CN110031519A - 一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置、操作方法及其应用 - Google Patents

一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置、操作方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，包括主板、底座、测试结构、调节结构、机架和微型信号发生器，机架包括横架和纵架，底座固定安装于横架上，并设有若干凹槽，每个凹槽均设有一个测试结构，测试结构包括电路板、固定板、探针阵列、金电极阵列芯片和微型加热板，金电极阵列芯片设置于微型加热板的上表面，金电极阵列芯片上方的电路板上设有两排互相平行的探针阵列，电路板上还设有若干跳线连接器，跳线连接器位于探针阵列的外侧，调节结构分别连接主板和纵架，并能够控制主板上下运动，同时，还公开了其控制方法和应用；具有修饰区域灵活、无需外部移动部件、检测灵敏以及可无人值守、操控方便的优点。

Description

一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置、操作方法 及其应用
技术领域
本发明属于微颗粒操控及电化学测试领域，具体涉及一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置、操作方法及其应用。
背景技术
近年来，由于碳纳米管等先进纳米材料的发展，纳米材料的组装成为关注焦点。介电泳作为一种微纳粒子操纵方法，相比于其他操纵技术，由于成本较低且操作简便，被广泛应用于生物粒子和碳纳米管的分离和组装操作以及其他领域。粒子在电场中被极化，如果外加电场是非均匀的，粒子则会受到介电泳力。介电电泳现象取决于电场中粒子和介电液之间的极化效应。粒子分散于介电液中，当在电极两端施加电场时，由于极化作用，介电液中的正负离子以及粒子内部或表面的电荷在电场力的作用下发生定向移动。当粒子极化率大于介质极化率时，交界面粒子一侧积聚电荷较多；当粒子极化率小于介质极化率时，交界面介电液一侧积聚电荷较多。如果外加电场是非均匀的，由于粒子两端电场强度不同，极化后的粒子两端受到大小不等的力，便会促使粒子移动。当粒子极化率大于液体极化率时，粒子将向电场强度高的方向运动，称为正介电电泳；当粒子极化率小于液体极化率时，粒子将向电场强度低的方向运动，称作负介电电泳。对交变电场而言，电场方向变化的同时，感应出的偶极矩也相应地变化，使粒子的受力和运动方向不变。
利用介电泳技术可以聚集石墨烯微片，进而可以修饰微电极。运用石墨烯修饰后的微电极可以用于实现对微量的物质的传感和检测，比如检测重金属离子等。目前，人类已经掌握的检测重金属离子的方法包括：电化学分析法、光谱分析法、电感耦合法、紫外线光度法等。但是这些检测方法都存在各自的缺点，有的价格昂贵，有的操作复杂，有的难以实现超低浓度的物质检测。而采用石墨烯修饰的微电极阵列，能够吸附微量金属离子，并在一定程度上完成超微量离子的侦测，具有较高的性价比。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种利用介电泳原理实现在微金电极上沉积与聚集石墨烯，从而制备石墨烯修饰的微电极芯片，将制得的芯片具体应用于检测重金属离子的石墨烯沉积聚集并行装置，同时提供了其操作方法。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，包括主板、底座、测试结构、调节结构、机架和微型信号发生器，所述机架包括横架和纵架，所述纵架垂直安装于横架的一端，所述底座固定安装于横架上，并设有若干凹槽，每个所述凹槽均设有一个测试结构，所述测试结构包括电路板、固定板、探针阵列、金电极阵列芯片和微型加热板，所述电路板的一端连接至主板上，所述固定板安装于主板下表面，所述微型加热板和金电极阵列芯片均设置于凹槽中，所述金电极阵列芯片设置于微型加热板的上表面，所述金电极阵列芯片上方的电路板上设有两排互相平行的探针阵列，所述探针阵列排列方向与电路板延伸方向一致，并包含若干相同的探针，所述电路板上还设有若干跳线连接器，所述跳线连接器位于探针阵列的外侧，一个所述探针对应设置一个跳线连接器，所述探针的底部伸出固定板，所述调节结构分别连接主板和纵架，并能够控制主板上下运动，且主板运动至最低处时，探针与金电极阵列芯片的上表面接触，所述微型信号发生器通过导线与探针连接
作为优选的技术方案，所述凹槽的横截面呈正方形，所述底座采用亚克力材料。
作为进一步改进的技术方案，所述金电极阵列芯片上设有两排金电极阵列，每个所述金电极阵列包含5个相同的金电极，每个所述金电极的外侧均接有一个外围引线盘，所述探针与外围引线盘一一对应，且探针可与外围引线盘接触。
作为进一步改进的技术方案，所述电路板上还设有香蕉座，所述香蕉座安装于电路板靠近主板的一端，所述电路板的下表面设有用于连接探针的并联电路，所述跳线连接器的跳线帽接在用于连接探针的并联电路上，所述探针在与外围引线盘连接时，并联电路连通并且获得微型信号发生器产生的电信号。
作为优选的技术方案，所述凹槽的数量为6个，所述测试结构的数量为6个。
作为进一步改进的技术方案，所述调节结构包括手柄、连杆、铰链结构和连接件，所述手柄分别通过销与铰链结构、连接件连接，所述连接件与纵架固定连接，所述连杆一端通过销与铰链结构连接，另一端与主板固定连接。
作为优选的技术方案，一个所述探针阵列对应一个香蕉座，所述探针阵列包含5个探针。
一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤S1、分别调节各所述微型加热板的温度，以满足待测的需要用于沉积聚集的石墨烯悬浮液样品的温度要求；
步骤S2、完成所述步骤S1后，调整跳线连接器的跳线帽的安装数目来控制接通的金电极对数，所述石墨烯悬浮液样品所占面积越大，所需的石墨烯的聚集团越大，需要接通的金电极对数越多；
步骤S3、完成所述步骤S2后，将所述石墨烯悬浮液样品均匀滴在每个所述测试结构的金电极阵列芯片的正中央；
步骤S4、完成所述步骤S3后，通过调节结构控制主板上下运动，从而调节主板与底座的垂直距离，使所有测试结构的探针阵列均能够接触到金电极阵列芯片的外围引线盘，使并联电路连通并且获得微型信号发生器产生的电信号；
步骤S5、完成所述步骤S4后，通过微型信号发生器产生的电信号，促使所述石墨烯悬浮液样品中的石墨烯微粒受到介电泳力的作用，完成石墨烯修饰电极的高效制作。
一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置的应用，所述基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置具体应用于检测重金属离子。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在综合考虑成本，效果，操作可行性，操作方便性的前提下，提供了一种能够用于检测污水中所含的重金属离子成分的石墨烯修饰的基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，特别是能够通过接通所指定的电极对的电信号，来实现石墨烯微片在不同区域的聚集，具有修饰区域灵活、无需外部移动部件、检测灵敏以及可无人值守操控方便等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的调节结构的结构示意图；
图3为本发明的主要结构局部放大图一；
图4为本发明的主要结构局部放大图二；
图5为本发明的实施例中接通金电极对的模式的示意图。
附图标记说明：1、主板；2、底座；3、横架；4、纵架；5、凹槽；6、电路板；7、固定板；8、探针阵列；9、金电极阵列芯片；10、微型加热板；11、探针；12、跳线连接器；13、外围引线盘；14、用于连接探针的并联电路；15、香蕉座；16、微型信号发生器；17、手柄；18、连杆；19、铰链结构；20、连接件；180、跳线帽一；181、跳线帽二；182、跳线帽三；183、跳线帽四；184、跳线帽五。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例
如图1-4所示，一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，包括主板1、底座2、测试结构、调节结构、机架和微型信号发生器16，机架包括横架3和纵架4，纵架4垂直安装于横架3的一端，底座2固定安装于横架3上，并设有若干凹槽5，每个凹槽5均设有一个测试结构，凹槽5的横截面呈正方形，底座2采用亚克力材料，测试结构包括电路板6、固定板7、探针阵列8、金电极阵列芯片9和微型加热板10，电路板6的一端连接至主板1上，固定板7安装于主板1下表面，微型加热板10和金电极阵列芯片9均设置于凹槽5中，金电极阵列芯片9设置于微型加热板10的上表面，金电极阵列芯片9上方的电路板6上设有两排互相平行的探针阵列8，探针阵列8排列方向与电路板6延伸方向一致，并包含若干相同的探针11，电路板6上还设有若干跳线连接器12，跳线连接器12位于探针阵列8的外侧，一个探针11对应设置一个跳线连接器12，探针11的底部伸出固定板7，金电极阵列芯片9上设有两排金电极阵列，金电极阵列包含若干相同的金电极，每个金电极的外侧均接有一个外围引线盘13，探针11与外围引线盘13一一对应，调节结构分别连接主板1和纵架4，并能够控制主板1上下运动，且主板1运动至最低处时，探针11与与外围引线盘13接触，微型信号发生器16通过导线与探针11连接。
本实施例中，电路板6上还设有香蕉座15，香蕉座15安装于电路板6靠近主板1的一端，一个探针阵列8对应一个香蕉座15，探针阵列8包含5个探针11，金电极阵列包含5个金电极，电路板6的下表面设有用于连接探针11的并联电路14，跳线连接器12的跳线帽接在用于连接探针11的并联电路14上，探针11在与外围引线盘13连接时，并联电路14连通并且获得信号发生器产生的电信号。需要说明的是，跳线连接器12的跳线帽的作用是连接相邻两个探针11所对应的金电极，且如图5所示，接通的金电极对可以是正对着的模式，即如跳线帽一180和跳线帽二181接通模式；也可以是位置错开的模式，即如跳线帽三182和跳线帽四183接通的模式；也可以是位置错开同时两边金电极数量不等的接通模式，即如跳线帽三182、跳线帽四183和跳线帽五184同时接通的模式。
本实施例中，凹槽5的数量为6个，测试结构的数量为6个。
如图2所示，本实施例中，调节结构包括手柄17、连杆18、铰链结构19和连接件20，手柄17分别通过销与铰链结构19、连接件20连接，连接件20与纵架4固定连接，连杆18一端通过销与铰链结构19连接，另一端与主板1固定连接。
本实施例的基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤S1、分别调节各微型加热板10的温度，以满足待测的需要用于沉积聚集的石墨烯悬浮液样品的温度要求；
步骤S2、完成步骤S1后，调整跳线连接器12的跳线帽的安装数目来控制接通的金电极对数，石墨烯悬浮液样品所占面积越大，所需的石墨烯的聚集团越大，需要接通的金电极对数越多；
步骤S3、完成步骤S2后，将石墨烯悬浮液样品均匀滴在每个测试结构的金电极阵列芯片9的正中央；
步骤S4、完成步骤S3后，通过调节结构控制主板1上下运动，从而调节主板1与底座2的垂直距离，使所有测试结构的探针阵列8均能够接触到金电极阵列芯片9的外围引线盘13，使并联电路14连通并且获得微型信号发生器16产生的电信号；
步骤S5、完成步骤S4后，通过微型信号发生器16产生的电信号，促使石墨烯悬浮液样品中的石墨烯微粒受到介电泳力的作用，完成石墨烯修饰电极的高效制作。
本实施例的基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置具体应用于检测重金属离子。
本实施例的工作原理为：通过调节各金电极阵列芯片9在凹槽5里的相对位置，使主板1上6个测试结构的所有探针11充分接触到底座2上外围引线盘13，从而使并联电路14连通并且获得微型信号发生器16产生的电信号，进而在金电极阵列间产生非均匀电场，使待测的需要用于沉积聚集的石墨烯悬浮液中的石墨烯微粒受到介电泳力的作用，并在相应的微观区域完成定向运动和聚集。
以上所述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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，其特征在于，包括主板、底座、测试结构、调节结构、机架和微型信号发生器，所述机架包括横架和纵架，所述纵架垂直安装于横架的一端，所述底座固定安装于横架上，并设有若干凹槽，每个所述凹槽均设有一个测试结构，所述测试结构包括电路板、固定板、探针阵列、金电极阵列芯片和微型加热板，所述电路板的一端连接至主板上，所述固定板安装于主板下表面，所述微型加热板和金电极阵列芯片均设置于凹槽中，所述金电极阵列芯片设置于微型加热板的上表面，所述金电极阵列芯片上方的电路板上设有两排互相平行的探针阵列，所述探针阵列排列方向与电路板延伸方向一致，并包含若干相同的探针，所述电路板上还设有若干跳线连接器，所述跳线连接器位于探针阵列的外侧，一个所述探针对应设置一个跳线连接器，所述探针的底部伸出固定板，所述调节结构分别连接主板和纵架，并能够控制主板上下运动，且主板运动至最低处时，探针与金电极阵列芯片的上表面接触，所述微型信号发生器通过导线与探针连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，其特征在于，所述凹槽的横截面呈正方形，所述底座采用亚克力材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，其特征在于，所述金电极阵列芯片上设有两排金电极阵列，每个所述金电极阵列包含5个相同的金电极，每个所述金电极的外侧均接有一个外围引线盘，所述探针与外围引线盘一一对应，且探针可与外围引线盘接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，其特征在于，所述电路板上还设有香蕉座，所述香蕉座安装于电路板靠近主板的一端，所述电路板的下表面设有用于连接探针的并联电路，所述跳线连接器的跳线帽接在用于连接探针的并联电路上，所述探针在与外围引线盘连接时，并联电路连通并且获得微型信号发生器产生的电信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，其特征在于，所述凹槽的数量为6个，所述测试结构的数量为6个。
6.根据权利要求1所述的一种用于连接电化学工作站与微电极阵列的装置，其特征在于，所述调节结构包括手柄、连杆、铰链结构和连接件，所述手柄分别通过销与铰链结构、连接件连接，所述连接件与纵架固定连接，所述连杆一端通过销与铰链结构连接，另一端与主板固定连接。
7.根据权利要求4所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置，其特征在于，一个所述探针阵列对应一个香蕉座，所述探针阵列包含5个探针。
8.基于权利要求4所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、分别调节各所述微型加热板的温度，以满足待测的需要用于沉积聚集的石墨烯悬浮液样品的温度要求；
步骤S2、完成所述步骤S1后，调整跳线连接器的跳线帽的安装数目来控制接通的金电极对数，所述石墨烯悬浮液样品所占面积越大，所需的石墨烯的聚集团越大，需要接通的金电极对数越多；
步骤S3、完成所述步骤S2后，将所述石墨烯悬浮液样品均匀滴在每个所述测试结构的金电极阵列芯片的正中央；
步骤S4、完成所述步骤S3后，通过调节结构控制主板上下运动，从而调节主板与底座的垂直距离，使所有测试结构的探针阵列均能够接触到金电极阵列芯片的外围引线盘，使并联电路连通并且获得微型信号发生器产生的电信号；
步骤S5、完成所述步骤S4后，通过微型信号发生器产生的电信号，促使所述石墨烯悬浮液样品中的石墨烯微粒受到介电泳力的作用，完成石墨烯修饰电极的高效制作。
9.基于权利要求4所述的一种基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置的应用，其特征在于，所述基于介电泳原理的石墨烯沉积聚集并行装置具体应用于检测重金属离子。
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