一种石墨烯/铜颗粒混合结构的生物传感器及制备方法与流程

本发明属于新材料技术领域，涉及一种可分离混合生物分子的生物传感器及其制备方法，具体涉及一种以玻璃纤维为衬底的二维石墨烯/铜纳米颗粒混合结构的可分离生物分子的生物传感器及其制备方法。

背景技术：

对于当今的生物传感器，高灵敏度，高稳定性，高效率至关重要。高灵敏的原位SERS技术可以实时、快速的检测环境、农产品污染及其引发的癌变，对污染治理和医学诊疗等具有重要的作用。目前，相关的研究进展较为缓慢，主要原因是高灵敏度的生物传感器材料的制备比较困难。

分子分离可实现混合多分子下分子的分离，有利于更精确检测混合多分子中分子种类，在环境监测、医学诊断和生命体表征等方面具有重要的作用。对混合溶液的分离时采用纸色谱法，纸色谱法是以纸为载体的色谱法。固定相一般为纸纤维上吸附的水分，流动相为不与水相溶的有机溶剂；也可使纸吸留其他物质作为固定相，如缓冲液，甲酰胺等。将试样点在纸条的一端，然后在密闭的槽中用适宜溶剂进行展开。当组分移动一定距离后，各组分移动距离不同，最后形成互相分离的斑点。

对分子进行检测的时候利用的是表面增强拉曼散射(SERS)的技术。拉曼光谱和红外光谱一样同属于分子振动光谱，可以反映分子的特征结构。但是拉曼散射效应是个非常弱的过程，一般其光强仅约为入射光强的10^-10。所以拉曼信号都很弱，要对表面吸附物种进行拉曼光谱研究几乎都要利用某种增强效应。关于表面增强拉曼散射目前较普遍的观点是SERS活性的表面往往能产生被增强的局域电场，是表面等离子共振振荡引起的，这被称为物理增强。而分子在金属上的吸附常伴随着电荷的转移引起分子能级的变化，或者分子吸附在特别的金属表面结构点上也导致增强，这两种情况均被称为化学增强。在一些特别情况下，人们还在努力进行单个分子的检测。

近些年，随着激光技术、纳米科技和计算机技术的迅猛发展，SERS已经在界面和表面科学、材料分析、生物、医学、食品安全、环境监测和国家安全等领域得到了广泛应用。SERS技术不但具有拉曼光谱的大部分优点，能够提供更丰富的化学分子的结构信息，可实现实时、原位探测，而且灵敏度高，数据处理简单，准确率高，是非常强有力的痕量检测工具。

由于其无需样品预处理、操作简便、检测速度快、准确率高、仪器便携等特点，SERS检测在食品安全快速检测中起到了积极的作用，例如，SERS可以定性、定量检测有害非法添加物(如三聚氰胺、苏丹红等)、超量超范围使用的添加剂(如食品中的合成色素等)、果蔬中的农药残留以及食物表面上的细菌和病毒等。显然，SERS有望成为一种常用的现场快速分析方法。然而，目前SERS使用的生物传感器存在灵敏度低，制备工艺繁琐、成本高，难以检测混合生物分子等缺点。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种可用于原位检测的高灵敏可分离生物传感器的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种石墨烯/铜颗粒混合结构的生物传感器，在玻璃纤维纸的上表面附着有二维石墨烯与铜纳米颗粒混合的层状结构。

本发明中所述的玻璃纤维纸是由直径细小的玻璃纤维抄造而成的薄页纸。

本发明中所述的二维石墨烯为一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

本发明中所述的纳米颗粒为大小不超过300纳米的微型颗粒。

优选的，所述纳米颗粒为大小为50～150nm。

一种石墨烯/铜颗粒混合结构的生物传感器的制备方法，采用真空镀膜法在玻璃纤维纸上镀铜膜，采用化学气相沉积法使生成的石墨烯沉积在所述铜膜上，同时使铜膜被处理成铜纳米颗粒层，从而使铜膜形成二维石墨烯与铜纳米颗粒混合的层状结构。

本发明中所述的真空镀膜法为在真空的条件下，将金属材料加热，当温度超过金属材料的沸点时，被加热的金属材料以气态急剧蒸发，以直线向四周喷射；当遇到障碍物时即附着积淀于物体表面，形成一层薄膜。

本发明中所述的化学气相沉积法(简称CVD法)为一种制备材料的气相生长方法，是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。

优选的，采用真空镀膜法时，真空条件为：真空度为2×10^-3～5×10^-3Torr。

本发明中所述的真空度为通常意义下的真空度，即为处于真空状态下的气体稀薄程度。“Torr”为压强单位，1Torr≈133.322Pa＝1.333mbar(毫巴)＝0.001315789473atm。

优选的，采用真空镀膜法时，蒸发电流3min内增加至135A。

优选的，所述铜膜的厚度为100nm～300nm。

优选的，所述铜膜的长宽尺寸为5cm×5cm～20cm×20cm。

优选的，所述化学气相沉积法的步骤为，将镀有铜膜的玻璃纤维纸放入真空反应炉中，开启真空泵抽真空后向真空反应炉中持续注入氢气，再加热升温至预设温度后持续注入甲烷，恒温一定时间后退火。

本发明中所述的退火指的是对衬底表面祛除氧化物等杂质的过程。

进一步优选的，退火后停止通入甲烷，自然冷却至室温即可获得石墨烯/铜颗粒混合结构的生物传感器。

进一步优选的，退火后停止通入甲烷，继续注入氢气，且氢气注入流速不变，再使真空反应炉内温度自然冷却至室温后取出石墨烯/铜颗粒混合结构的生物传感器。

更进一步优选的，真空反应炉内温度冷却至室温后，停止通入氢气并关闭真空泵，再向真空反应炉内注入空气至真空反应炉内气压为0.9-1.0倍的外界大气压，然后取出石墨烯/铜颗粒混合结构的生物传感器。

本发明中所述的外界大气压为真空反应炉所处环境的大气压力。

进一步优选的，真空反应炉抽真空后的真空度为3×10^-3-3×10^-6Torr。以去除炉腔中的活性气体，保持清洁的生长环境。

进一步优选的，所述氢气的注入流速控制为1-100sccm。

本发明中单位“sccm”(Standard Cubic Centimeter per Minute)是表示每分钟标准毫升。

进一步优选的，所述氢气的纯度大于99.99％。

进一步优选的，所述预设温度为850～1050℃。

进一步优选的，所述甲烷的注入流速控制为1-300sccm。

进一步优选的，所述甲烷的纯度大于99.99％。

进一步优选的，所述退火时间为10～30min。

进一步优选的，所述退火温度为850～1050℃。

一种上述制备方法制备的生物传感器。

一种上述生物传感器在检测混合分子中的应用。

一种上述生物传感器检测混合分子的方法，包括以下步骤：

(1)将上述生物传感器修剪为条状结构，在条状结构的一端，且距离该端端部预设距离处画上基线；

(2)将混合分子的溶液点加在所述基线处，晾干；

(3)将晾干后的生物传感器进行预饱和处理；

(4)将预饱和处理后的生物传感器的基线下方的部分浸入展开剂中进行展开；

(5)混合分子中各分子完全分离后，取出生物传感器晾干后，对分离后的分子进行检测。

本发明中所述的条状结构，优选为长方形的条状结构，可以保证物质在条状结构上进行均匀展开。在条状结构的一端画上基线，在基线上涂覆混合分子溶液，基线至另一端之间的生物传感器材料即为混合分子溶液中各种物质进行分离的路径，由于条状结构具有一定的长度，可以将各种物质进行完全分离。

本发明中所述的混合分子为生物分子的混合物，其中，生物分子泛指生物体特有的各类分子，均为有机物。例如结晶紫(CV)、甲苯胺蓝(TB)等。

本发明中所述的预饱和处理为纸色谱法中通常意义上的预饱和处理，所述预饱和处理包括先使展开剂蒸汽预饱和处理容器内饱和，再将晾干后的生物传感器放入蒸汽预饱和处理容器内进行饱和处理。其目的在于：1.是减少生物传感器的边缘效应，使斑点对应更准确；2.减少生物传感器制备中的不佳(如边缘不整齐等)带来的分离效果差，提高分离效果。

优选的，所述预饱和时间为5-25min。

本发明中所述的展开剂为，提取分离时，用来分离极性不同的多种物质的溶剂。

优选的，所述展开剂为浓度大于99.0％的乙醇溶液。

进一步优选的，所述展开剂为浓度99.5％的乙醇溶液。

本发明的技术关键是：

(一)镀铜片的厚度是制备优良生物传感器的关键。铜片的厚度过厚将在CVD法生长石墨烯的过程中无法形成铜纳米结构；铜片的厚度过薄将会在CVD法生长中完全蒸发；上述两种情况都不利于增强分子的拉曼增强。因此，蒸发镀铜片时，镀铜膜的厚度是能否制备优良传感器的关键。

(二)在CVD法生长石墨烯的过程中，控制氢气和甲烷的流速，氢气和甲烷的比例是能否生长出良好的二维石墨烯的关键技术。合理的氢气、甲烷的比例决定着是否能够生长出低缺陷峰的二维石墨烯。

(三)在CVD法生长石墨烯的过程中，恒温退火的是能否生长高灵敏的石墨烯/铜纳米颗粒混合结构的传感器的关键。其中的决定因素包括恒温退火的时间和恒温退火的温度，恒温退火的时间较长有利于石墨烯的生长，但会导致铜颗粒完全蒸发；恒温退火的时间较短会导致不能形成铜纳米结构，也不利于石墨烯的生长。因此，掌控恒温退火的温度和时间是能否生长高灵敏传感器的关键。

(四)在做分子分离时要注意不要让待测物直接浸润到展开液中，否则实验失败，无法分离出混合分子；另一方面，在预饱和过程中，预饱和的时间控制是能否良好分离混合待测分子的关键。

本发明的有益效果是：

1.石墨烯的生长温度精确控制；

2.生长的石墨烯缺陷峰低，具有极高的晶体质量；

3.生长的石墨烯尺寸只受CVD腔体的限制，可实现石墨烯的大面积生长；

4.利用蒸发喷溅法生长铜颗粒成本低，而且能够有效控制生成的铜膜大小。

5.生长的金属颗粒后的石墨烯/铜颗粒混合结构具有极高的化学吸附和物理增强机制，有利于分子的检测；

6.本发明可以利用CVD法同时生成二维石墨烯/铜纳米颗粒结构，减少了工艺流程，降低了生产成本。

7.制备完成后的生物传的发感器可同时实现生物分子的分离和检测。

8.方法简单可控，成本低廉，应用价值高。

附图说明

图1为二维石墨烯/铜纳米颗粒的生物传感器中二维石墨烯和铜纳米颗粒的混合结构的SEM图；

图2为二维石墨烯/铜纳米颗粒玻璃纤维材料对CV分子的拉曼检测图；

图3为二维石墨烯/铜纳米颗粒玻璃纤维材料对TB分子的拉曼检测图；

图4为二维石墨烯/铜纳米颗生物传感器的工艺制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

石墨烯/铜纳米颗粒的生物传感器的制备方法，如图4所示。

1.用剪刀裁剪5cm×15cm的空白玻璃纤维纸，裁剪一定质量的铜薄片。

2.打开蒸发喷溅仪器，将一定质量的铜放入蒸发舟中，然后将玻璃纤维放入蒸发仪器中，关上蒸发喷溅仪器，检查气密性是否良好。

3.打开仪器工作开关，依次打开机械泵，旁路阀，分子泵，将蒸发仪器抽真空至3×10^-3Torr。

4.抽真空结束后，打开蒸发按钮，缓慢增大蒸发电流至135A，持续蒸发一分钟，然后关闭蒸发按钮。等待十分钟后关闭抽气泵，打开蒸发仪器取出玻璃纤维材料。

5.将晾干后的玻璃纤维纸放入管式炉中，并关上管式炉，检查气密性。

6.打开真空泵将管式炉的气压抽至极限真空状态3×10^-6托(Torr)；

7.保持真空状态3×10^-6Torr 15分钟后(真空15分钟的作用是祛除石英净)，将石英管3的气压升到3×10^-3Torr；

8.氢气流量计设定为20sccm，将氢气注入真空腔中；

9.管式炉温度升温到950℃后，开始通入甲烷气体，流量计设定为80sccm，恒温20min进行退火；

10.关闭甲烷气体流量计并将管式炉温度以50℃/min的速度快速降至室温；

11.关闭氢气流量计以及真空泵；

12.打开阀门，用空气将石英管气压充满到一个大气压状态；

13.打开石英管真空接口，取出已形成石墨烯/铜纳米颗粒的生物传感器。

制备的石墨烯/铜纳米颗粒的生物传感器的中二维石墨烯和铜纳米颗粒的混合结构的扫描电镜(SEM)图如图1所示。

利用上述石墨烯/铜纳米颗粒的生物传感器检测混合分子的方法，包括以下步骤：

(1)去上述5cm×15cm的生物传感器，在生物传感器材料的一端，且距离该端端部1cm处画上基线；

(2)将CV、TB混合分子的溶液、CV生物分子的溶液和TB生物分子的溶液分别涂在基线的不同位置处，晾干；

(3)将晾干的生物传感器放入到含有展开剂(99.5％的乙醇溶液)的乙醇的烧杯中进行15min预饱和；

(4)将生物传感器材料基线下方的部分浸入99.5％的乙醇溶液中进行展开；

(5)CV、TB完全分离后，取出生物传感器材料，晾干后，利用拉曼仪进行生物分子信号的检测。

检测结果如图2、3所示，图2是对不同浓度10^-6-10^-4M CV分子的检测结果，图3是对不同浓度10^-6-10^-5M TB分子的检测结果。从图2、3中可以看出采用上述石墨烯/铜纳米颗粒的生物传感器的灵敏度高，检测限低。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。