM；在氧化-还原曲线测试过程中，将电势设定为-1.0V-+1.0V(VS.Ag/AgCl)，将传感器先后浸泡在上述溶液中，2min后开始记录电流，记录时间为60s；在时间-电流曲线测试过程中，将电势设定为-0.35V(VS.Ag/AgCl)，将传感器浸泡在上述溶液中记录时间为60s；在灵敏度测试过程中，将电极依次浸泡在0.1-400mM的乳酸溶液中2min后，接上对应的三个电极，打开电化学工作站(CHI760)，将电势设定为-0.35V(VS.Ag/AgCl)，采用循环伏安法开始记录电流，记录时间为400s。总体而言，按照本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.以三维石墨烯纳米墙为基材，采用丝网印刷法印制三电极，然后通过优化的壳聚糖-戊二醛交联吸附法将乳酸氧化酶固定至纳米墙表面制得电极。电极测试显示：运用该方法制备的电极，具有很好的灵敏性、稳定性和实时性，同时有着较好的乳酸识别特异性；2.与二维石墨烯相比，该专利技术使用的石墨烯纳米墙具有更加丰富的三维结...

【技术保护点】
一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下：(1)石墨烯墙的制备采用PECVD法，将厚度为1μm～100μm的铜箔水平放置在生长炉的玻璃管中，先后经过升温、退火、生长三个步骤；其中，升温过程为30～90min升温至500～800℃，氢气＝5～30sccm；退火过程为30～90min，维持600～800℃，氢气＝5～15sccm；生长过程为60～120min，维持600～800℃，甲烷:氢气＝4:8sccm，射频＝200～500mw；生长结束后关闭射频和甲烷，氢气设置到2～20sccm，打开风扇快速降温，最后轻柔地取出生长有石墨烯墙的铜箔；(2)石墨烯墙的转移a)配制浓度为0.1M～0.5M的Fe(NO3)3铜刻蚀液，b)将铜箔裁剪成尺寸为0.2cm*0.2cm～3cm*3cm不等的小块置入溶液表面，以生长有石墨烯墙的一面朝上，室温条件下过夜以充分刻蚀铜箔，c)用经等离子处理的尺寸为0.2cm*0.2cm～3cm*3cm不等的PET膜将漂浮的石墨烯墙捞起，将石墨烯墙转移至超纯水中30min*3～5次以充分清除残余的铜、铁等金属离子，d)用PET捞起清洗过的石墨烯墙并放入烘箱中在80～150℃*5～60min的条件下烘干，使石墨烯墙与PET牢固贴合；(3)电极的制备采用丝网印刷法印制电极，a)将Ag/AgCl油墨印制在PET上作为参比电极，在60‑100℃范围烘烤5‑25分钟，b)将碳油墨印制在PET上作为工作电极和对电极，在80‑120℃范围烘烤15‑30分钟，c)在工作电极表面再印制一层绝缘浆料，在50‑90℃范围内烘烤5‑20分钟，d)将三电极分别接上导电银丝引出电路；(4)传感器电极的表面功能化a)将乳酸氧化酶负载到三维石墨烯纳米墙上，室温晾干，b)配置2‑20μL，浓度为100‑800IU/ml的壳聚糖溶液，c)将2‑20μL，浓度为0.3‑3.5％壳聚糖溶液滴覆到三维石墨烯/乳酸氧化酶表面，d)将浓度为0.25‑2％的戊二醛固定到三维石墨烯墙/酶/壳聚糖表面，室温晾干一段时间，e)清洗电极上残余的乳酸氧化酶并保存；在清洗和保存的过程中所用到的PBS溶液浓度均为0.1M，pH＝7.0，处理的温度均为2‑8℃；(5)传感器电极的乳酸检测a)于PBS缓冲液中配制乳酸溶液，b)测试传感器灵敏度并测试传感器稳定性，c)测试传感器特异性；其中，PBS(0.1M，pH7.0)缓冲液配制的乳酸溶液浓度范围在1‑100mM；在氧化‑还原曲线测试过程中，将电势设定为‑1.0V‑+1.0V(VS.Ag/AgCl)，将传感器先后浸泡在上述溶液中，2min后开始记录电流，记录时间为60s；在时间‑电流曲线测试过程中，将电势设定为‑0.35V(VS.Ag/AgCl)，将传感器浸泡在上述溶液中记录时间为60s；在灵敏度测试过程中，将电极依次浸泡在0.1‑400mM的乳酸溶液中2min后，接上对应的三个电极，打开电化学工作站(CHI760)，将电势设定为‑0.35V(VS.Ag/AgCl)，采用循环伏安法开始记录电流，记录时间为400s。...

【技术特征摘要】
1.一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下：
(1)石墨烯墙的制备
采用PECVD法，将厚度为1μm～100μm的铜箔水平放置在生长炉的玻璃
管中，先后经过升温、退火、生长三个步骤；其中，升温过程为30～90min升
温至500～800℃，氢气＝5～30sccm；退火过程为30～90min，维持600～
800℃，氢气＝5～15sccm；生长过程为60～120min，维持600～800℃，甲烷:氢
气＝4:8sccm，射频＝200～500mw；生长结束后关闭射频和甲烷，氢气设置到
2～20sccm，打开风扇快速降温，最后轻柔地取出生长有石墨烯墙的铜箔；
(2)石墨烯墙的转移
a)配制浓度为0.1M～0.5M的Fe(NO3)3铜刻蚀液，b)将铜箔裁剪成尺寸为
0.2cm*0.2cm～3cm*3cm不等的小块置入溶液表面，以生长有石墨烯墙的一面朝
上，室温条件下过夜以充分刻蚀铜箔，c)用经等离子处理的尺寸为
0.2cm*0.2cm～3cm*3cm不等的PET膜将漂浮的石墨烯墙捞起，将石墨烯墙转
移至超纯水中30min*3～5次以充分清除残余的铜、铁等金属离子，d)用PET捞
起清洗过的石墨烯墙并放入烘箱中在80～150℃*5～60min的条件下烘干，使石
墨烯墙与PET牢固贴合；
(3)电极的制备
采用丝网印刷法印制电极，a)将Ag/AgCl油墨印制在PET上作为参比电
极，在60-100℃范围烘烤5-25分钟，b)将碳油墨印制在PET上作为工作电极和
对电极，在80-120℃范围烘烤15-30分钟...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙泰，魏大鹏，陈前伟，杨俊，于乐泳，史浩飞，杜春雷，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50