一种石墨烯试纸及其制备和基于该试纸的液体分析方法技术

一种石墨烯试纸及其制备和基于该试纸的液体分析方法，属于液体传感元件及液体分析技术领域。该试纸含有膜基底、由石墨烯层片堆积而成的薄膜结构以及触点电极，所述薄膜结构与膜基底紧密结合，在石墨烯层片上附着有辅助成膜剂及化学嗅探分子。其制备方法是将石墨烯层片、辅助成膜剂和化学嗅探分子分散于溶剂中，制成石墨烯导电墨水，然后将石墨烯导电墨水中的石墨烯层片沉积于膜基底，之后设置触点电极，最终制得具有良好强度、柔性和化学敏感性的石墨烯试纸。本发明专利技术还提供了利用该试纸进行液体分析的方法，该液体分析方法可用于分析有机溶剂、盐溶液、各类饮品等多种液体，具有样品需求量少、检测时间短、仪器与试剂制造成本低等多种优点。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯试纸及其制备和基于该试纸的液体分析方法
本专利技术涉及一种石墨烯试纸及其制备方法，以及基于该石墨烯试纸的液体分析系统和液体分析方法，属于液体传感元件及其制备
，同时涉及液体分析检测技术。
技术介绍
在液体传感
中，本领域的技术人员针对液体分析已经开发出了多种检测方法。传统化学分析方法(如凯氏定氮法、各类化学滴定等)可以实现针对性的定量或定性分析，但是无法便携且方法非常复杂。单一性质检测仪如表面张力测试仪、粘度测试仪等仪器可以实现快速检测，但是应用范围相对受限。大型精密仪器如液相色谱仪、光纤检测仪或红外光谱等仪器需要投入大量的仪器试剂成本、人员培训成本，检测条件要求比较高，难以做到柔性化、易便携。人工电子舌液体分析系统(如基于生物膜或场效应晶体管等电子舌)可以实现复合液体分析，但由于结构因素较难实现柔性化，检测条件较高。因此，有必要提供一种结构简单、检测能力强且易便携、易集成为柔性可穿戴设备的液体传感元件，这种液体传感元件能够对于液体进行快速、简单、且有效的区分，以满足制备可实时监测的柔性可穿戴设备的应用要求。该易便携液体检测系统在食品安全、药物递送、水体环境分析等领域具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种石墨烯试纸及制备方法，同时还提供一种基于该石墨烯试纸的液体分析方法。本专利技术的技术方案如下：一种石墨烯试纸，其特征在于：该试纸由膜基底、由石墨烯层片堆积而成的薄膜结构以及触点电极构成，所述薄膜结构与膜基底紧密结合；所述触点电极设置在所述石墨烯层片堆积薄膜结构上；在石墨烯层片上附着有辅助成膜剂及化学嗅探分子。上述技术方案中，所述的辅助成膜剂为羧甲基纤维素钠或乙基纤维素。所述化学嗅探分子为聚苯乙烯磺酸钠或二氧化锰纳米颗粒。本专利技术所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构的厚度为5-1000微米。优选地，所述触点电极分布在所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构的边缘。本专利技术提供的一种石墨烯试纸的制备方法，其包括如下步骤：1)将石墨烯层片、辅助成膜剂和化学嗅探分子分散于水或低碳醇溶剂中，制成石墨烯导电墨水，其中石墨烯的浓度为0.001-0.1mg/mL，辅助成膜剂与石墨烯的质量比为10:1-1:10，化学嗅探分子与石墨烯的质量比为10:1-1:10；2)通过真空抽滤或过滤方法将石墨烯导电墨水中的石墨烯层片沉积于膜基底上，构成石墨烯层片堆积而成的薄膜结构；3)剪裁所述石墨烯层片堆积薄膜结构和膜基底，并采用涂覆导电银胶、导电碳胶或蒸镀金属的方法形成触点电极。本专利技术所述方法中，所述的膜基底的材质为尼龙、玻璃纤维、聚四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚醚砜、聚偏氟乙烯或丙纶。本专利技术还提供了一种基于所述石墨烯试纸的液体分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)将石墨烯试纸放置在加热台上，并将触点电极通过信号传输电路与信号采集模块连接；2)启动加热台，并控制加热台温度在-30-200℃范围内；3)利用液体滴加装置将待测液体滴加在石墨烯试纸上，利用信号采集模块将石墨烯试纸的电学信号通过有线或无线方法传输至模式识别模块；4)模式识别模块将电学信号进行分析处理，从而获得对待测液体的种类分析结果。在本专利技术所述的石墨烯试纸的液体分析方法，其特征在于，所述的电学信号为电压、电流和电阻。所述模式识别模块将电学信号进行分析处理的方法采用参数提取法、主成分分析法或支持向量机算法。本专利技术具有以下优点及突出性的技术效果：①本专利技术将具有高比表面积、优良导电、导热能力的石墨烯材料进行结构设计，将石墨烯材料同时作为化学传感材料与电学信号传输载体，构建了具有液体传感性能的石墨烯试纸。石墨烯试纸的传感层是石墨烯层片与辅助成膜剂、化学嗅探分子在微孔滤膜基底上形成的石墨烯层片堆积薄膜结构。传感层与膜基底组成的石墨烯试纸具有良好的强度和柔性，面积、厚度、均匀性可控，具有良好的化学传感性能。②本领域技术人员以石墨烯材料作为传感材料，制备了力学性能优良且化学敏感的石墨烯试纸，通过采用算法对石墨烯试纸电学信号进行分类，实现了柔性可便携的液体分析系统。该石墨烯试纸可快速、大批量地制备，制造过程低毒且成本相对低廉。基于该石墨烯试纸的液体分析系统可用于分析有机溶剂、盐溶液、高聚物溶液、各类饮品等多种液体。该液体分析检测系统具有可实现复合分析、柔性可便携、检测时间短(可小于一分钟)、样品需求量少(可小于3微升)、仪器与试剂制造成本低等多种优点。同时在一定程度上，解决了液体分析的精密仪器难以便携、而便携设备分析范围受限的问题。附图说明图1为本专利技术具体实施例中所述石墨烯试纸的结构示意图。图2为本专利技术具体实施例中所述石墨烯试纸横截面的扫描电子显微镜微观表征照片。图3为本专利技术具体实施例中所述基于石墨烯试纸的液体分析系统的示意图。图4为本专利技术具体实施例中所述基于石墨烯试纸的快速液体分析系统对于不同盐溶液的电信号响应图。图5为本专利技术具体实施例中所述基于石墨烯试纸的快速液体分析系统对于不同盐溶液的区分结果图。图6为本专利技术具体实施例中所述基于石墨烯试纸的快速液体分析系统对于不同饮品的电信号响应图。图7为本专利技术具体实施例中所述基于石墨烯试纸的快速液体分析系统对于不同饮品的区分结果图。图中：1-石墨烯试纸；2-液体分析模块；3-信号采集模块；4-模式识别模块；5-待测液体；11-石墨烯层片堆积薄膜结构；12-触点电极；13-膜基底；21-加热台；22-滴加装置；具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明，以使本领域的技术人员能更好的理解。根据本专利技术的第一方面，提供了一种石墨烯试纸，其特征在于该石墨烯试纸含有膜基底13和由石墨烯层片堆积而成的薄膜结构11以及触点电极12，所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构11与所述膜基底13紧密结合；所述触点电极12设置在所述石墨烯层片堆积薄膜结构11上；在石墨烯层片上附着有辅助成膜剂及化学嗅探分子。所述的辅助成膜剂为羧甲基纤维素钠或乙基纤维素。所述化学嗅探分子为聚苯乙烯磺酸钠或二氧化锰纳米颗粒。所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构的厚度为5-1000微米。所述触点电极12分布在所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构11的边缘。根据本专利技术的第二方面，提供了一种石墨烯试纸的制备方法，其包括如下步骤：1)将石墨烯层片、辅助成膜剂和化学嗅探分子分散于水或低碳醇溶剂中，制成石墨烯导电墨水，其中石墨烯的浓度为0.001-0.1mg/mL，辅助成膜剂与石墨烯的质量比为10:1-1:10，化学嗅探分子与石墨烯的质量比为10:1-1:10；2)通过真空抽滤或过滤方法将石墨烯导电墨水中的石墨烯层片沉积于膜基底上，构成石墨烯层片堆积而成的薄膜结构；3)剪裁所述石墨烯层片堆积薄膜结构和膜基底，并采用涂覆导电银胶、导电碳胶或蒸镀金属的方法形成触点电极。所述的膜基底的材质为尼龙、玻璃纤维、聚四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚醚砜、聚偏氟乙烯或丙纶。根据本专利技术的第二方面，提供了一种基于石墨烯试纸的液体分析方法，其包括如下步骤：1)将石墨烯试纸放置在加热台21上，并将触点电极通过信号传输电路与信号采集模块(3)连接；2)启动加热台，并控制加热台温度在-30-200℃范围内；3)利用液体滴加装置22将待测液体滴加在石墨烯试纸上，利用信号采集模块3将石墨烯试纸的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯试纸，其特征在于：该石墨烯试纸含有膜基底(13)和由石墨烯层片堆积而成的薄膜结构(11)以及触点电极(12)，所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构(11)与所述膜基底(13)紧密结合；所述触点电极(12)设置在所述石墨烯层片堆积薄膜结构(11)上；在石墨烯层片上附着有辅助成膜剂及化学嗅探分子。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯试纸，其特征在于：该石墨烯试纸含有膜基底(13)和由石墨烯层片堆积而成的薄膜结构(11)以及触点电极(12)，所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构(11)与所述膜基底(13)紧密结合；所述触点电极(12)设置在所述石墨烯层片堆积薄膜结构(11)上；在石墨烯层片上附着有辅助成膜剂及化学嗅探分子。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯试纸，其特征在于，所述的辅助成膜剂为羧甲基纤维素钠或乙基纤维素。3.根据权利要求1所述的石墨烯试纸，其特征在于，所述化学嗅探分子为聚苯乙烯磺酸钠或二氧化锰纳米颗粒。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯试纸，其特征在于，所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构的厚度为5～1000微米。5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的一种石墨烯试纸，其特征在于，所述触点电极(12)分布在所述石墨烯层片堆积而成的薄膜结构(11)的边缘。6.一种如权利要求1所述的石墨烯试纸的制备方法，其包括如下步骤：1)将石墨烯层片、辅助成膜剂和化学嗅探分子分散于水或低碳醇溶剂中，制成石墨烯导电墨水，其中石墨烯的浓度为0.001～0.1mg/mL，辅助成膜剂与石墨烯的质量比为10:1～1:10，化学嗅探分子与石墨烯的质量比为10:1～1:10；2)通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱宏伟，姜欣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11