一种氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极

1.本发明涉及电化学传感器技术领域，具体涉及一种氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极及其制备方法和应用。


背景技术：

2.多巴胺是调控中枢神经系统各项生理功能正常运转的重要物质之一，与人类的色情、感觉和一些神经退行性疾病密切相关。多巴胺水平的改变或失调可导致多种神经功能障碍(如帕金森和阿尔兹海默病)。然而，传统的刚性电极因不能适应细胞的的形变而不能在体内进行细胞间信号分子的原位监测，因此，构建可穿戴的柔性的多巴胺新型监测平台对探索多巴胺与神经系统疾病的关系具有重要意义。
3.电化学方法传感具有高灵敏度和选择性等优势，可用于实时监测电信号，这决定了它在神经递质的瞬时检测方面的巨大优势。由于细胞外液中的多巴胺含量极低、难以捕获，因此，电化学方法对于实时监测细胞中多巴胺的瞬时释放至关重要。然而，传统的电极通常是刚性构造的，这与生物的体内环境不兼容，不能在不影响人类活动的情况下持续监测体内释放的生化因子。柔性电化学传感器则是获取生物体内生化因子信号的电化学信息的强有力监测工具，由于其具有良好的力学性能、高灵敏度以及高选择性等特性而广泛应用到健康监护系统中。可拉伸传感器能够穿戴或植入体内，从而持续监测个体的生命健康体征并提供化学信息，在实时跟踪细胞瞬时释放的信号方面发挥着重要作用。
4.目前，专利cn106442689b公开了一种氧化镍-碳纳米管复合材料的修饰电极及其制备方法，利用原子层沉积法，尺寸可精准控制，合成方法简单方便，且无污染，结合碳纳米管与氧化镍的协同作用，一定程度上提高了检测多巴胺的灵敏度，但是这种沉积法所制备的氧化镍-碳纳米管复合材料结构简单，镍氧化物易聚集于碳纳米管表面，导致电极的活性表面积减小；专利cn114105224b公开了一种二维氢氧化镍和一维碳纳米管的复合纳米片，能够有效改善复合材料的结构稳定性，有效缓冲点循环过程的体积效应，改善导电网络，有助于显著改善材料的电化学性能，但是，这一合成技术所制备的氢氧化镍纳米片形貌不够均一，导电性受到一定的限制，且工艺繁琐、生产成本较高，并最终应用于电容器领域，不适用于日常的便携式电化学检测。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供一种氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极及其制备方法，在柔性pdms基底层上从下至上依次设有碳纳米管层、氧化镍/氢氧化镍介孔微球层，电极结构以及制作过程简单，具有优异的电化学检测性能、良好的透明度、较高的机械柔韧性以及生物相容性。
6.为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
7.一种氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极，包括pdms基底，在pdms基底的一面上依次设有碳纳米管层和氧化镍/氢氧化镍介孔微球层。
8.进一步地，上述的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、将六水合硝酸镍和十二烷基硫酸钠溶于乙醇和双蒸馏水搅拌，再加入尿素进行搅拌，得到混合溶液；
10.s2、将s1的混合溶液转移到高压釜反应，收集固体产物进行清洗、真空干燥过夜，得到α-氢氧化镍球；
11.s3、将α-氢氧化镍球煅烧转化为氧化镍/氢氧化镍介孔微球，以10℃/min的梯度升至250℃煅烧2
±
0.5小时。
12.上述的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的制备方法，包括如下步骤：
13.s10、将pdms预聚物和固化剂混合后，涂覆在硅片衬底上，在硅片衬底上形成pdms基底层；
14.s20、配制氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液进行真空过滤，在过滤膜表面形成氧化镍/氢氧化镍介孔微球层，形成氧化镍/氢氧化镍介孔微球层-过滤膜的第一复合膜；
15.s30、配制碳纳米管溶液进行真空过滤，在氧化镍/氢氧化镍介孔微球-过滤膜的第一复合膜表面形成碳纳米管层，形成碳纳米管层-氧化镍/氢氧化镍介孔微球层-过滤膜的第二复合膜；
16.s40、将第二复合膜贴附在s10的pdms基底层的表面，加热固化后剥离过滤膜，将氧化镍/氢氧化镍介孔微球-碳纳米管转印在pdms基底层上，剥离硅片衬底后得到所述氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极。
17.进一步地，s10中，所述pdms预聚物与所述固化剂的比例为10:1。
18.进一步地，s20中，氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液的浓度为5～30mg/ml，所述过滤膜为水系尼龙过滤膜，膜的孔径为0.22
±
0.01μm。
19.进一步地，s30中，碳纳米管溶液的浓度为0.2～1.5mg/ml。
20.进一步地，s20中的氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液的浓度为20mg/ml和s30中的碳纳米管溶液的浓度为1.2mg/ml。
21.上述氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极在制备多巴胺检测传感器中的应用。
22.有益效果：
23.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
24.(1)通过采用表面活性剂辅助溶剂热合成，再经过可控的煅烧过程，合理设计了独特的纳米结构，最终获得形貌均一且具有良好的导电性的纳米花状介孔微球，其中纳米片的折叠结构使得氧化镍/氢氧化镍介孔微球的活性表面积显著增加，进一步提高了其电化学性能，克服了单一氧化镍或单一氢氧化镍存在的稳定性及导电性差等问题。
25.(2)柔性电极以pdms为基底，氧化镍/氢氧化镍介孔微球和碳纳米管无序网络复合结构为导电层及传感层，解决了镍氧化物易聚集以及机械稳定性弱等问题，在pdms基底的弹性表面形成了良好的渗透网络，赋予电极高机械韧性以及电导率。
26.(3)制作过程简单，通过对氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液和碳纳米管溶液的浓度设计，使电极在具有优异的电化学检测性能的同时，还具有良好的透明度、较高的机械柔韧性以及生物相容性，在用于多巴胺检测表现出独特的优势，在人体生命体征监测等领域具有良好的应用前景。
附图说明
27.下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
28.图1是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的制备方法流程图；
29.图2是实施例1的s20～s40步骤的流程图；
30.图3是实施例1的不同浓度碳纳米管溶液所制备的电极的电阻值和透光度与其浓度的关系图；
31.图4是实施例1的不同浓度碳纳米管和氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液所制备的电极的电阻值和透光度与其浓度的关系图；
32.图5是实施例1的不同浓度碳纳米管溶液所制备的电极在10mmol/l的铁氰化钾中的循环伏安图；
33.图6是实施例1的不同浓度碳纳米管和氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液所制备的电极在10mmol/l铁氰化钾中的氧化峰值电流图；
34.图7是实施例1的水热法制备的氧化镍/氢氧化镍介孔微球纳米花状的扫描电子显微镜图；
35.图8是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的扫描电子显微镜图；
36.图9是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的不同弯曲次数的电阻相对变化值结果图；
37.图10是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的不同拉伸次数的电阻相对变化值结果图；
38.图11是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的不同弯曲程度的电极在10mmol/l铁氰化钾中的循环伏安图；
39.图12是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的不同拉伸程度的电极在10mmol/l铁氰化钾中的循环伏安图；
40.图13是实施例1的分析装置应用于多巴胺标准溶液分析时，连续加入不同浓度的多巴胺产生的电流响应图；
41.图14是实施例1的分析装置应用于多巴胺标准溶液分析时，多巴胺的浓度与相应电流信号值的线性关系图；
42.图15是实施例2的分析装置应用于细胞释放多巴胺的测量结果图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.实施例1
45.本发明提供了一种氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极，包括pdms基底，在pdms基底的一面上从下至上依次设有碳纳米管层和氧化镍/氢氧化镍介孔微球层。
46.以氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、
铂丝为对电极构成了三电极检测系统，使用此三电极检测系统可以实现对细胞释放多巴胺的实时检测。
47.氧化镍/氢氧化镍介孔微球的制备方法，包括以下步骤：s1、将六水合硝酸镍和十二烷基硫酸钠溶于乙醇和双蒸馏水的1:1的混合物中，在室温下不间断搅拌，再快速加入尿素，不断搅拌，直到得到混合良好的绿色透明悬浮液；s2、将s1的悬浮液转移到高压釜中，110℃烘箱反应15h，收集固体产物彻底清洗后60
±
5℃真空烘箱干燥过夜，得到α-氢氧化镍球；s3、将α-氢氧化镍球煅烧转化为氧化镍/氢氧化镍介孔微球，以10℃/min的梯度升至250℃煅烧2
±
0.5小时。
48.氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的制备方法，如图1～2所示，包括如下步骤：s10、将pdms预聚物和固化剂混合后放置在真空干燥箱内30
±
5min后去除气泡，然后自旋涂覆在硅片衬底上，在硅片衬底上形成pdms基底层；s20、配制氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液进行真空过滤，在尼龙过滤膜表面形成氧化镍/氢氧化镍介孔微球层，形成氧化镍/氢氧化镍介孔微球-尼龙过滤膜的第一复合膜；s30、配制碳纳米管溶液进行真空过滤，在氧化镍/氢氧化镍介孔微球-尼龙过滤膜的第一复合膜表面形成碳纳米管层，形成碳纳米管-氧化镍/氢氧化镍介孔微球-尼龙过滤膜的第二复合膜；s40、将第二复合膜贴附在pdms基底层的表面，并在80
±
5℃下热固化120
±
5min后，剥离尼龙过滤膜，将氧化镍/氢氧化镍介孔微球-碳纳米管层转印在pdms基底层上，剥离硅片衬底后剪成所需尺寸，获得氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极。在所述s10中，所述pdms基底层的预聚物与所述固化剂的比例为10:1，所述固化剂优选硅烷偶联剂；所述pdms基底层与硅片衬底组成了一个硅基弹性体，具有优异的光学透明度和力学柔韧性，制作过程加工处理方便；在所述s20中，所述氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液的浓度为20mg/ml，所述尼龙过滤膜的孔径为0.22
±
0.01μm；所述s30中，所述碳纳米管溶液浓度为1.2mg/ml。碳纳米管具有大纵横比、高机械强度、低刚度和化学惰性，氧化镍/氢氧化镍介孔微球具有环境友好、低毒和表面积大等固有优势，且本发明的氧化镍/氢氧化镍介孔微球纳米片自组装的纳米花状介孔球结构增加了材料的比表面积以及活性位点从而大大了其电导率，为后续对多巴胺的灵敏检测提供了更好的平台。利用转印法构建一个以pdms为基底，swcnts作为底层渗透网络，与上层由氧化镍/氢氧化镍介孔微球纳米片自组装成的介孔球相结合的导电薄膜。这一电极不但解决了镍氧化物易聚集、惰性高的内在固有问题，而且显著提高了电极的电导率，增加了表面活性位点，进一步提高了导电薄膜的对多巴胺传感性能。
49.性能测试
50.配制浓度为0.2mg/ml、0.5mg/ml、0.8mg/ml、1.2mg/ml或1.5mg/ml的碳纳米管溶液进行真空抽滤后转印至pdms柔性基底上，制备完成后用四探针电阻测试仪测量不同浓度的碳纳米管溶液的电极的电阻，紫外可见分光光度计测定其光学透过率，结果如图3所示，碳纳米管溶液的浓度越高，电阻(左)和透光率(右)就越低；用电化学工作站测量其在10mmol/l铁氰化钾中的循环伏安图，结果图5所示，峰值电流随着碳纳米管浓度增加逐渐增大，而再进一步提高碳纳米管溶液的浓度时，其氧化还原峰值电流的变化微不足道，因此，碳纳米管浓度优选为1.2mg/ml。在碳纳米管浓度为1.2mg/ml，分别配制5mg/ml、10mg/ml、15mg/ml、20mg/ml或30mg/ml的氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液依次进行真空抽滤后转印至pdms柔性基底上，如图4所示，氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液的浓度越高，电阻(左)和透光率(右)就
越低，在铁氰化钾中记录的电化学测试结果如图6所示，其中峰值电流随氧化镍/氢氧化镍介孔微球浓度的增加逐渐增大，而再进一步提高氧化镍/氢氧化镍介孔微球溶液的浓度时，其氧化还原峰值电流的变化微不足道。因此，综合考虑机械、电学和电化学性能，优选1.2mg/ml浓度的碳纳米管后，选择20mg/ml浓度的氧化镍/氢氧化镍介孔微球作为制备柔性传感器的最佳浓度。
51.图7是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的扫描电子显微镜图，氧化镍/氢氧化镍介孔微球具有形貌均一的纳米花状，具有良好的导电性，其中纳米片的折叠结构使得氧化镍/氢氧化镍介孔微球的活性表面积显著增加，进一步提高了其电化学性能；图8是实施例1的氧化镍/氢氧化镍介孔微球的柔性电极的扫描电子显微镜图片，反映了修饰材料在pdms表面复合良好。
52.在不同次数的弯曲循环和拉伸循环下，如图9～10所示，使用四探针电阻测试仪测量出所制备电极的相对电阻(r/r0)没有发生明显的变化。将电极包裹在不同曲率半径的圆柱上弯曲，测量不同弯曲程度下在10mmol/l铁氰化钾中的循环伏安响应，如图11所示，峰值电流和电位没有明显变化。将电极在定制的平台上拉伸到特定长度后进行电化学测量，在不同拉伸水平下，如图12所示，氧化还原探针记录的循环伏安响应曲线即使在高应变下也仅受到轻微的拉伸影响，证明了该电极优异的电化学稳定性。
53.以ph7.4、浓度为0.1mol/l的磷酸缓冲溶液配置不同浓度的多巴胺标准液，如图13～14所示，随着多巴胺的不断加入，响应电流相应增大，反映出较好的电化学传感能力。响应电流显示出与多巴胺浓度在50nm至288μm之间的线性关系，相关系数为0.99，检测限为12nm。
54.实施例2
55.细胞中多巴胺的检测
56.为了验证所发明的电极作为柔性传感器的可行性，将细胞培养在灭菌后的电极表面。选择计时电流法监测电极表面培养的细胞中多巴胺的释放。高浓度的氯化钾作为刺激剂诱导细胞产生多巴胺。如图15所示，细胞受到刺激后会在短时间内立即产生明显的电流信号，在没有细胞的相同条件下，无法观察到可测量的电流响应，为了验证上述电流增加是由细胞释放的多巴胺引起的，选择一种能够选择性抑制多巴胺的抑制剂对细胞进行孵育30min
±
5min，再使用高浓度的氯化钾刺激细胞，细胞产生电信号几乎可以忽略不计。
57.以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。