基于金属有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器及其制备方法与流程

本发明属于生物传感器技术领域，特别涉及一种基于金属有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器及其制备方法。

背景技术

生物传感器是一种用来监测生命体系或与之相关联的生物化学物质的器件，因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、所需仪器简便和低成本等优点，是当前科学研究中普遍使用的检测技术之一，在临床诊断、环境监测、药物筛选、食品安全和农业检测等方面得到了高度重视和广泛应用。其中，电化学传感器因其操作简单、成本低、响应快、灵敏度高等优点，在有限空间应用场合中被频繁使用，通过改进一些敏感功能材料的性能，对于高性能电化学传感器的研发具有重要意义。

近些年来，纳米技术的蓬勃发展和纳米材料的不断涌现，极大地促进了电化学传感器的快速前进和发展。纳米材料由于具有大比表面积、高活性以及优良的光、热、电等特性，构建传感器可以大大增强响应信号和信噪比，实现高选择性、高灵敏度、快速方便的生物检测。石墨烯，作为最热门的二维纳米材料，由于具有优良的光、电、热等特性，被广泛地应用于构建各种纳米生物传感器和仿生生物电极，并展现出非常巨大的潜能。而石墨烯及其衍生材料如氧化石墨烯(go)和还原氧化石墨烯(rgo)等通过与其他纳米结构的杂化，被设计成各种性能优越的电极材料。金属有机框架(metal-organicframeworks，mofs)是一类由金属离子(簇)与有机桥联配体通过自组装连接而成的具有纳米孔穴的超分子晶体材料。它们具有极大的比表面积、可调控的孔径和拓扑结构、良好热稳定性和化学稳定性等优点，在化学传感方面有广阔的应用前景。利用mofs材料极大的比表面积和催化活性，再与其他纳米材料复合，可以改善电化学传感器的响应性能。xu等将预先合成的pt纳米粒子(ptnps)－加入到一种zr-mof(uio-66)中，制备的复合材料ptnps@uio-66，ptnps@uio-66具有很好的晶体结构，ptnps很好地分散在了具有八面体结构的uio-66框架中，为氧化还原反应提供了更多的电活性位点，该电极对过氧化氢具有优异的电催化活性，选择性良好，线性范围扩展为5μm～5mm，检测限为2μm，为提高非酶电化学传感器的抗干扰能力提供了一种新途径。最近，研究人员通过后期煅烧处理获得了各种mof衍生的纳米结构，构建出各种超灵敏和高选择性的电化学传感器。kim等制备出导电高分子polyttba与rgo的复合电极材料poly(ttba-rgo)，然后以此为模板生长锌基mof——zif-8，通过高温煅烧方式获得zno纳米粒子包覆的poly(ttba-rgo)/zno纳米结构，以此为工作电极，电化学检测no分子的灵敏度可达到19nm，并检测出离体状态癌细胞和正常细胞分泌的no分子。

现有的电化学传感器一般使用的敏感功能材料有四种：分别是碳纳米材料，金属及金属氧化物纳米颗粒，过渡金属配合物和导电聚合物等敏感功能材料。归纳这四种材料在电化学传感器中的优势，即电化学敏感功能材料应具备的一般特点：较大的比表面积或良好的吸附储存性能和优异的导电性。

分别分析上述四种材料可知：

第一、碳纳米材料中碳纳米管、石墨烯、乙炔黑和碳纳米纤维这几种碳纳米材料都具有电化学传感器的一般特点，但是这几种碳纳米材料的功能比较单一，对于电化学传感器在性能上的提升方面局限性比较大，并且在反应速率方面还是达不到医学应用的要求；

第二、金属及金属氧化物纳米颗粒，同碳纳米材料比较类似，都是单一导电材料构成的，不利于电化学传感器向更多元的方向发展，且在导电性和敏感性上不能同时具备超凡的能力；

第三、过渡金属配合物在电化学传感领域发挥着重要作用，但是过渡金属需要结合其他物质形成配合物，仅过渡金属本身的局限性还是比较大，另外仍然相比石墨烯这类导电性优异的材料而言，过渡金属配合物的导电性还是相对较弱；

第四、导电聚合物修饰的电极具有活性基团浓度高、能加速电子转移、化学影响信号大，稳定性好等优点，但是比表面积相对较小。

总而言之，以上几种电化学传感器常用敏感功能材料，在对检测物质浓度和时间要求不高的前提下具有良好的表现，在电化学领域也是运用的比较成熟的几种材料，但是从医学角度或者发展的角度审视，这几种材料还是存在一定局限性的，尤其是在精确度上仍然有待提高。

随着时代的进步，更多新型材料仍然被期待开发。碳纳米材料，金属及金属氧化物纳米颗粒，过渡金属配合物和导电聚合物在继续开发过程中可能会花费更长的时间，并且在性能提升方面难度可能会比较大，特别是由于材料自身的局限而导致电化学传感器在性能上的提升困难。由于医学或工程上在测量精度和反应时间要求较高的条件下，想在原电化学材料上寻找提升就更加不易，并且在不同的应用和不同的物质检测方面要求也不一样，要想扩展电化学传感器在生活各方面尤其是医学方面的应用，仅仅利用现有的电化学敏感材料是不够的。同时，虽然mofs材料的被广泛地应用于电极材料，并在电化学传感方面展现出优越的潜能，但是mofs材料本身依旧存在诸多不足和提升之处。多数mofs由于配位键的可逆本性导致稳定性差，许多合成的mofs属于微米级材料，致使mofs和传感器表面结合不牢，大部分mofs的导电性差。mofs的固有缺陷限制了其在传感器上的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，公开一种基于金属有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器及其制备方法，该电化学传感器拥有更高的电传导率，更大的比表面积，更多种类的响应物质表面，且此方法的方向比较明确，可直接根据化学反应的性能选择材料制作mof，并且可根据性能要求更改mof材料的空间结构，这样就可以更容易地构造出更加符合需求的电化学传感器，适用范围广。

为了达到上述技术目的，本发明是按以下技术方案实现的：

一种基于金属有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器的制备方法，其具体步骤是：

(1)在不锈钢基底上生长垂直石墨烯；

(2)以不锈钢基底上的垂直石墨烯为模板，合成各种不同的金属有机框架(简称mof材料)如zif-8或kaust-1或ni-mil-77等；

(3)以mof-垂直石墨烯复合纳米结构作为电极材料，构建电化学传感器。

作为上述技术的进一步改进，在上述步骤(1)中，通过等离子增强化学气相沉积法(简称pecvd)在不锈钢基底上生长垂直石墨烯，可以通过调节生长条件如功率、温度等参数，获得不同密度的垂直石墨烯。

作为上述技术的更进一步改进，在上述步骤(2)中合成mof材料zif-8的具体步骤是：

①使用原子层沉积(简称ald)技术在石墨烯表面沉积一层zno薄膜作为zif-8生长的种子层；

②采用水热法在反应釜内生长zif-8，以硝酸锌溶液作为锌源，2-甲基咪唑作为有机配体分子，n，n-二甲基甲酰胺(简称dmf)与去离子水为溶剂，获得zif-8包裹的垂直石墨烯复合纳米结构zif-8@vg；

③通过调节反应时间，原料浓度以及投料比例，控制zif-8的生长厚度，以探讨mof的结构对电极材料检测性能的影响；

④通过后期分别在空气和n2保护气氛下对zif-8@vg复合结构进行高温煅烧，生成不同成分的mof衍生的纳米结构，以探讨不同纳米形貌对器件性能的影响。

上述步骤①中，所述zno薄膜作为zif-8生长的种子层的厚度为10nm。

上述步骤②中，所述n，n-二甲基甲酰胺(简称dmf)与去离子水的体积比3:1。

本发明还公开了一种基于有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器的制备方法获得的电化学传感器，包括在不锈钢基底上生长垂直石墨烯，以及垂直石墨烯为模板合成的各种不同的mof材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的基于金属有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器的制备方法，其将已有的导电性良好的材料—石墨烯和比表面积极大催化性能良好的mof材料进行了很好的结合，并且充分的发挥了复合材料成分的优良特性。

(2)利用本发明方法作为电化学实验的敏感功能材料，一方面优化了电化学敏感功能器件的感应性能和传导性能，另一方面，电化学传感器在现阶段正处于寻求更多功能材料完善检测物质种类和优化器件功能的关键时期，本发明正好为电化学传感器的这种需求提供了解决方案；

(3)本发明通过利用垂直石墨烯良好的导电性和良好的空间结构，为电化学传感器提供了高效快速的导电层，并且为mof材料的附着提供了良好的位点和更大的空间伸展可能性，从而进一步提高了电极表面的比表面积和反应物吸附点，针对mof-垂直石墨烯敏感功能材料的各种优势特性，将这种新型电化学传感器的性能大大提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明：

图1是mof-垂直石墨烯的制备流程图；

图2是mof-垂直石墨烯的的sem表征结果图；

图3是基于mof-垂直石墨烯复合电极的电化学传感器检测活细胞分泌的生物分子的示意图。

图中：1、pdms培养池；2、pt对电极；3、癌细胞；4、工作电极；5、zif-8@vg复合纳米材料；6、参比电极。

具体实施方式

本发明所述的基于金属有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器的制备方法，如图1、图2所示，其具体步骤是：

(1)在不锈钢基底上生长垂直石墨烯：通过等离子增强化学气相沉积法(简称pecvd)在不锈钢基底上生长垂直石墨烯，可以通过调节生长条件如功率、温度等参数，获得不同密度的垂直石墨烯；

(2)以不锈钢基底上的垂直石墨烯为模板，合成各种不同的金属有机框架(简称mof材料)如mof材料zif-8或kaust-1或ni-mil-77等；

(3)以mof-垂直石墨烯复合纳米结构作为电极材料，构建电化学传感器。

作为上述技术的更进一步改进，在上述步骤(2)中合成mof材料zif-8的具体步骤是：

①使用原子层沉积(简称ald)技术在石墨烯表面沉积一层zno薄膜作为zif-8生长的种子层；

②采用水热法在反应釜内生长zif-8，以硝酸锌溶液作为锌源，2-甲基咪唑作为有机配体分子，n，n-二甲基甲酰胺(简称dmf)与去离子水为溶剂，获得zif-8包裹的垂直石墨烯复合纳米结构zif-8@vg；

③通过调节反应时间，原料浓度以及投料比例，控制zif-8的生长厚度，以探讨mof的结构对电极材料检测性能的影响；

④通过后期分别在空气和n2保护气氛下对zif-8@vg复合结构进行高温煅烧，生成不同成分的mof衍生的纳米结构，以探讨不同纳米形貌对器件性能的影响。

上述步骤①中，所述zno薄膜作为zif-8生长的种子层的厚度为10nm。

上述步骤②中，所述n，n-二甲基甲酰胺(简称dmf)与去离子水的体积比3:1。

本发明还公开了一种基于有机框架-垂直石墨烯复合结构的电化学传感器的制备方法获得的电化学传感器，包括在不锈钢基底上生长垂直石墨烯，以及垂直石墨烯为模板合成的各种不同的mof材料。

如图3所示，采用传统的三电极体系的电化学传感器检测活细胞分泌的生物分子，其具体步骤是：

首先，以不锈钢基底上的zif-8@vg复合纳米材料5作为工作电极4，将整个工作电极4放入事先准备好的pdms培养池1中，再缓慢倒入少量pdms浸没工作电极引出的导线，并将不锈钢基底与pdms电解池浇筑粘合，排除钢片本身作为工作电极。pt电极为对电极2，ag/agcl作为参比电极6；

其次，对培养池1杀菌处理后，使用dmem培养基培养癌细胞3，使其在工作电极4表面正常贴壁生长；

最后，检测癌细胞3在不同处理药物处理后的no电化学信号。

以下通过几个实施例对本发明进行具体说明：

实施例1：电化学检测no标准溶液

(1)采用含有0.1mkcl的4.0×10^-3mfe[(cn)6]^3-/4-溶液为电解液，循环伏安法和电化学交流阻抗法表征zif-8@vg电极材料的电化学性质；

(2)以2-(n，n-二乙基氨基)-二氮烯-2-氧钠盐水合物作为产生no的前驱体，配制no标准溶液；

(3)使用格里斯试验(griesstest)来确定前驱体溶液中no的浓度：将nafion涂覆在zif-8@vg复合电极表面，以提高其特异性。采用循环伏安法检测不同浓度的no标准溶液，确定最佳的工作电位之后，采用计时电流法检测一系列浓度梯度的no溶液。

(4)将nafion涂覆的zif-8@vg复合工作电极构建的电化学器件，采用计时电流法测试依次加入抗坏血酸、h2o2、o2^–、尿酸、葡萄糖和多巴胺等干扰物质后器件安培电流的响应变化。

实施例2：

首先，使用聚二甲基硅氧烷(pdms)在zif-8@vg基底上构建出小型细胞培养池，紫外灯照射30min以上杀菌处理；

然后，分别将含有大约10⁵cells/mlpc-12癌细胞和普通的hek-293细胞的悬浮液加入到培养池中，使用dmem培养基(内含10％胎牛血清和1％抗生素)，在细胞培养箱内5％co2，37℃下培养，让细胞在电极材料表面正常的贴壁生长，采用计时电流法测试器件在加入多糖溶液后的安培电流响应曲线。

最后，细胞毒性实验：细胞在zif-8@vg基底上正常贴壁生长后，使用calceinam/pi染色剂进行染色，评估细胞的存活性，确保电极材料不会对细胞产生毒性。

实施例3：

(1)在金属微针阵列上生长垂直石墨烯，然后制备zif-8@vg纳米复合结构；

(2)将内窥镜与电化学传感器–微针系统集成，制备出一体式可插入芯片；

(3)将微针插入长有肿瘤的小鼠体内，监测小鼠体内正常细胞和癌细胞中no的浓度。

检测小鼠体内不同组织和器官部位的no浓度；

(4)注射不同药物，对各组织和器官中no浓度的影响。

本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。