CN105758909B - 一种基于金纳米管的柔性可拉伸电极及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金纳米管的柔性可拉伸电极及其制备方法与应用。通过将聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性膜预先进行亲水处理，促进银纳米线在弹性基底表面均匀粘附与固定。以无序银纳米线为模板，通过[Au(en)₂]Cl₃与银的置换反应一步制得大长径比金纳米管，得到基于金纳米管的柔性可拉伸电极，将电极与外接电极引线连接，最终获得可用于测试使用的电极。本发明基于金纳米管的柔性可拉伸电极具有抗机械形变性高，电化学性能优异和生物相容性良好等特点，可在处于形变状态时，实现真实生理条件下机械敏感型细胞的实时监测。突破了现有纳米材料在可拉伸电化学传感器应用中的限制，且制备方法简便、可控、易于制作。

Description

一种基于金纳米管的柔性可拉伸电极及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于电化学、电子学及材料科学领域，具体涉及一种基于金纳米管的柔性可拉伸电极及其制备方法和应用。

背景技术

近几年，基于各种纳米材料的柔性可伸缩设备迅速发展，并在传感、光伏、电池和可穿戴电子器件等领域展示了巨大的应用前景。目前，基于物理信号检测的柔性可拉伸传感器在人类健康参数如pH、温度和脑电波等监测方面取得重要进展。然而，用于生物信号分子实时监测、提供丰富化学信息的柔性可拉伸电化学传感器却未见报道，主要挑战是目前用于可拉伸电极的纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、银纳米线，均不能同时满足可拉伸电化学传感器对导电性、延展性、电化学惰性的需求。因此，构建柔性可拉伸电化学电极面临极大挑战。

真实生理环境下，某些机械敏感型细胞的形态和功能与周围环境的机械性因素密切相关，如血管中的内皮细胞和血管随血压的波动而发生相应收缩形变。为获取此生理过程中的化学信息，亟需发展抗机械形变、高灵敏和良好生物相容性的高性能柔性可拉伸电化学传感器，并在细胞水平信号分子实时监测方面实现重要突破。

发明内容

本发明的首要目的在于突破现有纳米材料在可拉伸电化学传感器应用中的限制，提供一种基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极。

本发明的另一目的在于提供上述柔性可拉伸电化学电极的制备方法，该方法简便、可控、易于制作。

本发明的再一目的在于提供上述柔性可拉伸电化学电极的应用，实现可拉伸电化学传感器在细胞信号分子监测方面的突破。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极，包括弹性基底、导电层、导电胶、金属外接引线及绝缘胶；其中，弹性基底表面附有一层具有促粘附作用的聚合物分子层，金纳米管均匀、无序地分散在聚合物分子层上形成网络状的导电层，导电层与金属外接引线通过导电胶连接，且在导电层与金属外接引线连接点周围涂覆绝缘胶用于固定和绝缘。

所述的聚合物分子层为聚多巴胺、聚赖氨酸、聚乙二醇或聚丙烯酰胺。

优选地：

所述的金纳米管优选外径为35～55nm，管壁厚约为4nm，长度10～20μm。

所述的外接电极引线优选为铜丝，外接电极引线的直径为0.3～0.5mm，长度8～10cm。

所述的聚合物分子层优选为聚多巴胺(pDA)分子层。

所述的弹性基底优选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，弹性基底膜厚度优选为200μm。

所述的导电胶优选为碳导电胶。

所述的绝缘胶优选为与弹性基底相同的PDMS。

一种制备上述基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极的方法，包括如下步骤：

(1)将预聚体和固化剂质量比为10:1的液态PDMS倒在洁净的硅片上，用甩胶机在400～1000rpm的转速下甩成薄膜，加热使PDMS固化，并从硅片上剥离，得到PDMS膜；

(2)将步骤(1)得到的PDMS膜平铺于培养皿中，倒入新配制的浓度为0.1～5.0mg/mL的多巴胺溶液，使溶液完全浸没PDMS膜，所述的多巴胺溶液采用三羟甲基氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲体系，其pH为8.5；室温放置24小时后，取出PDMS膜，用超纯水冲洗3～6次后，N₂吹干，得到聚多巴胺功能化的PDMS膜；

(3)将浓度为0.2～5.0mg/mL的银纳米线溶液滴在聚多巴胺功能化的PDMS膜表面，使溶液完全覆盖住PDMS膜，静置，然后甩掉多余的银纳米线溶液，将PDMS膜转移到加热台上，使溶剂挥发，得到表面均匀覆盖银纳米线无序网络的PDMS膜；

(4)将表面均匀覆盖银纳米线无序网络的PDMS膜置于0.2～5.0mmol/L的[Au(en)₂]Cl₃(三氯二乙胺合金)溶液中，在60～95℃条件下进行金-银置换反应，取出PDMS膜，用超纯水冲洗3～6次，再转移到0.05～2mol/L的氨水中，除掉附着在金纳米管表面的副产物AgCl，超纯水冲洗3～6次后N₂吹干，得到金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极；

[Au(en)₂]Cl₃(aq)+3Ag(s)→Au(s)+2en(aq)+3AgCl(s) ①

AgCl(s)+2NH₃→[Ag(NH₃)₂]⁺(aq)+Cl^-(aq) ②

(5)将步骤(4)得到的金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极用刀片裁成所需面积大小的小片电极，将小片电极的一端与铜线接触，涂覆碳导电胶，待碳导电胶凝固后，在连接点周围涂覆液态PDMS，加热使其固化，即得到柔性可拉伸电化学电极。

上述基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极在机械敏感型细胞信号分子监测方面的应用。

一种利用上述基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极监测细胞释放信号的方法，包括如下步骤：

(1)将柔性可拉伸电化学电极裁成所需面积大小的小片电极，将其拉伸到一定幅度后，两端用夹子固定使小片电极保持拉伸状态；

(2)将小片电极的一端与铜线接触，涂覆碳导电胶，待碳导电胶凝固后，在连接点周围涂覆液态PDMS，加热使其固化；用PDMS沿小片电极四周筑成高度为2mm的细胞培养池；

(3)对步骤(2)制备的小片电极进行消毒处理，将人脐带静脉内皮细胞(HUVECs)接种到上述细胞培养池中培养10小时后，进行细胞释放信号分子的实时监测。

本发明具有如下优点和效果：

本发明展示了一种基于纳米材料-金纳米管作为导电层的新型柔性可拉伸电极，制备方法简便、可控、重复性高，拓展了纳米材料在柔性电子技术方面的应用。与常规柔性可拉伸电极相比，本发明的电极除具有稳定的机械可拉伸性能外，还具有优异的电化学性能和良好的细胞相容性，首次实现在电极处于形变的情况下，对细胞释放信号分子的实时动态监测。此外，由于金纳米材料在电学、光学、磁学、催化等方面的独特性质，本发明可为多种生物医学分析方法，如光热治疗、生物成像、传感器等领域提供一种新的检测平台。

附图说明

图1是基于金纳米管的柔性可拉伸电极处于拉伸状态时的结构图；其中：1-金纳米管形成的网络状导电层，2-PDMS弹性基底，3-导电胶，4-金属外接引线，5-绝缘胶。

图2是基于金纳米管的柔性可拉伸电极的微观结构图；图2(A)为电极表面的扫描电镜图，图2(B)为金纳米管的透射电镜图。

图3是基于金纳米管的柔性可拉伸电极的制备流程图。

图4是基于金纳米管的柔性可拉伸电极在铁氰化钾中的电化学行为图。

图5是HUVECs培养在基于金纳米管的柔性可拉伸电极上的微观图；图5(A)为HUVECs的扫描电镜图，图5(B)为HUVECs的荧光显微镜图。

图6是处于拉伸状态时的基于金纳米管的柔性可拉伸电极对HUVECs释放NO的实时监测结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细的阐述。

实施例1

基于金纳米管的柔性可拉伸电极制备过程如图3所示，具体步骤如下：

(1)将3g预聚体和固化剂质量比为10:1的液态PDMS倒在直径为7.5cm的洁净硅片上，于甩胶机上以600rmp转速甩9秒，75℃下加热2小时使PDMS固化，并从硅片上剥离，得到厚度约为200μm的PDMS膜。

(2)将步骤(1)得到的PDMS膜平铺于直径为9cm的培养皿中，倒入40mL新配制的浓度为1.0mg/mL的多巴胺溶液(Tris-HCl，10mmol/L，pH 8.5)，确保溶液完全浸没PDMS膜，溶液中的多巴胺在此条件下发生自聚合形成pDA，进而沉积在PDMS膜表面。室温放置24小时后，取出PDMS膜，用超纯水冲洗PDMS膜5次后，N₂吹干，聚多巴胺分子层附着在PDMS膜表面，形成聚多巴胺功能化的PDMS膜(pDA/PDMS膜)。

(3)将2mL浓度为2mg/mL的银纳米线(购自浙江科创新材料科技有限公司，使用之前用异丙醇稀释，直径为35～55nm，长度为10～20μm)溶液滴在步骤(2)得到的pDA/PDMS膜上，使溶液完全铺展在pDA/PDMS膜表面，室温静置1分钟后，400rmp转速旋涂3秒，以甩掉PDMS膜表面多余的银纳米线溶液，将PDMS膜转移到75℃加热台上使溶剂挥发，得到无序银纳米线网络均匀覆盖的PDMS膜(AgNWs/PDMS膜)。

(4)将步骤(3)得到的AgNWs/PDMS膜置于浓度为2mmol/L的[Au(en)₂]Cl₃水溶液中，于90℃下进行银纳米线与[Au(en)₂]Cl₃的置换反应1小时后，取出PDMS膜，用超纯水冲洗3次，再转移到浓度为0.15mol/L的氨水溶液中，65℃下发生络合反应10分钟，通过络合反应除掉附着在金纳米管表面的副产物AgCl，用超纯水冲洗5次后，N₂吹干，得到金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极(AuNTs/PDMS)。

(5)将步骤(4)得到的电极用手术刀片裁成面积为0.5cm×1.0cm的小片，在小片电极的一端通过碳导电胶与铜线(直径为0.3～0.5mm，长度为10cm)连接，待碳导电胶凝固后，在连接处涂覆液态PDMS，使电极活性面积为0.5cm×0.5cm，90℃加热30分钟使PDMS固化，得到最终可以进行电化学检测的基于金纳米管的柔性可拉伸电极。

上述基于金纳米管的柔性可拉伸电极，其结构示意图如图1所示，包括金纳米管形成的网络状导电层1、PDMS弹性基底2、导电胶3、金属外接引线4及作为绝缘胶的PDMS层5；其中，弹性基底表面附有一层具有促粘附作用的聚合物分子层，金纳米管均匀、无序地分散在聚合物分子层上形成网络状的导电层，导电层与金属外接引线通过导电胶连接，导电层与金属外接引线的连接点周围用绝缘胶PDMS覆盖以固定和绝缘。对上述基于金纳米管的柔性可拉伸电极的微观结构进行分析，线状的金纳米材料无序、均匀的分布在PDMS弹性基底表面如图2(A)所示；透射电镜表征结果显示，该金纳米材料为管状结构如图2(B)所示。无序、均匀的金纳米管之间互相搭接，形成连续、均匀的高导电网络，当弹性基底发生机械形变时，由于金纳米管与基底的粘附作用，金纳米管会随着基底移动而金纳米管间通过滑动以适应形变，从而具有较稳定的抗机械拉伸能力和导电性能。

本发明制备的基于金纳米管的柔性可拉伸电极进行电化学表征，由铁氰化钾在电极表面的循环伏安图(图4)可以看出，电极在+0.16V和0.21V处具有对称的氧化还原峰，表明该电极具有良好的电化学性能，且电子在电极表面传递速率快。

实施例2

(1)将3g预聚体和固化剂质量比为10:1的液态PDMS倒在洁净的直径为7.5cm硅片上，于甩胶机上以1000rmp转速甩10秒，80℃下加热1h使PDMS固化，得到厚度约为70μm的PDMS膜，并从硅片上剥离。

(2)将步骤(1)得到的PDMS膜平铺于直径为9cm的培养皿中，倒入40mL新配制的浓度为1.0mg/mL多巴胺溶液(Tris-HCl，10mmol/L，pH 8.5)，溶液完全浸没PDMS膜，室温放置24小时后，取出PDMS膜，用超纯水冲洗PDMS膜4次后，N₂吹干，得到聚多巴胺功能化的PDMS膜。

(3)将3mL浓度为1mg/mL的银纳米线(购自浙江科创新材料科技有限公司，使用之前用异丙醇稀释，直径为35～55nm，长度为10～20μm)溶液滴在步骤(2)得到的聚多巴胺功能化的PDMS膜上，使溶液铺满PDMS膜表面，室温静置1min后，在400rmp转速3秒条件下，甩掉多余的银纳米线溶液，将PDMS膜转移到75℃加热台上使溶剂挥发。

(4)重复步骤(3)，得到无序、均匀的银纳米线网络覆盖的PDMS膜。

(5)将步骤(4)得到的PDMS膜置于浓度为4mmol/L的[Au(en)₂]Cl₃水溶液中，于65℃下进行银纳米线与[Au(en)₂]Cl₃的置换反应，1小时后取出PDMS膜，用超纯水冲洗3次，转移到浓度为0.15mol/L的氨水溶液中，65℃下发生络合反应10分钟，以除掉附着在金纳米管表面的副产物AgCl，用超纯水冲洗5次后，N₂吹干，得到金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极。

(6)将步骤(5)得到的金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极用手术刀片裁成面积为1.5cm×1.5cm的小片电极，在小片电极的一端通过碳导电胶与铜线(直径为0.3～0.5mm，长度为10cm)连接，待导电胶凝固后，在连接处涂覆液态PDMS，90℃加热30分钟使PDMS固化。

(7)将步骤(6)得到的小片电极拉伸到25％状态时，两端用夹子固定，使拉伸状态保持，于90℃加热台上，采用少量多次的方式沿电极四周涂液态PDMS，待PDMS完全固化后，最终筑成大小为1.0cm×1.0cm×0.2cm的细胞培养池，同时使电极的拉伸状态保持并固定。

(8)步骤(7)得到的小片电极在无菌操作台上进行紫外灯照射消毒10小时，PBS冲洗电极3次后，将密度为1×10⁶的HUVECs接种到电极表面进行培养。细胞培养在小片电极表面1小时后的扫描电镜图如图5(A)所示，细胞粘附在金纳米管网络表面，且具有较多伪足在电极表面铺展；对培养72小时后的细胞活性进行荧光表征结果如图5(B)所示，进一步表明了该电极具有的良好生物相容性。

(9)细胞在步骤(8)中的电极表面培养10小时后，进行细胞释放信号分子的实时监测。如图6所示，内皮细胞受到刺激液L-精氨酸(L-Arg)刺激时，释放的信号分子NO在电极表面被氧化，安培电流随之增大，然后随着细胞释放NO量减少及其在电极表面的氧化，电流随之缓缓下降。对照组实验如下：当电极表面培养细胞，用L-Arg和NO合酶抑制剂L-NAME刺激细胞时，无明显电流增大现象；当用L-Arg刺激没有培养细胞电极时，也无电流曲线上升现象。

上述实施例表明本发明方法制备的可拉伸电化学传感器具有很好的传感性能，可在传感器发生形变状态下对机械敏感型细胞进行实时动态监测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极，其特征在于：包括弹性基底、导电层、导电胶、金属外接引线及绝缘胶；其中，弹性基底表面附有一层具有促粘附作用的聚合物分子层，金纳米管均匀、无序地分散在聚合物分子层表面形成网络状的导电层，导电层与金属外接引线通过导电胶连接，且在导电层与金属外接引线连接点周围涂覆绝缘胶用于固定和绝缘。

2.根据权利要求1所述的基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极，其特征在于：所述的聚合物分子层为聚多巴胺、聚赖氨酸、聚乙二醇或聚丙烯酰胺。

3.根据权利要求1或2所述的基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极，其特征在于：所述的电极外接电极引线为铜丝；所述的聚合物分子层为聚多巴胺；所述的弹性基底和绝缘胶为相同的PDMS；所述的导电胶为碳导电胶。

4.根据权利要求3所述的基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极，其特征在于：所述的金纳米管，其外径为35～55nm，管壁厚度为4nm，长度为10～20μm；所述的电极外接电极引线，其直径为0.3～0.5mm，长度为8～10cm；所述弹性基底的厚度为200μm。

5.一种制备权利要求1～4任一项所述的基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将预聚体和固化剂质量比为10:1的液态PDMS倒在洁净的硅片上，用甩胶机在400～1000rpm的转速下甩成薄膜，加热使PDMS固化，并从硅片上剥离，得到PDMS膜；

(2)将步骤(1)得到的PDMS膜平铺于培养皿中，倒入新配制的浓度为0.1～5.0mg/mL的多巴胺溶液，使溶液完全浸没PDMS膜，所述的多巴胺溶液采用三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲体系，其pH为8.5；室温放置24小时后，取出PDMS膜，用超纯水冲洗3～6次后，N₂吹干，得到聚多巴胺功能化的PDMS膜；

(3)将浓度为0.2～5.0mg/mL的银纳米线溶液滴在聚多巴胺功能化的PDMS膜表面，使溶液完全覆盖PDMS膜，静置，然后甩掉多余的银纳米线溶液，将PDMS膜转移到加热台上，使溶剂挥发，得到表面均匀覆盖银纳米线无序网络的PDMS膜；

(4)将表面均匀覆盖银纳米线无序网络的PDMS膜置于0.2～5.0mmol/L的[Au(en)₂]Cl₃溶液中，在60～95℃条件下进行金-银置换反应，取出PDMS膜，用超纯水冲洗3～6次，再转移到0.05～2mol/L的氨水中，除掉附着在金纳米管表面的副产物AgCl，超纯水冲洗3～6次后N₂吹干，得到金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极；

(5)将步骤(4)得到的金纳米管-PDMS柔性可拉伸电极用刀片裁成所需面积大小的小片电极，将小片电极的一端与铜线接触，涂覆碳导电胶，待碳导电胶凝固后，在连接点周围涂覆液态PDMS，加热使其固化，即得到柔性可拉伸电化学电极。

6.权利要求1～4任一项所述的基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极在机械敏感型细胞信号分子监测方面的应用。

7.一种利用权利要求1～4任一项所述的基于金纳米管的柔性可拉伸电化学电极监测细胞释放信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将柔性可拉伸电化学电极裁成所需面积大小的小片电极，将其拉伸到一定幅度后，两端用夹子固定使小片电极保持拉伸状态；

(2)将小片电极的一端与铜线接触，涂覆碳导电胶，待碳导电胶凝固后，在连接点周围涂覆液体PDMS，加热使其固化；用PDMS沿小片电极四周筑成高度为2mm的细胞培养池；

(3)对步骤(2)制备的小片电极进行消毒处理，将人脐带静脉内皮细胞接种到上述细胞培养池中培养10小时后，进行细胞释放信号分子的实时监测。