一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法
【专利说明】一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于印刷电子技术、纳米材料技术、生物技术等多学科交叉领域，具体涉及一种基于石墨稀/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0003]糖尿病已成为一个社会健康问题，全球糖尿病发病率增长迅速，糖尿病已经成为继肿瘤、心血管病变之后第三大严重威胁人类健康的慢性疾病。目前全球糖尿病患者己超过1.2亿人，我国患者人数居世界第二，己突破2000万。据世界卫生组织预计，到2025年，全球成人糖尿病患者人数将增至3亿，而中国糖尿病患者人数将达到4000万，未来几十年内糖尿病仍将是中国一个严重的公共卫生问题。
[0004]在现代医疗检测领域内，即时检测发展迅速，该技术的发展使得病人在家里就能进行自我检查。葡萄糖生物传感器可直接对全血检测而不用对血液进行预处理，因携带方便、灵敏度高、选择性好、检测速度快、操作简单且系统具有智能性等特点，可进入普通家庭对血液进行随时及长期的监控，具有很好的前景。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法。石墨稀/介孔碳纳米复合材料能克服一般纳米材料的弊端，高效保持酶的活性且能进行电子的快速传递，结合喷墨技术，制备的生物传感器结合配套的仪器能快速方便的得到测试结果，且制作方法简单，方便后期加工和封装，有利于规模化生产。
[0006]本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现。
[0007]一种检测葡萄糖的生物传感器，由柔性基底、印在柔性基底上的工作电极和对电极组成，所述工作电极是一种双层导电薄膜，由水性导电油墨层和其上的生物酶导电油墨组成，所述的生物酶导电油墨由石墨稀/介孔碳纳米复合材料、葡萄糖氧化酶和Naf1n成膜材料组成。
[0008]所述柔性基底采用一种韧性好、绝缘度高的聚合材料，如聚氯乙烯、聚酯或聚碳酸酯。
[0009]上述生物传感器，工作电极上喷涂有生物酶导电油墨。既能催化葡萄糖反应，又能吸附酶并能在酶催化反应中心和电极之间进行快速电子传递，如此构成一个电路回路，反应时根据血液中葡萄糖浓度的高低，产生相应大小的电流信号，并被相应的测试仪检测读出。
[0010]一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的生物传感器制备方法，它包括以下步骤:
1)将导电炭黑、石墨、水性丙烯酸树脂、去离子水、25~28wt%氨水以10:5:15:15:3的质量比例充分混合均匀制备水性导电油墨，备用；
2)将200-400目数的金属或尼龙聚酯材料丝网固定在方形轻质金属框架上，在暗室内涂上感光胶，干燥备用；
3)将计算机绘制的工作电极和对电极负片置于感光胶上，于20-40瓦紫外线下曝光15-30分钟，用高压水枪冲洗去被电极负片覆盖的未硬化感光胶，干燥后形成丝网模板；
4)将带有工作电极和对电极图形的丝网模板安装于丝网印刷机上，采用水性导电油墨印制工作电极、对电极；
5)将比活力为多150u/mg的葡萄糖氧化酶溶于pH7.0的磷酸缓冲液中配制成浓度为10mg/ml的酶溶液，充分溶解后搁置0°C冰箱备用；
6)将石墨烯/介孔碳纳米复合材料作为载体材料，加入到酶溶液中，混合搅拌10?36h，用于吸附葡萄糖氧化酶，备用；
7)配制质量分数为0.5%的Naf1n成膜材料溶液，加入步骤6)制得的混合溶液中，混合搅拌30min，制得生物酶导电油墨，然后采用喷涂的方式印刷到工作电极表面，室温下干燥24h即可完成酶的固载及电极的修饰，制成生物传感器。
[0011]上述方案步骤6)中石墨稀/介孔碳纳米复合材料的制备具体步骤为:
取1.5?2g的分子导向剂溶于10?30ml的去离子水混合搅拌10?30min，加入I?2ml的浓度为IM的HCl继续搅拌；依次加入30?50mg的石墨稀和1.5?2g的β -环糊精，搅拌0.5?Ih，随后将混合液转移到反应釜中在120?150 °C下热处理反应24?36h，最后在管式炉中氮气的保护下，10C /min的升温速度到700?800°C下反应3?5h，即可得纳米复合材料。
[0012]所述石墨烯的制备，利用价格低廉的导电石墨原材料，采用电泳法，通过调整电泳液的成分、PH值、外加电压值等，分离高纯度高导电性的少层(〈10层)石墨烯。其特征在于，电泳电压设置为60 — 10V ;所述石墨烯是指单层石墨烯、少层石墨烯(< 10)或它们的混合物中任一种。
[0013]本发明采用丝网印刷印制导电线路，做导通作用，从而降低工艺制作的要求，丝印材料和丝印设备不必特殊加工，通过市售渠道即可获得，成本很低；采用电泳法从石墨中提取制备导电性好的少层石墨，简单易行，原材料易得，成本较低；采用水热合成法制备比表面积大、生物相容性好、导电性好的石墨烯/介孔碳纳米复合材料，不仅可以固载葡萄糖氧化酶，同时修饰到电极上加快了电子在酶活性中心和电极之间的传递，增加传感器的灵敏度；采用喷涂印刷技术控制生物敏感材料的喷涂量和面积，使最终产品的精度和重复性得到充分保障。
[0014]本发明的有益效果为:
1)采用丝网印刷和喷涂印刷相结合的方法，不仅能简化丝网印刷工艺过程，降低成本，又能消除复合丝印方式对生物敏感材料-酶的不利影响，喷涂的印刷方式能有效的控制生物敏感材料-酶的喷涂量和喷涂面积，整个工艺操作简单易行，成本低廉，可进行大规模生产；
2)从廉价易得的石墨中电泳出少层石墨烯，与现有制备石墨烯的方法比方法简单，成本低，且制得的石墨烯导电性能好；
3)采用水热法制备的石墨烯/介孔碳纳米复合材料，具有良好的生物相容性，多孔性和比表面积大等优势有利于酶的固载，且复合材料的界面电阻小，导电性好，有利于促进电子的转移；
4)利用导电性好的石墨烯复合材料修饰电极，有利于增加生物传感器的灵敏度、响应时间和检测范围。这一发明可极大促进家庭便携式血糖浓度的检测。
【附图说明】
[0015]图1为本发明制备的生物传感器检测试纸结构图；
图2为本发明制备的生物传感器电极示意图；
图3为本发明制备的生物传感器电极的制备流程图；
图4为石墨烯/介孔碳复合材料工作原理图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例进一步说明。
[0017]实施例1
I)称取1g