[发明专利]一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于印刷电子技术、纳米材料技术、生物技术等多学科交叉领域，具体涉及一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法。

背景技术

糖尿病已成为一个社会健康问题，全球糖尿病发病率增长迅速，糖尿病已经成为继肿瘤、心血管病变之后第三大严重威胁人类健康的慢性疾病。目前全球糖尿病患者己超过1.2亿人,我国患者人数居世界第二，己突破2000万。据世界卫生组织预计，到2025年，全球成人糖尿病患者人数将增至3亿，而中国糖尿病患者人数将达到4000万，未来几十年内糖尿病仍将是中国一个严重的公共卫生问题。

在现代医疗检测领域内，即时检测发展迅速，该技术的发展使得病人在家里就能进行自我检查。葡萄糖生物传感器可直接对全血检测而不用对血液进行预处理，因携带方便、灵敏度高、选择性好、检测速度快、操作简单且系统具有智能性等特点，可进入普通家庭对血液进行随时及长期的监控，具有很好的前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的高效生物传感器及其制备方法。石墨烯/介孔碳纳米复合材料能克服一般纳米材料的弊端，高效保持酶的活性且能进行电子的快速传递，结合喷墨技术，制备的生物传感器结合配套的仪器能快速方便的得到测试结果，且制作方法简单，方便后期加工和封装，有利于规模化生产。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现。

一种检测葡萄糖的生物传感器，由柔性基底、印在柔性基底上的工作电极和对电极组成，所述工作电极是一种双层导电薄膜，由水性导电油墨层和其上的生物酶导电油墨组成，所述的生物酶导电油墨由石墨烯/介孔碳纳米复合材料、葡萄糖氧化酶和Nafion成膜材料组成。

所述柔性基底采用一种韧性好、绝缘度高的聚合材料，如聚氯乙烯、聚酯或聚碳酸酯。

上述生物传感器，工作电极上喷涂有生物酶导电油墨。既能催化葡萄糖反应，又能吸附酶并能在酶催化反应中心和电极之间进行快速电子传递，如此构成一个电路回路，反应时根据血液中葡萄糖浓度的高低，产生相应大小的电流信号，并被相应的测试仪检测读出。

一种基于石墨烯/介孔碳纳米复合材料的生物传感器制备方法，它包括以下步骤：

1）将导电炭黑、石墨、水性丙烯酸树脂、去离子水、25~28wt%氨水以10:5:15:15:3的质量比例充分混合均匀制备水性导电油墨，备用；

2）将200-400目数的金属或尼龙聚酯材料丝网固定在方形轻质金属框架上，在暗室内涂上感光胶，干燥备用；

3）将计算机绘制的工作电极和对电极负片置于感光胶上，于20-40瓦紫外线下曝光15-30分钟，用高压水枪冲洗去被电极负片覆盖的未硬化感光胶，干燥后形成丝网模板；

4）将带有工作电极和对电极图形的丝网模板安装于丝网印刷机上，采用水性导电油墨印制工作电极、对电极；

5）将比活力为≥150u/mg的葡萄糖氧化酶溶于pH7.0的磷酸缓冲液中配制成浓度为10mg/ml的酶溶液，充分溶解后搁置0℃冰箱备用；

6）将石墨烯/介孔碳纳米复合材料作为载体材料，加入到酶溶液中，混合搅拌10～36h，用于吸附葡萄糖氧化酶，备用；

7）配制质量分数为0.5%的Nafion成膜材料溶液，加入步骤6）制得的混合溶液中，混合搅拌30min，制得生物酶导电油墨，然后采用喷涂的方式印刷到工作电极表面，室温下干燥24h即可完成酶的固载及电极的修饰，制成生物传感器。

上述方案步骤6）中石墨烯/介孔碳纳米复合材料的制备具体步骤为：

取1.5～2g的分子导向剂溶于10～30ml的去离子水混合搅拌10～30min，加入1～2ml的浓度为1M的HCl继续搅拌；依次加入30～50mg的石墨烯和1.5～2g的β-环糊精，搅拌0.5～1h，随后将混合液转移到反应釜中在120～150℃下热处理反应24～36h，最后在管式炉中氮气的保护下，10℃/min的升温速度到700～800℃下反应3～5h，即可得纳米复合材料。

所述石墨烯的制备，利用价格低廉的导电石墨原材料，采用电泳法，通过调整电泳液的成分、pH值、外加电压值等，分离高纯度高导电性的少层(<10层)石墨烯。其特征在于，电泳电压设置为60—100V；所述石墨烯是指单层石墨烯、少层石墨烯（＜10）或它们的混合物中任一种。