[發(fā)明專利]一種基于石墨烯材料的重金屬離子傳感器及其操作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810088014.1
• 申請(qǐng)日: 2018-01-30
• 公開（公告）號(hào): CN108318543B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱曉璐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)常州校區(qū)
• 主分類號(hào): G01N27/12
• 分類號(hào): G01N27/12;G01N27/48
• 代理公司: 南京縱橫知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發(fā)明公開了一種基于石墨烯材料的重金屬離子傳感器，包括第一微電極陣列、第二微電極陣列、上蓋片、下蓋片和多級(jí)微流體腔，第一微電極陣列和第二微電極陣列之間有微電極間隙，多級(jí)微流體腔安裝于第一、第二微電極陣列的上表面，上蓋片與第一、第二微電極陣列之間夾有第一、第二引出排線，石墨烯微片聚集體在微電極間隙處分別與第一微電極陣列、第二微電極陣列緊密結(jié)合，同時(shí)還公開了其操作方法；本發(fā)明具有靈敏度高、消耗樣品量少、檢測(cè)速度快、更換組件簡(jiǎn)易、引出排線設(shè)置方便，并且操作步驟簡(jiǎn)單、檢測(cè)連貫程度高和應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納米傳感領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯材料的重金屬離子傳感器及其操作方法。

背景技術(shù)

根據(jù)金屬的密度把金屬分成重金屬和輕金屬，常把密度大于5g/cm³的金屬稱為重金屬，如：金、銀、銅、鉛、鋅、鎳、鈷、鉻、汞、鎘等大約45種。隨著工業(yè)化進(jìn)展的不斷加速，越來(lái)越多的重金屬粒子如鉛、鎘、汞、銅、鋅、釩等被排放至水中，不僅對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生危害，且通過(guò)富集作用進(jìn)入生物鏈循環(huán)，導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)環(huán)境都面臨嚴(yán)重威脅。其中，對(duì)人體危害最大的有5種：如鉛、汞、鉻、砷、鎘等。這些重金屬在水中不能被分解，與水中的其他毒素結(jié)合生成毒性更大的有機(jī)物。其他對(duì)對(duì)人體有危害的還有：鋁、鈷、釩、銻、錳、錫、鉈等。重金屬對(duì)人體的傷害常見的有：鉛傷害人的腦細(xì)胞，致癌致突變等；汞被食入后直接沉入肝臟，對(duì)大腦神經(jīng)視力破壞極大。天然水每升水中含0.01毫克汞，就會(huì)強(qiáng)烈中毒；鉻會(huì)造成四肢麻木，精神異常；鎘會(huì)導(dǎo)致高血壓，引起心腦血管疾病，破壞骨鈣，引起腎功能失調(diào)；鋁積累多時(shí)，對(duì)兒童造成智力低下，對(duì)中年人造成記憶力減退，對(duì)老年人造成癡呆等。對(duì)上述金屬物質(zhì)的檢測(cè)，通常的方法有：紫外可分光光度法(UV)、原子吸收光譜法(AAS)、原子熒光光譜法(AFS)、電感耦合等離子體法(ICP)、X熒光光譜(XRF)、電感耦合等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)。雖然上述的各類方法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬離子的檢測(cè)，然而在超低濃度的檢測(cè)(離子濃度小于1nM)、應(yīng)對(duì)突發(fā)性污染物泄漏事件，樣品量極少(小于10微升)或者對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控時(shí)，則需要采用超靈敏、快速、高效的檢測(cè)工具。因此，設(shè)計(jì)并制造能夠滿足上述需求的金屬離子超靈敏偵測(cè)微器件具有重要意義。

石墨烯是一種由單層sp²雜化碳原子緊密堆積成的呈六角型蜂巢晶格結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，石墨烯材料超薄(單層碳原子的厚度),具有大的比表面積、高的導(dǎo)電性和室溫電子遷移率,以及優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能,在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。石墨烯還具有電化學(xué)窗口寬,電化學(xué)穩(wěn)定性好,電荷傳遞電阻小的特點(diǎn)，而且石墨烯的吸引特性使它成為基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用的理想材料，如電路、化學(xué)和生物傳感器以及復(fù)合材料等方面。

對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原提供了一種大量生產(chǎn)還原的氧化石墨烯(reducedgraphene oxide，RGO)的方法，其能夠在一定程度上替代機(jī)械剝離法。由于材料加工容易，合成成本低，機(jī)械性能好，靈活性高，使還原氧化石墨烯片成為電氣電路制造的一個(gè)好的候選材料。此外，RGO對(duì)外界環(huán)境的反應(yīng)非常敏感。因此,利用RGO對(duì)外界環(huán)境的敏銳反應(yīng)并將這種反應(yīng)通過(guò)工程技術(shù)轉(zhuǎn)化為電氣特性的變化，則對(duì)其微環(huán)境傳感方面的應(yīng)用是具有積極意義的。

RGO是通過(guò)化學(xué)還原氧化石墨烯來(lái)制備的，其可以分散于添加了表面活性劑的水或者乙醇溶液里，通過(guò)將RGO懸浮液隨機(jī)地滴在預(yù)制電極上，即可制備石墨烯基片狀電路。這種用滴涂懸浮液制備一些微電路結(jié)構(gòu)的方法，雖然操作簡(jiǎn)單，但是可控性很低，不適用于內(nèi)部元件裝配精度要求高的微電路制造。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中重金屬離子或者物質(zhì)檢測(cè)過(guò)程存在對(duì)小于1nM的超低濃度量的檢測(cè)效果不佳或成本偏高；須使用桌面式貴重儀器；樣品量極少情況下檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容