[发明专利]一种三维石墨烯乳酸传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明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技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对背景技术中的不足和改进需求，本发明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。本发明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