CN106513066B - 一种三维多孔石墨烯微流控芯片及其石墨烯附着方法 - Google Patents

一种三维多孔石墨烯微流控芯片及其石墨烯附着方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三维多孔石墨烯微流控芯片及其石墨烯附着方法，三维多孔石墨烯微流控芯片包括上层的流道结构层和下层的电极结构层，流道结构层上设有入口、出口、第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔、第四电极孔、标尺和流道，流道设在流道结构层中心，入口和出口分别设在流道两端，标尺、第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔、第四电极孔均设在流道两侧，入口、出口、第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔和第四电极孔均通过流道相通；电极结构层中心设有平面电极，平面电极上设有三维多孔石墨烯层。本发明检测范围广、功能多样、灵敏度高、制造成本低、体积小，能作为便携式环境污染检测工具、易于集成的医疗诊断设备的核心器件。

Description

一种三维多孔石墨烯微流控芯片及其石墨烯附着方法
技术领域
本发明涉及一种三维多孔石墨烯微流控芯片及其石墨烯附着方法，属于生物医疗诊断、环境污染物检测、微流控芯片电化学检测等领域。
背景技术
如今传统科学之间相互影响、相互促进的现象越来越多，化学、生物、物理、机械等学科之间的交叉结合产生了许多新奇的领域与应用。微流控免疫传感器便是一个很好的例子，这一技术综合了电化学、生物传感器、微流控等领域，汲取并发挥了各个领域的学科优势，从而不断获得具有很大应用前景的科研成果。
电化学是化学的一个分支，主要研究非均匀电子传输动力学，应用于冶金、半导体、燃料电池、自组装涂层和电化学传感器等领域。其中电化学传感器应其具有廉价、微小两个重要优势而受到人们的广泛关注。
生物传感器的概念也由来已久，主要是指能够识别生物分子并且能够实现信号传输的器件。其可以用来对生物样本做定性或定量研究，例如对蛋白质、核酸、金属离子、药品等进行检测，以判断样本中的含量以及变化。其传输的信号可以是电信号、光信号等。其可以用于癌症诊断、核酸检测、药物识别、环境污染监控等领域。对于生物传感器，人们希望其具有良好的选择性以及灵敏度，能够重复使用而且便于携带，同时对于样本的预处理要求尽可能的低。
微流控是用于操控微小体积(一般指微升及以下)流体的技术，最常见的手段便是通过设计一个具有微纳尺度流道的微流控芯片来实现对流体的精微操控。最早用于化学分选相关领域，近年来由于机械设备的精度不断提高，微流控器件越来越精密，可以用于基因组学、合成学、细胞分选、聚焦等不同的学科与领域。其具有制造成本低、反应灵敏、体积小、精度高等优势。
石墨烯分子是一种二维平面分子，其各种优异的物理化学特性已为人熟知。所谓三维多孔石墨烯是指通过各种手段(化学气相沉积、热还原、化学还原、电化学还原等)实现石墨烯分子通过自组装形成疏松多孔的海绵状结构，这种结构密度小，比表面积(表面积与体积之比)大，同时导电性良好，非常适合应用于储能、催化、过滤和化学传感器等领域。其中，作为化学传感器的电极材料可以大大提高传感器的灵敏度与检测范围。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种集成了电化学检测、生物传感器、微流控技术的三维多孔石墨烯微流控芯片及其石墨烯附着方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种三维多孔石墨烯微流控芯片，包括上层的流道结构层和下层的电极结构层，所述流道结构层上设有入口、出口、第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔、第四电极孔、标尺和流道，流道设在流道结构层中心，入口和出口分别设在流道两端，标尺设在流道两侧，第一电极孔、第二电极孔分别设在标尺与入口之间的流道两侧，第三电极孔、第四电极孔分别设在标尺与出口之间的流道两侧，入口、出口、第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔和第四电极孔均通过流道相通；所述电极结构层中心设有平面电极，平面电极上设有三维多孔石墨烯层。
工作原理：本发明三维多孔石墨烯微流控芯片集成了微流控技术、生物传感器技术以及电化学检测技术，通过在三维石墨烯上修饰不同的功能性材料，如免疫蛋白、纳米金属颗粒、核酸片段等可以实现不同功能的生物化学检测应用；检测范围广且灵敏度高，由于石墨烯的电导率高，且三维多孔结构极大得增大了电极的比表面积，从而可以检测出及其微小的电信号，因此及时样本中目标检测物的含量非常低也能检测出来，同样若样本中目标检测物的含量发生了细微的变化从而导致电信号的微小改变也可以被检测出来。
所述流道结构层材料为聚二甲基硅氧烷、玻璃、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯；能为电化学检测提供一个微型腔体，腔体稳定性好，适合用于生物样本的检测。
所述流道的尺寸在高度方向上为50-100微米，宽度方向上为0.4-0.8毫米，长度方向上为2.0-4.0厘米；能增大流道腔体的比表面积，让样本溶液可以与电极表面充分接触。
所述电极结构层材料为玻璃、硅片或石英；平面电极厚度为100-300纳米，材料为ITO、FTO、Cu、Au、Pt，所述三维多孔石墨烯厚度为10-50微米；能使三维多孔石墨烯具有纳米尺度的三维孔隙结构，其具有极大的比表面积，以及良好的导电性，能有效检测低浓度的样本以及其浓度的微小变化。
上述三维多孔石墨烯作为基底材料连接检测单元(例如抗体、DNA探针等)。
所述流道结构层与电极结构层之间通过不可逆的等离子体氧化粘结或高分子材料粘结；能保证检测腔体的密封性；等离子体氧化粘结或高分子材料粘结不会对平面电极造成二次污染。
所述三维多孔石墨烯层设在流道正下方，流道长度大于三维多孔石墨烯层长度；能使三维多孔石墨烯可以捕捉流道内检测液中的目标分子，并通过电化学工作站将其转化为电信号。
上述三维多孔石墨烯微流控芯片的石墨烯附着方法，所述三维多孔石墨烯层通过电化学还原方法附着于平面电极表面，电化学还原方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯试剂；在氧化石墨烯胶体中添加导电试剂；
(2)搭建反应平台，反应平台包括顺次连接的连续注射泵、微流控芯片、电化学工作站和电脑；利用连续注射泵将氧化石墨烯试剂通过软管注入微流控芯片的流道中，选取微流控芯片同一侧的两个电极孔，各自分别插入Pt电极、Ag/AgCl电极，其中Pt电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，平面电极作为工作电极；
(3)电化学还原；将连续注射泵的流速设置为0.5uL/min，工作电极电压设置为-1.15V，使用恒压法电镀10分钟；之后将对电极与参比电极插在另一侧电极孔中并重复该步骤；
(4)清洗与冻干：电镀完成后使用去离子水冲洗流道内的石墨烯，之后在-20℃下冷冻48小时，之后再使用冷冻干燥机处理2小时，从而获得三维多孔石墨烯微流控芯片。
上述流道为对称结构，通过双向多次电镀，可以解决电化学还原过程中由于平面电极上各个位置到Pt电极距离不同而产生的镀层厚度不均匀问题。
所述步骤(1)中导电试剂为PBS缓冲试剂、LiClO4或NaCl溶液；能为溶液提供足够的离子保证溶液的导电性，同时所述试剂不会破坏反应生产的石墨烯分子结构，都易溶于水溶液，电镀之后可以用去离子水冲洗去除。
上述三维多孔石墨烯微流控芯片的石墨烯附着方法，所述三维多孔石墨烯层通过纯化学还原方法附着于平面电极表面，纯化学还原方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯试剂；氧化石墨烯的浓度大于3mg/mL，并向氧化石墨烯胶体中添加L抗坏血酸作为还原剂，L抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比值大于2；
(2)对平面电极上表面进行硅烷化处理，从而使得还原后的三维多孔石墨烯层与平面电极良好吸附；
(3)将第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔、第四电极孔密封，使用容量为2uL的进样针将氧化石墨烯试剂注入流道内，流道内氧化石墨烯试剂的长度不超出平面电极在流道内的长度范围；
(4)将微流控芯片的入口、出口、第一电极孔、第二电极孔、第三电极孔、第四电极孔密封，置于40℃水浴中加热至少16小时，之后使用去离子水冲洗流道内的石墨烯凝胶，然后置于-20℃下冷冻48小时，之后再使用冷冻干燥机处理2小时，从而获得三维多孔石墨烯微流控芯片。
本发明未提及的技术均为现有技术。
有益效果：本发明三维多孔石墨烯微流控芯片集合了电化学检测、生物传感器以及微流控技术，检测范围广、功能多样、灵敏度高、制造成本低、体积小，能满足环境监测、疾病诊断、生物识别等领域的应用需求；能作为便携式环境污染检测工具、易于集成的医疗诊断设备的核心器件。
附图说明
图1为本发明三维多孔石墨烯微流控芯片结构示意图；
图2为本发明三维多孔石墨烯微流控芯片俯视图；
图3为图2中A-A’截面图；
图4为本发明石墨烯附着方法中电化学还原实验平台示意图；
图5为本发明石墨烯附着方法中纯化学还原方法的平面电极表面硅烷化原理图。
图中：100流道结构层、101第一电极孔、102入口、103第二电极孔、104标尺、105流道、106第三电极孔、107出口、108第四电极孔、200电极结构层；201平面电极；202三维多孔石墨烯层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-3所示，一种三维多孔石墨烯微流控芯片，包括上层的流道结构层100和下层的电极结构层200，所述流道结构层100上设有入口102、出口107、第一电极孔101、第二电极孔103、第三电极孔106、第四电极孔108、标尺104和流道105，流道105设在流道结构层100中心，入口102和出口107分别设在流道105两端，标尺104设在流道105两侧，第一电极孔101、第二电极孔103分别设在标尺104与入口102之间的流道105两侧，第三电极孔106、第四电极孔108分别设在标尺104与出口107之间的流道105两侧，入口102、出口107、第一电极孔101、第二电极孔103、第三电极孔106和第四电极孔108均通过流道105相通；所述电极结构层200中心设有平面电极201，平面电极201上设有三维多孔石墨烯层202；流道结构层100材料为聚二甲基硅氧烷、玻璃、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯；流道105的尺寸在高度方向上为50微米，宽度方向上为0.6毫米，长度方向上为2.4厘米；平面电极201厚度为150纳米，材料为ITO、FTO、Cu、Au、Pt，所述三维多孔石墨烯厚度为20微米；三维多孔石墨烯层202设在流道105正下方，流道105长度大于三维多孔石墨烯层202长度；
标尺104和流道105结构借助软光刻技术制作，浇铸所用阳模采用SU-8有掩膜光刻加工制作而成；电极结构层200采用普通的ITO玻璃，采用湿法刻蚀技术获得图1所示中平面电极201形状的ITO薄膜；流道结构层100与电极结构层200之间通过等离子清洗机进行氧化粘结。
三维多孔石墨烯层通过电化学还原方法附着于平面电极201表面，电化学还原方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯试剂；氧化石墨烯溶液浓度为3.5mg/mL；在氧化石墨烯胶体中添加导电试剂；导电试剂为PBS缓冲试剂、LiClO4或NaCl。
(2)搭建反应平台，如图4所示，反应平台包括顺次连接的连续注射泵、微流控芯片、电化学工作站和电脑；利用连续注射泵将氧化石墨烯试剂通过软管注入微流控芯片的流道105中，选取微流控芯片同一侧的两个电极孔，各自分别插入Pt电极、Ag/AgCl电极，其中Pt电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，平面电极201作为工作电极；
(3)电化学还原；将连续注射泵的流速设置为0.5uL/min，工作电极电压设置为-1.15V，使用恒压法电镀10分钟；之后将对电极与参比电极插在另一侧电极孔中并重复该步骤；
(4)清洗与冻干：电镀完成后使用去离子水冲洗流道105内的石墨烯，之后在-20℃下冷冻48小时，之后再使用冷冻干燥机处理2小时，从而获得三维多孔石墨烯微流控芯片。
连续注射泵的注射流量为0.5uL/min，对电极采用铂丝，参比电极为表面附着一层AgCl的银丝，单次电镀完成后需将芯片对调重复电镀步骤，从而获得高度均匀的三维多孔石墨烯。
通过本石墨烯附着方法制备三维多孔石墨烯芯片步骤简单，原料消耗低，切石墨烯与平面电极201吸附紧密，导电性良好。
实施例2
与实施例1基本相同，所不同的是：三维多孔石墨烯层通过纯化学还原方法附着于平面电极201表面，纯化学还原方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯试剂；氧化石墨烯溶液浓度为3.5mg/mL，并向氧化石墨烯胶体中添加L抗坏血酸作为还原剂，还原剂L抗坏血酸的质量为氧化石墨烯的4倍，混合溶液通过超声振荡处理10分钟使其充分混合；
(2)对平面电极201上表面进行硅烷化处理，对平面电极201进行硅烷化的试剂为3-氨丙基、三乙氧基硅烷(aptes)的甲苯溶液，硅烷化原理如图5所示，具体操作如下：
将刻蚀后的ITO玻璃依次使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min，之后放入aptes甲苯溶液中在60℃温度下保温3小时，冷却后静置12小时，之后去除ITO玻璃依次使用乙醇、去离子水超声清洗10分钟；从而使得还原后的三维多孔石墨烯层与平面电极201良好吸附；
(3)将第一电极孔101、第二电极孔103、第三电极孔106、第四电极孔108密封，使用容量为2uL的进样针将氧化石墨烯试剂注入流道105内，流道105内氧化石墨烯试剂的长度不超出平面电极201在流道105内的长度范围；
(4)将微流控芯片的入口102、出口107、第一电极孔101、第二电极孔103、第三电极孔106、第四电极孔108密封，置于40℃水浴中加热至少16小时，之后使用去离子水冲洗流道105内的石墨烯凝胶，然后置于-20℃下冷冻48小时，之后再使用冷冻干燥机处理2小时，从而获得三维多孔石墨烯微流控芯片。
通过本石墨烯附着方法制备三维多孔石墨烯芯片，可以获得结构均一、厚度均匀的三维多孔石墨烯薄膜，且制作条件温和，原材料消耗极小。
本发明整体上是一个用于生化检测的微流控生物传感器，其中敏感元件是三维多孔石墨烯，石墨烯是良好的基体材料，容易修饰各种功能性基团，从而达到不同的检测目的，这一点在环境监测、生物医疗诊断、药品检测等领域具有广泛的应用价值。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维多孔石墨烯微流控芯片，其特征在于：包括上层的流道结构层(100)和下层的电极结构层(200)，所述流道结构层(100)上设有入口(102)、出口(107)、第一电极孔(101)、第二电极孔(103)、第三电极孔(106)、第四电极孔(108)、标尺(104)和流道(105)，流道(105)设在流道结构层(100)中心，入口(102)和出口(107)分别设在流道(105)两端，标尺(104)设在流道(105)两侧，第一电极孔(101)、第二电极孔(103)分别设在标尺(104)与入口(102)之间的流道(105)两侧，第三电极孔(106)、第四电极孔(108)分别设在标尺(104)与出口(107)之间的流道(105)两侧，入口(102)、出口(107)、第一电极孔(101)、第二电极孔(103)、第三电极孔(106)和第四电极孔(108)均通过流道(105)相通；所述电极结构层(200)中心设有平面电极(201)，平面电极(201)上设有三维多孔石墨烯层(202)。
2.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯微流控芯片，其特征在于：所述流道结构层(100)材料为聚二甲基硅氧烷、玻璃、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。
3.根据权利要求2所述的三维多孔石墨烯微流控芯片，其特征在于：所述流道(105)的尺寸在高度方向上为50-100微米，宽度方向上为0.4-0.8毫米，长度方向上为2.0-4.0厘米。
4.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯微流控芯片，其特征在于：所述电极结构层(200)材料为玻璃、硅片或石英；平面电极(201)厚度为100-300纳米，材料为ITO、FTO、Cu、Au、Pt其中的一种，所述三维多孔石墨烯层(202)厚度为10-50微米。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的三维多孔石墨烯微流控芯片，其特征在于：所述流道结构层(100)与电极结构层(200)之间通过不可逆的等离子体氧化粘结或高分子材料粘结。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的三维多孔石墨烯微流控芯片，其特征在于：所述三维多孔石墨烯层(202)设在流道(105)正下方，流道(105)长度大于三维多孔石墨烯层(202)长度。
7.权利要求1-6任意一项所述的三维多孔石墨烯微流控芯片的石墨烯附着方法，其特征在于：所述三维多孔石墨烯层(202)通过电化学还原方法附着于平面电极(201)表面，电化学还原方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯试剂；在氧化石墨烯胶体中添加导电试剂；
(2)搭建反应平台，反应平台包括顺次连接的连续注射泵、微流控芯片、电化学工作站和电脑；利用连续注射泵将氧化石墨烯试剂通过软管注入微流控芯片的流道(105)中，选取微流控芯片同一侧的两个电极孔，各自分别插入Pt电极、Ag/AgCl电极，其中Pt电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，平面电极(201)作为工作电极；
(3)电化学还原；将连续注射泵的流速设置为0.5uL/min，工作电极电压设置为-1.15V，使用恒压法电镀10分钟；之后将对电极与参比电极插在另一侧电极孔中并重复该步骤；
(4)清洗与冻干：电镀完成后使用去离子水冲洗流道(105)内的石墨烯，之后在-20℃下冷冻48小时，之后再使用冷冻干燥机处理2小时，从而获得三维多孔石墨烯微流控芯片。
8.根据权利要求7所述的三维多孔石墨烯微流控芯片的石墨烯附着方法，其特征在于：所述步骤(1)中导电试剂为PBS缓冲试剂、LiClO4或NaCl。
9.权利要求1-5任意一项所述的三维多孔石墨烯微流控芯片的石墨烯附着方法，其特征在于：所述三维多孔石墨烯层(202)通过纯化学还原方法附着于平面电极(201)表面，纯化学还原方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯试剂；氧化石墨烯的浓度大于3mg/mL，并向氧化石墨烯胶体中添加L抗坏血酸作为还原剂，L抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比值大于2；
(2)对平面电极(201)上表面进行硅烷化处理，从而使得还原后的三维多孔石墨烯层(202)与平面电极(201)良好吸附；
(3)将第一电极孔(101)、第二电极孔(103)、第三电极孔(106)、第四电极孔(108)密封，使用容量为2uL的进样针将氧化石墨烯试剂注入流道(105)内，流道(105)内氧化石墨烯试剂的长度不超出平面电极(201)在流道(105)内的长度范围；
(4)将微流控芯片的入口(102)、出口(107)、第一电极孔(101)、第二电极孔(103)、第三电极孔(106)、第四电极孔(108)密封，置于40℃水浴中加热至少16小时，之后使用去离子水冲洗流道(105)内的石墨烯凝胶，然后置于-20℃下冷冻48小时，之后再使用冷冻干燥机处理2小时，从而获得三维多孔石墨烯微流控芯片。
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