CN108152348A - 一种可重复性使用基于PDMS的微型软体Ag/AgCl电极的制备方法及应用 - Google Patents

一种可重复性使用基于PDMS的微型软体Ag/AgCl电极的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电化学电极制备领域,具体涉及一种可重复性使用基于PDMS的微型软体Ag/AgCl电极的制备方法及应用。本发明以柔性PDMS作为电极基底材料,将电极基底材料进行表面亲水修饰,然后均匀涂布银纳米线,再浸泡于NaClO溶液中氧化制得Ag/AgCl电极。采用本发明Ag/AgCl电极作为参考电极显示出良好的工作稳定性与灵敏度,且工作电位要低于传统的电极,可持续工作1小时以上。本发明电极可多次重复使用,材料无毒且生物相容性佳广泛应用于微流道***,该电极可开发用做生物体传感器。

Description

一种可重复性使用基于PDMS的微型软体Ag/AgCl电极的制备 方法及应用
技术领域
本发明涉及电化学技术领域,具体涉及一种可重复使用基于PDMS的微流控电极Ag/AgCl电极的制备及应用。
背景技术
在近期电化学的研究中,微型参比电极的研究一直备受关注。Ag/AgCl电极是应用最广的参比电极之一,由于其具有工作稳定,制备工艺简单且无安全隐患等优点,将其运用在生物监测以及微流控检测中将具有重要意义。目前制备微型Ag/AgCl电极主要采用丝网印刷技术,使用PET作为电极基材,银油墨作为导体浆料,将银浆印刷到基材之上制作电极。该方法虽然操作简单可批量化工业生产,但电极表面状态不易控制,批次间电极性能差异大工作不稳定。并且该技术难以设计、调控电极尺寸及形状;浪费大量的材料。由于电极基材PET易受热变形,且生物相容性差无法用于高温及生物体内监测。之后silva[1]研究了喷墨打印Ag/AgCl电极,该方法的优势在于电极形状可自行设计及调控尺寸,且工作稳定性优异并可在多种基材上打印,节约成本等等。但喷墨打印Ag电极在氧化后电极表面Ag/AgCl层极易脱落,导致可持续稳定工作时间仅仅在30分钟以内。而Rius-Ruiz[2]制备碳纳米管修饰的Ag/AgCl参比电极在3min后才可稳定工作,灵敏度低。
[1]Silva,D.;Miserere,S.;Kubota,T.,Simple On-Plastic/Paper Inkjet-Printed Solid-StateAg/AgCl Pseudoreference Electrode,Anal.Chem.2014,86,10531-10534
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发明内容
本发明的目的在于制备一种可重复性使用的微型软体Ag/AgCl电极,可通过硅胶光刻技术调控电极尺寸及设计电极形状。本发明首次以PDMS作为参考电极的基材,采用银纳米线作为电极的工作层,用化学氧化法制备Ag/AgCl电极。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:以柔性PDMS作为电极基底材料,将电极基底材料浸泡于5wt%Gly和2wt%PVA组成的修饰液中进行表面亲水修饰,然后在电极基底材料表面均匀涂布银纳米线,于60℃烘干2h后,再浸泡于NaClO溶液中氧化制得Ag/AgCl电极。
本发明另一个目的,请求保护上述Ag/AgCl电极的应用,将玻碳电极为工作电极,Ag/AgCl为参比电极,铂丝为辅助电极组成的三电极***。将该三电极***置于KCl(10- 4mol/L)溶液中工作。
本发明首次以PDMS作为参考电极的基材,其具有低成本,可回收再利用,生物相容性佳等优点,并且以PDMS为基材电极工作稳定性要优于PVC和PET。本发明可以通过硅片光刻硅胶的方式设计电极基材模具,使电极不受形状大小的限制,应用更广泛。首次采用纳米银线化学法制备Ag/AgCl电极工作层,该法制备所得电极既有极好的工作稳定性(△E<3mv)以及灵敏度(t<20s),电极电位要低于传统商业电极约0.263v极大的拓宽了参比电极的测量区间。采用本发明制备参比电极可持续工作1h以上,并可多次使用,累计使用最长时间为90min。本发明银纳米线电极在NaClO氧化后需充氮气保护,电极自带保护装置便于保存,在避光无纳米保护情况下保存一年以上均可正常使用。本发明电极可多次重复使用,材料无毒且生物相容性佳广泛应用于微流道***,该电极可开发用做生物体传感器。
附图说明
图1为银纳米线电极氧化剂浓度的选择图;
图2为计时电位法优化氧化时间图;
图3本发明Ag/AgCl电极与传统商业电极工作对比测试图;
图4为长短银纳米线及沉积纳米银的对比计时电位曲线图;
图5为PET;PVA;PDM分别作为参比电极的基材制成Ag/AgCl参比电极的对比计时电位曲线图;
图6为Ag/AgCl参比电极工作可持续时间计时电位曲线图;
图7为电极储备稳定性测试计时电位曲线图;
图8为静置24h后,三电极***在KCl支持电解质溶液中电极性能测试计时电位曲线图;
图9为工作30min并放置24h后,更换支持电解质溶液KCl,电极性能测试计时电位曲线图;
图10为已经工作60min并放置24h后,更换支持电解质溶液KCl,电极性能测试计时电位曲线图;
图11为已经工作90min并放置24h后,更换支持电解质溶液KCl,电极性能测试计时电位曲线图;
图12为放置24h后,不更换支持电解质溶液KCl,电极性能测试计时电位曲线图;
图13为工作30min后,并放置24h,不更换支持电解质溶液KCl,电极性能测试计时电位曲线图;
图14循环伏安曲线,其中以纳米线Ag/AgCl作参比电极;
图15自制参比电极示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案详细描述。其中银纳米线购于南京先丰纳米材料科技有限公司。
下述实施例中PDMS由90wt%的PDMS与10wt%固化剂混合后在100℃下固化2h制备得到。
实施例1制备Ag/AgCl参比电极:
1.电极基材模具的制备:
(1)准备两台烤胶机分别调至65℃和200℃备用,取新硅片用氮气吹干净后置于热板之上,用200℃烤胶机上加热5min。然后将硅片于室温冷却。
(2)将硅片的中心与匀胶仪转盘的中心对齐放置,滴加光刻胶于硅片中心,在滴加的过程中不能产生气泡,在500r/min的转速下慢速甩胶20s,然后将硅片置于65℃烤胶机上加热5min,95℃下加热20min,加热结束后硅片于室温冷却10min。
(3)将硅片放置掩膜板内,在波长280nm的紫外曝光机下曝光,曝光后的硅片置于热板上,用65℃烤胶机加热5min,然后在95℃烤胶机上加热11min。最后冷却到室温。
(4)将硅片从热板上取下,放置于玻璃培养皿中,加入显影液,不断轻微震荡,直至图形清晰可见。用丙酮和去离子水冲洗掉多余的显影液,室温晾干。
2.电极工作层芯片的制备:
由90wt%的PDMS与10wt%硅烷偶联剂混合后倒在电极基材模具中,在100℃下固化2h,制得柔性PDMS。然后亲水修饰柔性PDMS,修饰液由5wt%(Gly)与2wt%(PVA)组成,将柔性PDMS浸泡于修饰液20min后取出60℃烘干2h反复操作三次,最后均匀涂布银纳米线,60℃烘干2h后再进行电极氧化处理,浸泡在NaClO(20mg/mol)中,最后用去离子水冲洗后60℃烘干2h便得到Ag/AgCl参比电极。
3.Ag/AgCl电极PDMS中空壳以及PDMS膜的制作:
采用与柔性PDMS相同的制备方法制备电极的PDMS中空壳,该壳为内部中空结构,用于存储支持电解质kcl。然后配置胶水将PDMS中空壳与Ag/AgCl电极黏结,胶水可以由90wt%的PDMS与10wt%固化剂(如硅烷偶联剂)混合制得。
PDMS膜为电极最上层的包封装置,制备具体操作与PDMS中空壳相同,在制备最后需要用打孔器打孔。电极示意图见附图15。
实施例2
将实施例1制备的Ag/AgCl电极为参比电极,玻碳电极为工作电极,铂丝为辅助电极组成三电极***。
玻碳电极的预处理:将玻碳电极打磨活化,使用粒径不同的Al203粉末,由大至小,放置在鹿皮之上滴加少于去离子水打磨电极。
采用本实施例的三电极***进行电极测试:
将该三电极***将该电极置于PBS(10x)缓冲溶液中,在三电极***下,采用计时电位法,设定阴极电流为2μA,阳极电流为2μA,阴极时间为2s,阳极时间为600s,初始极性为阳极,数据储存间隔为0.01s,段数为2,电极极性切换方式为时间。计时电位曲线见图3。
如图3所示电极工作对比测试图(a计时电位法;b阻抗测试)。通过与传统商业电极对比,由计时电位法分析可知从测试开始至电极工作稳定,实施例1制备的Ag/AgCl纳米线电极仅用时约20s,而商业电极则用时近100s才可稳定工作。Ag/AgCl纳米线电极由于纳米结构使得电极电位降低,比传统商业参比电极电位低约26.3%,拓宽了参比电极的测量使用范围与精确度。综合阻抗测试可知Ag/AgCl纳米线电极在低频区其电子传递能力高于传统商业电极。Ag/AgCl纳米线电极在340s后△E<3mv。
实施例3
三电极***由玻碳电极为工作电极,实施例1制备的纳米线Ag/AgCl为参比电极,铂丝为辅助电极组成。
玻碳电极的预处理:将玻碳电极打磨活化,使用粒径不同的Al203粉末,由大至小,放置在鹿皮之上滴加少于去离子水打磨电极。
采用本实施例的三电极***进行电极测试:
将该三电极***将该电极置于铁***(10-6mol/L)溶液中,在三电极***下,采用循环伏安法,设定扫描电位范围为-0.8至1.0v,扫速为0.1v/s,圈数为1圈,循环伏安曲线见图15。
对本发明参比电极Ag/AgCl制备的工艺参数进行优化,测试结果如下。
附图1为纳米Ag线电极氧化剂浓度的选择图。如图1所示,图a为未氧化Ag电极表层纳米银线结构,图b为浸泡在氧化剂NaClO(40mg/mol)中60s后Ag/AgCl结构,图c为浸泡在氧化剂NaClO(20mg/mol)中60s后Ag/AgCl结构。图d为电极表层原子能谱检测,通过对比氧化前后电极表层的原子能谱表明在氧化后已经生成AgCl。图e,f分别为不同浓度氧化剂阻抗分析与计时电位图。综上分析可确定氧化剂NaClO浓度为20mg/mol,Ag/AgCl参比电极工作性能最佳。
附图2为计时电位法优化氧化时间图。将三电极***置于KCl(10-4mol/L)溶液中,采用计时电位法,设定阴极电流为2μA,阳极电流为2μA,阴极时间为2s,阳极时间为600s,初始极性为阳极,数据储存间隔为0.01s,段数为2,电极极性切换方式为时间。最后确定参比电极Ag/AgCl最佳氧化时间为60s。
附图4为长短银纳米线及沉积纳米银的对比,采用计时电位法检测,最后证明短银纳米线(长度60μm,直径90nm)电极性能最佳。沉积纳米银颗粒的电极电位最高但其工作的稳定性不佳,说明银纳米颗粒在纳米银线上分布不均匀,导致传导电子不稳定。短纳米银线电极工作电位高于长纳米银线电极且工作稳定性好,所以短银纳米线作为电极工作层材料最佳。
附图5为PET、PVA、PDMS分别作为参比电极的基材制成Ag/AgCl参比电极的对比,采用计时电位法检测,最后证明PDMS作为参比电极的基材电极性能最佳。
附图6为探究Ag/AgCl参比电极的使用寿命,采用计时电位法,以实施例1制备的电极作为参比电极,PBS缓冲液作为电极工作环境进行测试。证明自制Ag/AgCl参比电极可稳定工作1h以上。
附图7为电极储备稳定性测试,可以发现连续放置15日后其稳定后电位有明显的下降,最后证明自制电极易被氧化,从而造成电位下降,使得电极性能不稳定,所以电极需要在氮气中保存。
以玻碳电极为工作电极,实施例1制备的纳米线Ag/AgCl为参比电极,铂丝为辅助电极组成三电极***,放置24h后,更换支持电解质溶液KCl(10-4mol/L电极性能测试,采用计时电位法测试,每次测试时长为10min,共测试三次。测试结果如图8所示,电极重现性优异。工作10min后与工作20min后△E<5mv,工作20min后与工作30min后△E<6mv。
将上述电极工作30min并放置24h后,更换支持电解质溶液电极性能测试,采用计时电位法测试,每次测试时长为10min,共测试三次。测试结果如图9所示,在工作20min后电位出现了下降约2.4%。
将上述电极已经工作60min并放置24h后,更换支持电解质溶液电极性能测试,采用计时电位法测试,每次测试时长为10min,共测试三次。测试结果如图10所示,可以看到三次测试所得计时电位曲线稳定,故可认为电极仍稳定工作。
附图11为工作90min后,更换支持电解质溶液电极性能测试。采用计时电位法测试,电极电位明显出现波动,故认为电极失效。
附图12为放置24h后,不更换支持电解质溶液电极性能测试,采用计时电位法测试,每次测试时长为10min,共测试三次。可以看到三次测试所得计时电位曲线稳定,故可认为电极仍稳定工作。
附图13为工作30min后,并放置24h,不更换支持电解质溶液电极性能测试,采用计时电位法测试。电极电位明显出现波动(即计时电位曲线出现折线波动),故认为电极失效。
如图14所示,本发明纳米线Ag/AgCl参比电极在发生氧化还原的体系中可以正常工作。

Claims (7)

1.一种可重复性使用基于PDMS的微型软体Ag/AgCl电极的制备方法,其特征在于,以柔性PDMS作为电极基底材料,将电极基底材料浸泡于5wt%Gly和2wt%PVA组成的修饰液中进行表面亲水修饰,然后在电极基底材料表面均匀涂布银纳米线,于60℃烘干2h后,再浸泡于NaClO溶液中氧化制得Ag/AgCl电极工作层芯片。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的柔性PDMS由90wt%的PDMS与10wt%固化剂混合后倒在电极基材模具中,在100℃下固化2h制得。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述固化剂为硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述表面亲水修饰的方法为:将电极基底材料浸泡于5wt%Gly和2wt%PVA组成的修饰液中20min后取出于60℃烘干2h反复操作2-3次。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述NaClO溶液浓度为20mg/mol。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电极基材模具是利用硅片光刻硅胶的方式制备的。
7.一种如权利要求1所述方法制备的Ag/AgCl电极的应用,其特征在于,将该Ag/AgCl电极作为参比电极,玻碳电极为工作电极,铂丝为辅助电极,组成三电极***。
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