基于柔性石墨烯自组装膜的三电极生物传感器及其应用制造技术

本发明专利技术提供了基于柔性石墨烯自组装膜的三电极生物传感器及其应用，公开了石墨烯自组装膜的制备方法，包括以下步骤：选取合适尺寸的聚酰亚胺膜，对其进行第一次高温碳化，随着温度的升高，非碳成分以气体形式放出，形成乱层无序的石墨结构；继续进行第二次高温碳化，在高温条件下分子结构重整，分子结构向六角平面的层状石墨结构转变，随着温度的升高，经过进一步的缩聚和脱氮形成了与石墨烯相同的大面积的共轭网路结构，即得到柔性石墨烯自组装膜；并以柔性石墨烯自组装膜为基础通过激光雕刻制备了三电极生物传感器，并能将该三电极生物传感器应用于多巴胺和葡萄糖的检测中。物传感器应用于多巴胺和葡萄糖的检测中。物传感器应用于多巴胺和葡萄糖的检测中。

【技术实现步骤摘要】
基于柔性石墨烯自组装膜的三电极生物传感器及其应用


[0001]本专利技术涉及电化学传感器
，尤其涉及一种基于柔性石墨烯自组装膜的三电极生物传感器及其应用。

技术介绍

[0002]实现对生物分子(如DNA、葡萄糖、神经递质)的敏感、快速和经济有效的分析对于实现护理点测试至关重要。电化学传感器可在诊断、环境监测、法医鉴定和生物医学研究等应用中提供快速、灵敏的检测手段，然而，传统的生物传感方法，包括酶联免疫吸附试验、时间分辨荧光试验、高效液相色谱法等，总是昂贵、耗时且不方便，阻碍了其在现场诊断中的潜在应用。另一方面，电化学生物传感器因其简单、快速、高灵敏度和经济性等优点而受到普遍关注，在过去的几十年中，碳材料由于其导电性和生物相容性而被广泛用于这一目的。尽管电极显示出令人满意的检测能力，但不应忽视这些基于传统的电极的传感器的制造过程是复杂且耗时的，此外，使用这些传统电极进行电化学测量通常需要笨重的实验室仪器，因此不适合现场实时检测和便携式的设备。
[0003]由于上述传感平台的局限性，人们致力于纸电化学器件(Paper electrochemical device，以下简称PED)的制造，以用于现场测试。与传统的刚性电极系统不同，PED具有重量轻、成本低、易于操作和可一次性使用的优异性能，现存的微技术和纳米技术使高性能电极的精确制造成为可能，然而，它们通常需要复杂的仪器、价格昂贵的贵金属修饰和训练有素的人员。因此，提出一种便携，可穿戴，无需金属修饰，简便制造的电化学生物传感器成为一项重要挑战。
专利技术内容
[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于柔性石墨烯自组装膜的三电极生物传感器及其应用，具有良好稳定性、低检测限和较宽检测范围。
[0005]本专利技术是这样实现的：
[0006]本专利技术提供一种柔性石墨烯自组装膜的制备方法，包括下列步骤：
[0007]选取合适尺寸的聚酰亚胺膜，对其进行第一次高温碳化，随着温度的升高，非碳成分以气体形式放出，形成乱层无序的石墨结构；继续进行第二次高温碳化，在高温条件下分子结构重整，分子结构向六角平面的层状石墨结构转变，随着温度的升高，经过进一步的缩聚和脱氮形成了与石墨烯相同的大面积的共轭网路结构，即得到柔性石墨烯自组装膜。
[0008]在第一次高温碳化时，聚酰亚胺膜内部分子径向排列打断，羰基断裂，非碳成分以气体形式放出，形成乱层无序的石墨结构；第二次高温碳化时，分子结构重整，有序度增加，分子结构向六角平面的层状石墨结构转变，随着温度的升高，分子结构更加完整，缺陷减少，在高温下经过进一步的缩聚和脱氮形成了与石墨烯相同的大面积的共轭网路结构。
[0009]进一步地，第一次高温碳化过程中，升温速率为5
‑
15℃/min，加热到1300
‑
1400℃后保温6
‑
10h；第二次高温碳化过程中，升温速率为5
‑
15为℃/min，加热到2850
‑
2900℃后保
温8
‑
10h。
[0010]本专利技术还提供一种三电极生物传感器的制备方法，将通过上述方法制得的柔性石墨烯自组装膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜压在一起形成薄膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜起到提供柔性衬底的作用，所述薄膜通过激光雕刻被雕刻成三电极，分别对应为工作电极、对电极和参比电极，最后将各电极的其中一端分别通过导电银胶连接铜丝，即得到三电极生物传感器。
[0011]该三电极生物传感器包括工作电极、对电极和参比电极，为实现参比电极在测试中提供并保持一个固定的参比电势的作用，参比电极上涂覆有银/氯化银胶。
[0012]本专利技术还提供该三电极生物传感器在检测多巴胺和葡萄糖中的应用，具体操作如下：
[0013]检测多巴胺：将制备好的三电极依次用硫酸和超纯水清洗电极表面，洗去电极表面的杂质分子，用氮气吹干后可直接用于多巴胺检测；
[0014]检测葡萄糖：将制备好的三电极依次用硫酸和超纯水清洗电极表面，洗去电极表面的杂质分子，然后在三电极的工作电极表面滴加不同浓度的葡萄糖氧化酶溶液，在4℃条件下晾干，继续在工作电极表面滴加全氟磺酸树脂溶液，在4℃条件下晾干后可用于葡萄糖检测。
[0015]葡萄糖氧化酶在有氧条件下能专一性地催化葡萄糖不受其他物质干扰，所以采用在工作电极表面修饰葡萄糖氧化酶的方法来实现葡萄糖的特异性检测。葡萄糖氧化酶溶液的浓度不同，酶的负载量不同，过少则不利于提升传感器的灵敏度，过多不仅会影响电子在电极表面的传输，而且会增加成本，为实现葡萄糖氧化酶在电极表面的有效固定，在工作电极表面滴加全氟磺酸树脂溶液形成保护膜，不同全氟磺酸树脂溶液的量会影响电极与电解液之间的电子传递，而且也会影响酶的固定。
[0016]进一步地，葡萄糖氧化酶的浓度优选10
‑
50mg/mL，全氟磺酸树脂溶液的量优选0.1wt％
‑
5wt％。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018]1、本专利技术制备的柔性石墨烯组装膜具有超高导电性，使得器件具有优异的电化学性能，而无需进一步的金属沉积，而且柔性石墨烯组装膜卓越的灵活性显示了进一步实现便携式和可穿戴设备的潜力，可用于动态、连续和实时监测人体生理信息；
[0019]2、本专利技术通过简便、精确的一步激光雕刻，可高度可控和重复地将石墨烯膜雕刻成三电极多功能电化学生物传感器，制备的电极材料具备有良好的导电性和稳定性，多巴胺在电化学作用下可直接发生氧化，可无需进行其他复杂的修饰来检测多巴胺，葡萄糖通过在电极表面采用葡萄糖氧化酶，并用全氟磺酸树脂固定的修饰，可以实现葡萄糖的特异性检测。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0021]图1为本专利技术中生物传感器检测多巴胺和葡萄糖的示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例1制备得到的石墨烯膜表面扫描电子显微镜图；
[0023]图3为本专利技术实施例1制备得到的石墨烯膜截面扫描电子显微镜图；
[0024]图4为本专利技术实施例1制备得到的石墨烯膜的拉曼图；
[0025]图5为本专利技术涉及的石墨烯膜电极的实物图；
[0026]图6为石墨烯膜电极在铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液中的氧化还原循环伏安图；
[0027]图7为不同浓度多巴胺的差分脉冲伏安图；
[0028]图8为不同浓度多巴胺的响应电流的标准曲线图；
[0029]图9为不同浓度葡萄糖的氧化还原循环伏安图；
[0030]图10为不同浓度葡萄糖的响应电流的标准曲线图。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性石墨烯自组装膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：选取合适尺寸的聚酰亚胺膜，对其进行第一次高温碳化，随着温度的升高，非碳成分以气体形式放出，形成乱层无序的石墨结构；继续进行第二次高温碳化，在高温条件下分子结构重整，分子结构向六角平面的层状石墨结构转变，随着温度的升高，经过进一步的缩聚和脱氮形成了与石墨烯相同的大面积的共轭网路结构，即得到柔性石墨烯自组装膜。2.如权利要求1所述的柔性石墨烯自组装膜的制备方法，其特征在于：第一次高温碳化过程中，升温速率为5
‑
15℃/min，加热到1300
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1400℃后保温6
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10h；第二次高温碳化过程中，升温速率为5
‑
15为℃/min，加热到2850
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2900℃后保温8
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10h。3.一种三电极生物传感器的制备方法，其特征在于：将采用权利要求1或2所述方法制得的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何大平，吉晓东，赵昕，晋慧慧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：