CN110560910B - 一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传感器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传感器制备方法，首先将指甲油涂覆到目标基底上形成均匀涂层；然后采用特定波长和功率的激光器，在空气中对指甲油涂层进行激光雕刻，即可批量制备高导电的低背景石墨烯电极阵列。将石墨烯电极阵列清洗、干燥、切割、封装后，得到具有特定检测区域面积的单个石墨烯基三电极组；将钠蒙脱土溶液和羧基化碳纳米管溶液混合后滴涂在三电极组的工作电极表面，干燥后即得用于检测重金属离子的石墨烯基电化学传感器。本发明根据阳极溶出峰电流与重金属离子浓度之间关系实现重金属的定量分析。本发明生产设备和原材料成本低、生产过程简单、自动化程度高、易于工业化，具备较大经济价值。

Description

一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传 感器制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种电极制备方法，具体涉及一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传感器制备方法。

背景技术

重金属离子(如Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺等)的污染，因其分布广、危害大，在环保领域备受关注。基于阳极溶出法的电化学传感技术，具有灵敏度高、检测速度快、检测成本低、仪器设备便携等特点，在重金属离子检测领域应用广泛。目前，商业化的重金属离子电化学传感器多使用丝网印刷电极，通过分层印刷银导电层、碳传感层和绝缘封装层等方式制备，存在丝印模板需定制、制备过程较复杂、制备精度较低、丝印设备和油墨耗材成本高等不足。同时，由于丝网印刷电极所用的碳基油墨中含有绝缘疏水性高分子材料，不但影响所制备电极的电化学性能，也不利于各种水分散功能材料对其表面的修饰。

激光诱导石墨烯(LIG)技术是最新发展起来的一种碳基电极阵列的新型制备技术(Nature Communications 2014,5,5714)。它直接采用激光对高分子薄膜或涂层进行雕刻处理，利用激光雕刻产生的瞬时高温，实现某些高分子材料的原位石墨烯化和图案化，从而能利用电脑控制激光雕刻机在绝缘高分子材料直接雕刻高导电碳基电极阵列，具有制备过程简单、制备精度高、碳电极导电性好、适用基底广泛等特点(Advanced Materials 2018,31,1803621)。基于LIG技术所制备的各种碳基薄膜和电极阵列已被广泛应用于超级电容器、电催化、传感器、环境保护等诸多领域(Accounts of Chemical Research 2018,51,1609)。

目前，LIG领域应用最广泛的高分子材料是聚酰亚胺(PI)，其LIG具有石墨化程度高、导电性好、材料比表面高等特点。然而，PI材料的不溶不熔特性在一定程度上限制了其加工性能。因此，各种新型LIG前驱体材料也被不断发掘出来，包括纤维素基材料(AngewChem 2017,56,15113)、PEEK基材料(2D Mater 2017,4,035012)以及我们最近报道的酚醛树脂材料(Carbon 2018,127,287)等，其适用基底范围也得到不断拓展。其中，纤维素基LIG前驱体材料具有成本低、资源丰富、绿色环保等特点，在LIG领域备受关注。然而，如同纸在空气中易燃一样，纤维素及其衍生物的LIG前驱体材料的激光雕刻往往需要昂贵的CO₂脉冲激光器(Angew Chem 2017,56,15113)或保护性气氛(专利CN109421402A公开了一种高导电石墨烯薄膜阵列的激光雕刻制备方法，硝酸纤维素膜的激光雕刻需H₂或N₂保护或者昂贵的CO₂脉冲激光器)；采用低成本的非脉冲紫外-可见区激光器以及空气环境直接一步激光雕刻纤维素基LIG材料，一般会将材料直接烧掉，从而无法激光雕刻制备石墨烯电极阵列。

同时，目前各种LIG材料所制备的石墨烯电极阵列存在两个问题：(1)LIG制备过程中，前驱体材料的瞬间高温汽化导致所制备的LIG材料比表面很大，而且表面往往疏水，这不利于发展高信噪比的电化学传感器件，也不利于其进一步功能化修饰；(2)LIG的高比表面和疏松多孔结构导致LIG电极阵列的机械强度一般较差，不利于发展耐用型的电化学传感器件。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高导电、低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法，解决现有技术中激光雕刻必须在惰性氛围下导致高成本的问题，利用本发明制备的低背景石墨烯电极阵列，可以用于制备石墨烯基电化学传感器，用于重金属离子浓度检测，也可以用于超级电容器、电催化、电致加热膜以及抗静电涂层等等。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法，其特征在于，以商品化的不同颜色指甲油作为原料，通过各种涂布方式在目标基底上形成均匀涂层，直接在空气环境下，采用低成本激光雕刻机在该涂层表面批量雕刻制备具有优良导电性、机械性能和较低背景的石墨烯电极阵列，再经过后续的切割及封装处理，即得到类似丝网印刷碳电极功能的碳基三电极阵列(如图1所示)。

优选地，所述的指甲油为主成分为硝化纤维素(又称硝酸纤维素)和膨润土(又称蒙脱土)及其改性物的各种颜色指甲油。

优选地，所述的指甲油涂布成膜方式为刮涂、旋涂、浸涂、喷涂等。

优选地，所述的激光雕刻机，其激光器采用紫外和可见波长，一般波长范围为200～800nm，功率100mW～50W。

与采用纯纤维素纸(Angew Chem 2017,56,15113)或纯硝酸纤维素膜(发明专利201710758366.9)激光雕刻石墨烯电极阵列不同，本发明使用指甲油作为LIG前驱体材料，具有成膜性能优良、适用基底广泛、所制备石墨烯电极阵列机械强度更佳等特点，这可能与指甲油中含有的膨润土等成分有关。纯纤维素及硝酸纤维素在空气中易被连续激光烧掉，而指甲油中的二维层状膨润土材料能与硝化纤维素形成致密的层状复合结构，保护硝化纤维素在空气中直接雕刻时不被烧掉，同时膨润土激光烧蚀时产生的类陶土结构也能增强石墨烯阵列的机械强度、提供合适的亲水性、降低电化学背景信号。因此，主成分为硝化纤维素和膨润土的各种颜色指甲油涂层，可用非脉冲紫外-可见区激光器、在空气中一步激光雕刻制备低成本、高性能的石墨烯电极阵列。

本发明提供的指甲油旋涂涂层，其制备方法是：将适量指甲油滴涂到目标基底上，然后在100～500转/分钟离心10秒、1000～5000转/分钟离心100秒，即得到厚度分布均匀的指甲油涂层。

本发明提供一种高灵敏度的用于检测重金属离子浓度的石墨烯基电化学传感器，其制备方法是：将钠蒙脱土和羧基化碳纳米管的分散溶液等体积混合，然后将2μL该混合溶液滴涂到石墨烯三电极阵列的直径2mm工作电极表面，室温或升温干燥，即得到能检测重金属离子的石墨烯基电化学传感器。

本发明提供的钠蒙脱土分散溶液的制备方法是：将30mg钠蒙脱土分散到2mL水中，室温搅拌12小时后静置12小时，小心收集上层稳定溶液即为蒙脱土修饰溶液。

本发明提供的羧基化碳纳米管分散溶液的制备方法是：将1g碳纳米管置于150mL浓硝酸中，120℃回流12小时，所得固体用水抽滤洗涤至滤液呈中性后，在60℃干燥12小时，得到的黑色固体粉末即为羧基化碳纳米管；将该碳纳米管用水超声分散30分钟，得到浓度为2mg/mL的黑色稳定分散溶液。

本发明提供的重金属离子的检测方法是：将20μL含有一定浓度重金属离子的缓冲溶液滴涂到电化学传感器的检测区域，在-1.2V电位处富集3分钟，然后测量-1.2～0V电位范围内重金属离子的阳极溶出峰电流，根据峰电流与重金属离子浓度之间关系实现重金属的定量分析，具体为进行绘制阳极溶出峰电流-重金属离子浓度曲线并线性拟合，根据线性拟合关系计算待检测的重金属离子浓度。

本发明石墨烯基电化学传感器用于检测的重金属离子包括但不限于Hg²⁺、Cu²⁺、Bi^{3 +}、Pb²⁺、Cd²⁺和Ag⁺等。

本发明制备的低背景石墨烯电极阵列可以用于电化学传感器、超级电容器、电催化、电致加热膜、抗静电涂层领域。

上述的激光雕刻石墨烯基电极阵列的应用，用于电化学传感器、超级电容器、电催化、电致加热膜、抗静电涂层等领域。

本发明制备石墨烯电极阵列及其重金属离子检测的突出特点是：

1.与丝网印刷碳电极阵列技术相比，本发明无需模板和高成本的银导电浆料，只需将主成分为硝化纤维素和膨润土的各种颜色指甲油均匀涂布在目标基底上，并在空气中一步激光雕刻即可获得高导电的石墨烯电极阵列，具有生产设备和原材料成本低、生产过程简单、自动化程度高、易于工业化放大等特点。

2.本发明制备的石墨烯基电极阵列的适用基底广泛、制备精度高、表面亲疏水性质适中，并且柔韧性好、基底附着力高、背景电流小、表面修饰方便。

3.本发明制备的石墨烯基电化学传感器对重金属具有很高的灵敏度，经过简单的滴涂修饰及干燥处理，即可采用阳极溶出伏安法检测低于5ppb的Pb²⁺等重金属离子。

4、本发明制备方法在空气中即可生产，制备成本大大降低。

附图说明

图1采用指甲油作为前驱体激光雕刻石墨烯基电极阵列的制备及封装过程示意图。

图2为本发明实施例1中制得的石墨烯基三电极阵列结构示意图。

图3为本发明实施例2中制得的单个石墨烯基三电极组结构示意图。

图4为石墨烯基三电极组(虚线)和碳纳米管修饰的石墨烯基三电极组(实线)分别置于0.1mol/L pH 7.4的磷酸缓冲溶液后，在0～1.0V范围内进行循环伏安扫描的伏安图。

图5为石墨烯基三电极组(虚线)和碳纳米管修饰的石墨烯基三电极组(实线)分别置于0.1mol/L pH 7.4的磷酸缓冲溶液后，在0～-1.0V范围内进行循环伏安扫描的伏安图。

图6为石墨烯基重金属离子电化学传感器在体积比1％的空白醋酸溶液(虚线)及含有25μmol/L Bi³⁺和0.3μmol/L Pb²⁺的醋酸溶液中的微分脉冲伏安图(实线)。

图7为石墨烯基重金属离子电化学传感器在体积比1％的空白醋酸溶液(虚线)及含有0.025μmol/L Pb²⁺的醋酸溶液中的微分脉冲伏安图(实线)。

图8为石墨烯基重金属离子电化学传感器在含0.025～1.5μmol/L Pb²⁺的体积比1％醋酸溶液的微分脉冲伏安叠加图。

图9为石墨烯基重金属离子电化学传感器在含0.1～1.5μmol/L Pb²⁺的体积比1％醋酸溶液的重金属离子浓度-阳极溶出峰电流曲线。

附图标记：1-参比电极，2-工作电极，3-对电极，4-PET塑料片基底，5-石墨烯三电极阵列，6-石墨烯基三电极组。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1，如图1和图2所示，一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将适量指甲油滴涂到固定在旋涂仪上的PET塑料片基底4上，先400转/分钟旋涂10秒，之后2000转/分钟旋涂100秒，即得到厚度分布均匀的指甲油涂层。

步骤2、基于电脑绘制的三电极阵列图案，使用功率3W、波长405nm的雕途激光雕刻机作为雕刻设备，将表面涂布有指甲油的PET塑料片置于雕刻区间，在100％功率、30％激光雕刻速率以及空气环境条件下进行雕刻，批量制备石墨烯基三电极阵列5(即低背景石墨烯电极阵列)，并用去离子水清洗后，在60℃下干燥2小时，即得到激光雕刻的指甲油基石墨烯三电极阵列，如图2所示，其电阻约50Ω/sq。该石墨烯电极阵列具有良好的机械性能，反复弯折也不会出现导电层破损情况。

实施例2，利用上述低背景石墨烯电极阵列制备石墨烯基电化学传感器的方法，包括以下步骤：

步骤3、将步骤2所制备的石墨烯三电极阵列进行切割，并采用激光雕刻的胶带模板分隔其检测区和导电区，得到单个封装好的石墨烯基三电极组6，其圆形工作电极2直径为2mm(如图3所示，左边一般作参比电极1、中间为工作电极2、右边为对电极3)。

步骤4、将30mg钠蒙脱土分散到2mL水中，室温搅拌12小时后静置12小时，小心收集上层稳定溶液即为蒙脱土修饰溶液。

步骤5、将1g碳纳米管置于150mL浓硝酸中，120℃回流12小时，所得固体用水抽滤洗涤至滤液呈中性后，在60℃干燥12小时，得到的黑色固体粉末即为羧基化碳纳米管；将该碳纳米管用水超声分散30分钟，得到浓度为2mg/mL羧基化碳纳米管的黑色稳定分散溶液。

步骤6、取2微升步骤5制备的碳纳米管分散液，滴涂到步骤3中制备的石墨烯基三电极组的工作电极区域，60℃干燥1小时，得到碳纳米管修饰的石墨烯基三电极组。将未修饰的石墨烯基三电极组和碳纳米管修饰的石墨烯基三电极组分别置于0.1mol/L pH 7.4的磷酸缓冲溶液中，分别在0～1.0V和0～-1.0V范围内进行循环伏安扫描，得到两种石墨烯电极的背景伏安信号(如图4和图5所示)。从图中可以看出，同样具有高比表面纳米结构的未修饰石墨烯基三电极组的背景信号约为碳纳米管修饰石墨烯基三电极组的十分之一，且与电分析实验室常用的玻碳电极接近。因此，采用指甲油作为前驱体制备的激光雕刻石墨烯电极阵列具有较低的背景信号和较宽的电位窗口，具有较大的改性和修饰余量，适合作为一种低成本、低背景、高导电的电极阵列，应用电化学传感领域。

步骤7、将步骤4制备的蒙脱土修饰溶液与步骤5制备的碳纳米管分散液等体积混合后，超声1分钟，得到蒙脱土-碳纳米管复合修饰溶液；取蒙脱土-碳纳米管复合修饰溶液2微升滴涂到步骤3制备的单个石墨烯基三电极组的工作电极区域，60℃干燥1小时，即得到可用于重金属离子检测的石墨烯基电化学传感器。

实施例3，一种利用上述石墨烯基电化学传感器的重金属离子浓度检测方法，包括以下步骤：

步骤8、将步骤7所制备的石墨烯基电化学传感器固定到与电化学工作站相连的三电极夹上，在传感器的检测区域加入20微升含25μmol/L Bi³⁺和0.3μmol/L Pb²⁺标准溶液的体积比1％醋酸缓冲(HAc)，在-1.2V搅拌富集3分钟后静止10秒，记录从-1.2V～0V的阳极溶出伏安图(如图6所示)。

步骤9、将步骤7所制备的石墨烯基电化学传感器固定到与电化学工作站相连的三电极夹上，在传感器的检测区域加入20微升含不同浓度Pb²⁺标准溶液的体积比1％醋酸缓冲(HAc)，在-1.2V搅拌富集3分钟后静止10秒，记录从-1.2V～0V的阳极溶出伏安图，并计算阳极溶出峰电流，绘制重金属离子浓度-阳极溶出峰电流曲线(如图9所示)，并进行线性拟合。研究表明，该电化学传感器对Pb²⁺具有较低的检测限(见图7)和较宽的线性响应范围(如图8所示)，其检测限低于0.025μmol/L Pb²⁺(～5ppb)，该浓度比生活饮用水水质标准(GB5749-85)还低一个数量级，其灵敏度可满足血铅和环境水体中重金属离子检测需求。

步骤10、将待检测重金属离子浓度的液体滴加到步骤9中石墨烯基电化学传感器的检测区域，检测出阳极溶出峰电流，并根据重金属离子浓度-阳极溶出峰电流曲线求出重金属离子浓度。

需要指出的是，上述实施例中关于关于温度、浓度、时间的数值并不代表对比本发明技术方案实施的限制，上述参数仅为举例说明，除非特别说明，否则在上述参数的较宽范围内均可以实现本发明技术方案，解决本发明的技术问题。

Claims (8)

1.一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将指甲油涂覆到目标基底上形成均匀涂层；

步骤2、采用特定波长和功率的激光器，在空气中对指甲油涂层进行激光雕刻，批量制备高导电的低背景石墨烯电极阵列；

所述指甲油为含有硝化纤维素和膨润土的指甲油。

2.如权利要求1所述的激光雕刻制备方法，其特征在于：所述步骤1中，指甲油的涂覆方式包括刮涂、旋涂、浸涂以及喷涂。

3.如权利要求1所述的激光雕刻制备方法，其特征在于：所述激光器的波长采用紫外或可见光波长，功率100 mW ~ 50W。

4.一种利用权利要求1所述激光雕刻制备方法制备的低背景石墨烯电极阵列制备石墨烯基电化学传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将步骤2中得到的低背景石墨烯电极阵列清洗、干燥、切割、封装后，得到具有特定检测区域面积的单个石墨烯基三电极组；

步骤b、将钠蒙脱土溶液和羧基化碳纳米管溶液混合后滴涂在三电极组的工作电极表面；

步骤c、将步骤b中的滴涂后的三电极组干燥后即得用于检测重金属离子的石墨烯基电化学传感器。

5.如权利要求4所述制备石墨烯基电化学传感器的方法，其特征在于：所述步骤b中，钠蒙脱土溶液制备方法为：将钠蒙脱土加入到水中，室温搅拌后静置N小时，收集上层稳定溶液即为蒙脱土修饰溶液，N大于10。

6.如权利要求4所述制备石墨烯基电化学传感器的方法，其特征在于：所述步骤b中，羧基化碳纳米管溶液制备方法为：将碳纳米管置于浓硝酸中，100-130℃回流8-16小时，所得固体用水抽滤洗涤至滤液呈中性，干燥后得到的黑色固体粉末即为羧基化碳纳米管；将羧基化碳纳米管用水超声分散，得到黑色稳定分散溶液。

7.如权利要求4所述制备石墨烯基电化学传感器的方法，其特征在于：所述钠蒙脱土溶液和羧基化碳纳米管溶液等体积混合，其中钠蒙脱土溶液浓度范围为10-20mg/mL，羧基化碳纳米管溶液浓度范围为1-3mg/mL。

8.一种权利要求1所述激光雕刻制备方法制备的低背景石墨烯电极阵列的用途，其特征在于：所述低背景石墨烯电极阵列用于电化学传感器、超级电容器、电催化、电致加热膜以及抗静电涂层。

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