[发明专利]一种基于石墨烯材料的重金属离子传感器及其操作方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯材料的重金属离子传感器，包括第一微电极阵列、第二微电极阵列、上盖片、下盖片和多级微流体腔，第一微电极阵列和第二微电极阵列之间有微电极间隙，多级微流体腔安装于第一、第二微电极阵列的上表面，上盖片与第一、第二微电极阵列之间夹有第一、第二引出排线，石墨烯微片聚集体在微电极间隙处分别与第一微电极阵列、第二微电极阵列紧密结合，同时还公开了其操作方法；本发明具有灵敏度高、消耗样品量少、检测速度快、更换组件简易、引出排线设置方便，并且操作步骤简单、检测连贯程度高和应用范围广的特点。

技术领域

本发明属于微纳米传感领域，具体涉及一种基于石墨烯材料的重金属离子传感器及其操作方法。

背景技术

根据金属的密度把金属分成重金属和轻金属，常把密度大于5g/cm³的金属称为重金属，如：金、银、铜、铅、锌、镍、钴、铬、汞、镉等大约45种。随着工业化进展的不断加速，越来越多的重金属粒子如铅、镉、汞、铜、锌、钒等被排放至水中，不仅对水生动植物产生危害，且通过富集作用进入生物链循环，导致整个生态环境都面临严重威胁。其中，对人体危害最大的有5种：如铅、汞、铬、砷、镉等。这些重金属在水中不能被分解，与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机物。其他对对人体有危害的还有：铝、钴、钒、锑、锰、锡、铊等。重金属对人体的伤害常见的有：铅伤害人的脑细胞，致癌致突变等；汞被食入后直接沉入肝脏，对大脑神经视力破坏极大。天然水每升水中含0.01毫克汞，就会强烈中毒；铬会造成四肢麻木，精神异常；镉会导致高血压，引起心脑血管疾病，破坏骨钙，引起肾功能失调；铝积累多时，对儿童造成智力低下，对中年人造成记忆力减退，对老年人造成痴呆等。对上述金属物质的检测，通常的方法有：紫外可分光光度法(UV)、原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体法(ICP)、X荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)。虽然上述的各类方法能够实现金属离子的检测，然而在超低浓度的检测(离子浓度小于1nM)、应对突发性污染物泄漏事件，样品量极少(小于10微升)或者对一个区域进行连续监控时，则需要采用超灵敏、快速、高效的检测工具。因此，设计并制造能够满足上述需求的金属离子超灵敏侦测微器件具有重要意义。

石墨烯是一种由单层sp²杂化碳原子紧密堆积成的呈六角型蜂巢晶格结构的二维碳纳米材料，石墨烯材料超薄(单层碳原子的厚度),具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小的特点，而且石墨烯的吸引特性使它成为基础研究和潜在应用的理想材料，如电路、化学和生物传感器以及复合材料等方面。

对氧化石墨烯进行还原提供了一种大量生产还原的氧化石墨烯(reducedgraphene oxide，RGO)的方法，其能够在一定程度上替代机械剥离法。由于材料加工容易，合成成本低，机械性能好，灵活性高，使还原氧化石墨烯片成为电气电路制造的一个好的候选材料。此外，RGO对外界环境的反应非常敏感。因此,利用RGO对外界环境的敏锐反应并将这种反应通过工程技术转化为电气特性的变化，则对其微环境传感方面的应用是具有积极意义的。

RGO是通过化学还原氧化石墨烯来制备的，其可以分散于添加了表面活性剂的水或者乙醇溶液里，通过将RGO悬浮液随机地滴在预制电极上，即可制备石墨烯基片状电路。这种用滴涂悬浮液制备一些微电路结构的方法，虽然操作简单，但是可控性很低，不适用于内部元件装配精度要求高的微电路制造。

目前，现有技术中重金属离子或者物质检测过程存在对小于1nM的超低浓度量的检测效果不佳或成本偏高；须使用桌面式贵重仪器；样品量极少情况下检测不准确的问题。

发明内容