[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于石墨烯多孔膜的離子濃差極化芯片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710171940.0
• 申請(qǐng)日: 2017-03-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106927541B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李鑫;何翔;肖代琴;黃海寧;陳宏
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廈門(mén)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N30/96
• 分類(lèi)號(hào): G01N30/96;C02F1/44;B01D63/00;B01D69/12;B01D67/00;C02F103/08
• 代理公司: 廈門(mén)南強(qiáng)之路專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

一種基于石墨烯多孔膜的離子濃差極化芯片及其制備方法，涉及離子濃差極化芯片。芯片包括玻璃底座、PDMS基片、緩沖溶液的進(jìn)出水口、第1PDMS基片中的石墨烯基多孔膜；第1PDMS基片帶有Y形凹槽，第2PDMS基片帶有I形凹槽。制備方法：配制石墨烯基前驅(qū)體漿料；制作芯片；將石墨烯基前驅(qū)體漿料涂抹在Y通道的切口處，固化后即得芯片。價(jià)格低，工藝簡(jiǎn)單，容易制取；石墨烯類(lèi)材料自身屬于弱酸，對(duì)器件的危害低；石墨烯類(lèi)材料電導(dǎo)率調(diào)控方便，易于進(jìn)行表面官能團(tuán)與電荷調(diào)控，可與大量材料進(jìn)行復(fù)合實(shí)現(xiàn)復(fù)合薄膜與器件的制備。較于Nafion基的芯片，石墨烯基的芯片能形成更穩(wěn)定、范圍更大的耗盡區(qū)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及離子濃差極化芯片，尤其是涉及一種基于石墨烯多孔膜的離子濃差極化芯片及其制備方法。

背景技術(shù)

離子濃差極化是一種向微通道中的電解質(zhì)溶液通電時(shí)會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。在微通道中設(shè)置一個(gè)離子選擇性的納通道，當(dāng)微通道中流過(guò)電流時(shí)，為了確保整個(gè)通道的電流平衡，在納通道的兩端分別會(huì)形成離子耗盡區(qū)和離子富集區(qū)。基于離子濃差極化芯片正是通過(guò)利用微通道中納通道兩端的離子耗盡區(qū)和富集區(qū)對(duì)離子進(jìn)行分離和濃縮的芯片。離子濃差極化芯片可以用于海水淡化、離子濃縮和生物檢測(cè)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景([1]El-Ali J,Sorger P K,Jensen K F.Cells on chips[J].Nature,2006,442(7101):403-411)。

以海水淡化為例，2009年，Sung Jae Kim等人提出了基于離子濃差極化原理的微流控海水淡化器件為海水淡化的發(fā)展提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。該芯片加工了基于PDMS和玻璃芯片的微通道。并利用陽(yáng)離子選擇性透過(guò)膜-Nafion膜作為納通道材料。在芯片兩端所施加的直流偏壓作用下，在Nafion膜兩端就會(huì)造成陰陽(yáng)離子分布不均衡，在膜的陽(yáng)極一側(cè)，陰陽(yáng)離子均減少，因此就會(huì)形成離子耗盡區(qū)域，而在陰極一側(cè)，則恰好相反，陰陽(yáng)離子都增多，形成富集區(qū)域。利用離子耗盡區(qū)的形成，在芯片中實(shí)現(xiàn)了海水中鹽分和淡水的分離。

以生物檢測(cè)為例，在生物研究中，通過(guò)基于離子濃差計(jì)劃的芯片還能夠?qū)?xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)等進(jìn)行濃縮提高生物檢測(cè)的下限濃度([1]El-Ali J,Sorger P K,Jensen KF.Cells on chips[J].Nature,2006,442(7101):403-411)。此外，該類(lèi)芯片還可用于核酸的提取純化和富集、PCR擴(kuò)譜和DNA檢測(cè)([2]Woolley A T,Hadley D,Landre P,deMello AJ,Mathies R A,Northrup M A.Anal.Chem.1996,68:4081)等。

但目前該類(lèi)芯片最大的問(wèn)題是核心薄膜-Nafion膜。Nafion在使用過(guò)程中存在以下優(yōu)點(diǎn)：(1)表面具有大量負(fù)電荷且Nafion膜內(nèi)部的孔徑大小約5nm左右，便于實(shí)現(xiàn)離子選擇透過(guò)；(2)Nafion能溶解在乙醇中不溶于水，其乙醇溶液能很好地進(jìn)入指定功能區(qū)域，并且乙醇揮發(fā)后能得到想要形狀的固態(tài)Nafion薄膜；(3)電導(dǎo)率較高，能夠降低芯片的工作電壓。故Nafion能滿(mǎn)足這種芯片的納米多孔膜對(duì)材料的要求，且在實(shí)際試驗(yàn)中效果明顯。然而Nafion在使用過(guò)程中也存在以下缺點(diǎn)：(1)價(jià)錢(qián)昂貴不易獲得；(2)Nafion為具有較強(qiáng)的酸性，對(duì)于器件本身可能有一定的破壞作用([3]徐柏慶.新形態(tài)全氟磺酸樹(shù)脂——氧化硅組裝納米Nafion固體酸制備及催化應(yīng)用[J]。化學(xué)通報(bào)，1999,(1))。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供具有高效的水和離子分離效果的一種基于石墨烯多孔膜的離子濃差極化芯片及其制備方法。

所述基于石墨烯多孔膜的離子濃差極化芯片包括：玻璃底座、第1PDMS基片、第2PDMS基片、Y形凹槽、I形凹槽、緩沖溶液的進(jìn)出水口、第1PDMS基片中的石墨烯基多孔膜；所述第1PDMS基片帶有Y形凹槽，所述第2PDMS基片帶有I形凹槽；