具体实施方式

本发明提供了一种石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道，由石墨烯管和分布于所述石墨烯管内表面的Au纳米颗粒组成。

在本发明中，所述石墨烯管的内径优选为0.6～0.8mm，更优选为0.7～0.8mm；所述石墨烯管的外径优选为0.75～1mm，更优选为0.9～1mm。在本发明中，所述石墨烯管由石墨烯组成的内径和外径为上述范围的中空管，其能够形成微流体通道，用于微量流体通过，在用于声表面波生物传感器时，能够提高传感器的灵敏度。

在本发明中，所述Au纳米颗粒的粒径优选为50～300nm，更优选为100～200nm。在本发明中，Au纳米颗粒具有很好的生物相容性，可以和蛋白质、氨基酸等生物分子结合，形成活性位点，且不破坏其生物活性。在本发明中，所述Au纳米颗粒的粒径为上述范围时，能够在石墨烯管内形成更多的活性位点吸附待检测氨基酸，进而将其用于声表面波生物传感器时，能够提高传感器的灵敏度。

本发明提供的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道，石墨烯具有大的比表面积，具有很强的表面吸附作用，能够吸附Au纳米颗粒，且与其结合紧密；Au纳米颗粒具有很好的生物相容性，可以和蛋白质等生物分子结合，形成活性位点，且不破坏其生物活性。故本发明提供的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道能够同时具有微流体通道和敏感元件的作用，可以用于构建生物传感器，实现不同浓度的氨基酸检测，且结构稳定，使用寿命长。

本发明还提供了一种石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用热丝化学气相沉积法在钽丝表面生长石墨烯，然后将石墨烯与钽丝分离，得到石墨烯管；

(2)采用双电极体系在所述步骤(1)得到的石墨烯管内电镀Au，得到石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道；所述双电极体系包括参比电极和对电极、电镀液和工作电极；所述参比电极和对电极为铂丝，所述电镀液为四氯金酸溶液，所述石墨烯管为工作电极。

本发明采用热丝化学气相沉积法在钽丝表面生长石墨烯，然后将石墨烯与钽丝分离，得到石墨烯管。

在本发明中，所述钽丝的直径优选为0.6～0.8mm，更优选为0.7～0.8mm；所述钽丝的长度优选为5～10cm，更优选为6～8cm。在本发明中，所述钽丝的直径决定石墨烯管的内径。

在本发明中，所述热丝化学气相沉积以钽丝作为热丝，以及沉积石墨烯管的支撑模板，采用热丝化学气相沉积法在其表面生长出石墨烯管。

本发明优选在热丝化学气相沉积前，对钽丝进行清洗。本发明对所述钽丝进行清洗的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的清洗方法，能够将所述钽丝表面的污染物去除即可。在本发明中，对所述钽丝进行清洗的方法优选为将钽丝用100～300目砂纸抛光，用以去除表面氧化物及杂质；然后分别在超纯水、无水乙醇和超纯水中各超声清洗5～10min后，室温干燥。在本发明中，对所述钽丝进行清洗为上述方法时能够去除钽丝表面的污染物，同时还能够使钽丝表面粗糙以便附着修饰粒子。

在本发明中，所述热丝化学气相沉积法的沉积工艺参数为：氢气流量优选为20～50sccm，更优选为30～40sccm；甲烷流量优选为10～25sccm，更优选为15～20sccm；交流灯丝电源输出电流优选为50～100A，更优选为60～80A；真空度优选为30～45Torr，更优选为35～40Torr；沉积时长优选为20min～1h，更优选为30min～50min。在本发明中，所述热丝化学气相沉积法的沉积工艺参数为上述范围时，能够在钽丝表面形成更加连续的石墨烯层。

热丝化学气相沉积完成后，本发明将所述石墨烯与钽丝分离，得到石墨烯管。本发明对所述石墨烯与钽丝分离的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方法，能够将石墨烯与钽丝分离即可。

得到石墨烯管后，本发明采用双电极体系在所述石墨烯管内电镀Au，得到石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道。

在本发明中，所述双电极体系优选包括参比电极和对电极、电镀液和工作电极；所述参比电极和对电极优选为铂丝，所述电镀液优选为四氯金酸溶液，所述石墨烯管为工作电极。

在本发明中，所述铂丝的外径优选为低于石墨烯管的内径。在本发明中，所述铂丝作为参比电极和对电极，在进行电镀时插入石墨烯管的内部，所述铂丝的外径低于石墨烯管的内径时能够防止铂丝与石墨烯管接触，造成短路。

在本发明中，所述四氯金酸溶液的浓度优选为10^-3～10^-1mol/L，更优选为10^-2～10^-1mol/L。在本发明中，所述四氯金酸溶液的浓度为上述范围时，更有利于在石墨烯管内部形成分布均匀且不堆积的Au纳米颗粒。

在本发明中，所述石墨烯管的长度优选为10～20mm，更优选为15～20mm。在本发明中，所述石墨烯管的长度为上述范围时，更有利于电镀的操作。

在本发明中，所述双电极体系的组装方法优选包括：将钽丝微插入石墨烯管的一端进行固定；用注射器向石墨烯管中通入四氯金酸溶液；再将铂丝从石墨烯管的另一端平行插入石墨烯管内部，将铂丝与石墨烯管浸入四氯金酸溶液中；所述铂丝与石墨烯管不接触。

在本发明中，所述石墨烯管较脆，直接以其作为工作电极与电路连接时，易破损。本发明通过将石墨烯管的一端微插入钽丝中固定住，然后将钽丝与电路连接，能够防止电路直接与石墨烯管连接时石墨烯破碎造成的电镀中断的操作问题，进而更有利于促进电镀顺利进行。

在本发明中，所述用注射器向石墨烯管中通入四氯金酸溶液能够在铂丝插入石墨烯管内部时充满电镀液，使电镀开始时石墨烯管内部即充满电镀液，进而有利于在石墨烯管内部形成均匀的Au颗粒。

在本发明中，将铂丝从石墨烯管的另一端平行插入石墨烯管内部，能够在电镀时，使Au颗粒分布于石墨烯管的内部。

在本发明中，所述铂丝与石墨烯管不接触，能够防止短路的发生。

在本发明中，所述铂丝与石墨烯管浸入四氯金酸溶液中的深度一致，优选为8～18mm，更优选为10～15mm。在本发明中，所述铂丝与石墨烯管浸入四氯金酸溶液中的深度为上述范围时，能够使Au颗粒更加均匀。

本发明优选在电镀的过程中，用注射器向石墨烯管中通入四氯金酸溶液。在本发明中，电镀的过程中随着金离子在石墨烯管内形成Au纳米颗粒，石墨烯管内部的四氯金酸溶液浓度变小，通过向石墨烯管中通入四氯金酸溶液，能够防止石墨烯管内部的四氯金酸溶液浓度变化导致的电镀效率变低，同时还能够促进石墨烯管内部Au纳米颗粒更加均匀的分布。

在本发明中，所述电镀优选为使用电化学工作站阶跃法在石墨烯管内电镀Au。

在本发明中，所述使用电化学工作站阶跃法在石墨烯管内电镀Au优选分为三个阶段：

第1阶段，电镀电位优选为-3～0V，更优选为-2～0V；沉积时间优选为0～2s，更优选为1～2s；

第2阶段，电镀电位优选为0～3V，更优选为1～2V；沉积时间优选为2～8s，更优选为4～6s；

第3阶段，电镀电位优选为-2～1V，更优选为-1～0V；沉积时间优选为0～2s，更优选为1～2s；

电镀圈数优选为20～50圈，更优选为30～40圈；

灵敏度优选为1×10^-3～1×10^-1，更优选为1×10^-2～1×10^-1；

每次电镀3～6min后，用注射器向石墨烯管中注入四氯金酸溶液；

使用电化学工作站阶跃法在石墨烯管内电镀Au优选为重复3～8次，更优选为4～6次。

在本发明中，每次电镀后用注射器向石墨烯管中注入四氯金酸溶液能够使石墨烯管内部充满四氯金酸溶液。本发明优选在用注射器向石墨烯管中通入四氯金酸溶液时取下石墨烯管，方便四氯金酸溶液的注入。

本发明提供的制备方法能够在石墨烯表面形成分布均匀且不堆积的Au颗粒。

本发明还提供了一种声表面波生物传感器，包括基底、设置于所述基底表面的叉指电极和设置于所述叉指电极表面的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道；所述石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道为上述技术方案所述石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道或上述技术方案所述制备方法制备得到的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道。

在本发明中，所述基底优选为压电单晶；所述压电单晶优选为铌酸锂、石英、锗酸铋或钽酸锂。在本发明中，所述基底起到支撑叉指电极和石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道的作用。

在本发明中，所述叉指电极的材料优选为铝、铂或金。在本发明中，所述叉指电极为上述材质时能够提高传感器的灵敏度。

本发明对所述声表面波生物传感器的制备方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的制备声表面波生物传感器的方法即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

(一)在本发明实施例的药品购买源如下：

3水合四氯金酸购置于阿法埃莎(中国)化学有限公司；

电化学工作站型号为660e购置于上海辰化仪器有限公司；

无水磷酸氢二钠购置于天津市大茂化学试剂厂；

无水磷酸二氢钠购置于天津市大茂化学试剂厂；

pH计型号为PhS-3C购置于上海仪电科学仪器股份有限公司；

L-赖氨酸购置于天津市光复精细化工研究所；

L-酪氨酸购置于天津市光复精细化工研究所。

(二)在下述实施例中，用双电极体系测试时间-电流曲线时，工作电极、参比电极和对电极插入被测液体中的长度为15mm，工作电极、参比电极和对电极之间的距离为15mm。

(三)石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道的制备方法：

(1)清洗钽丝：准备直径0.60mm，长度8cm钽丝。将钽丝用180目砂纸抛光，用以去除表面氧化物及杂质，然后分别在超纯水、无水乙醇、超纯水中各超声清洗10min后，室温干燥；

(2)热丝化学气相沉积制备石墨烯管：将步骤(1)清洗干净的钽丝，采用热丝化学气相沉积法在其表面生长出石墨烯管，沉积工艺参数为：氢气流量为50sccm，甲烷流量为25sccm，交流灯丝电源输出电流为100A，真空度为41Torr，沉积时长为40min；

(3)剪下一端钽丝，抽出石墨烯管，将石墨烯管分成17mm长度，采用双电极体系电镀Au，用石墨烯管作为工作电极，此处，工作电极先连接钽丝，再将石墨烯管一段微插入钽丝中固定住，铂丝作为参比电极和对电极，将石墨烯管插在铂丝上，铂丝与石墨烯管浸入四氯金酸溶液的深度一致，其浸入长度均为15mm；

(4)用注射器向石墨烯管中通入四氯金酸溶液(浓度为10^-2mol/L)，再将石墨烯管插在钽丝上，使用电化学工作站阶跃法电镀Au，电镀分为三个阶段：

第1阶段，电镀电位为-2V，沉积时间为1s；

第2阶段，电镀电位为2V，沉积时间为5s；

第3阶段，电镀电位为-1V，沉积时间为1s；

电镀圈数为43圈，灵敏度为1×10^-2，每次电镀5min后，取下石墨烯管；

(5)重复步骤(4)6次，共电镀Au 30min。

采用扫描电子显微镜对本实施例制备的石墨烯管进行测试，得到石墨烯管断面的SEM图如图1所示；

采用扫描电子显微镜对本实施例制备石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道进行测试，得到其内部结构放大2K倍的SEM图如图2所示；

采用扫描电子显微镜对本实施例制备石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道进行测试，得到其内部结构放大20K倍的SEM图如图3所示。

从图1可以看出，本发明制备的石墨烯管为厚度均匀的石墨烯管，在管层中，由多层石墨烯组成组装。

从图2和3可以看出，本发明制备的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道的内表面附着Au纳米颗粒，且Au纳米颗粒未发生团聚，均匀分布于石墨烯管的内表面。

实施例2

将实施例1制备的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道组装成声表面波生物传感器，使用石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道为延迟线型声表面波器件，使用石英作为基底材料，Al金属作为叉指电极。

将本实施例得到的声表面波生物传感器构建生物检测系统，对L-酪氨酸进行检测，具体过程如下：

步骤1，生物检测系统如图4所示；

步骤2，称取0.0906g的L-酪氨酸倒入10mL的容量瓶中，使用pH 7.4的PBS作为溶剂，配成浓度为5×10^-2mol/L的L-酪氨酸溶液，然后使用合适的移液枪，取适量的该浓度溶液进行稀释，分别稀释成1×10^-2mol/L、3×10^-2mol/L、1×10^-3mol/L、3×10^-3mol/L、5×10^{- 3}mol/L各浓度的L-酪氨酸溶液；再称取0.4g的NaOH倒入10mL的容量瓶，用超纯水定容，配制成1mol/L的NaOH溶液，再将其稀释成0.5mol/L的溶液。

步骤3，使用蠕动泵向石墨烯管电镀Au的微流体通道内通入PBS溶液，将其放在延迟线型声表面波器件上，通过网络分析仪测试其中心频率，再使用蠕动泵向石墨烯管电镀Au的微流体通道内通入1×10^-3mol/L的L-酪氨酸溶液，再将通入了L-酪氨酸溶液的石墨烯管电镀Au的微流体通道放入37摄氏度的恒温箱中，孵育半小时，再将其放在声表面波器件的叉指上记录此时的中心频率。

步骤4，使用0.5mol/L的NaOH溶液，超纯水分别依次通入石墨烯管电镀Au的微流体通道中，对其进行清洗，再通入PBS溶液，随后放在声表面波器件的叉指上记录此时的中心频率，再向石墨烯管电镀Au的微流体通道中通入浓度为5×10^-3mol/L的L-酪氨酸溶液，如步骤2中一样，将其放入37摄氏度的恒温箱中，孵育半小时，再将其放在声表面波器件叉指上记录此时的中心频率。

步骤5，重复步骤3的操作进行清洗，并再通入更高浓度的L-酪氨酸溶液进行测试，如此往复直至所有浓度测试结束。

在本实施例中，PBS缓冲溶液由0.1mol/L无水磷酸二氢钠和0.1mol/L无水磷酸氢二钠按19：81的比例配制而成，不同比例配置而成的PBS缓冲溶液有不同的pH值，该比例下配置的PBS缓冲溶液的pH值应为7.4，用pH计检测所得PBS缓冲溶液的pH值。

使用声表面波生物传感器检测L-酪氨酸时器件的中心频率随L-酪氨酸浓度的变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，本发明制备的声表面波生物传感器能够灵敏地检测不同浓度的L-酪氨酸，检测范围广，能够适用不同浓度的氨基酸的检测。并且，只要不人为造成石墨烯管发生破损，均可使用，在循环使用多次后，仍然具有优异的准确度。

实施例3

将实施例1制备的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道组装成声表面波生物传感器，使用石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道为延迟线型声表面波器件，使用石英作为基底材料，Al金属作为叉指电极。

将本实施例得到的声表面波生物传感器构建生物检测系统，对L-赖氨酸进行检测，具体过程如下：

步骤1，生物检测系统如图4所示；

步骤2，称取0.0731g的L-赖氨酸倒入10mL的容量瓶中，使用pH 7.4的PBS作为溶剂，配成浓度为5×10^-2mol/L的L-赖氨酸溶液，然后使用合适的移液枪，取适量的该浓度溶液进行稀释，分别稀释成1×10^-2mol/L、3×10^-2mol/L、1×10^-3mol/L、3×10^-3mol/L、5×10^{- 3}mol/L各浓度的L-赖氨酸溶液；再称取0.4g的NaOH倒入10mL的容量瓶，用超纯水定容，配制成1mol/L的NaOH溶液，再将其稀释成0.5mol/L的溶液。

步骤3，使用蠕动泵向石墨烯管电镀Au的微流体通道内通入PBS溶液，将其放在延迟线型声表面波器件上，通过网络分析仪测试其中心频率，再使用蠕动泵向石墨烯管电镀Au的微流体通道内通入1×10^-3mol/L的L-赖氨酸溶液，再将通入了L-赖氨酸溶液的石墨烯管电镀Au的微流体通道放入37摄氏度的恒温箱中，孵育半小时，再将其放在声表面波器件的叉指上记录此时的中心频率。

步骤4，使用0.5mol/L的NaOH溶液，超纯水分别依次通入石墨烯管电镀Au的微流体通道中，对其进行清洗，再通入PBS溶液，随后放在声表面波器件的叉指上记录此时的中心频率，再向石墨烯管电镀Au的微流体通道中通入浓度为5×10^-3mol/L的L-赖氨酸溶液，如步骤2中一样，将其放入37摄氏度的恒温箱中，孵育半小时，再将其放在声表面波器件叉指上记录此时的中心频率。

步骤5，重复步骤3的操作进行清洗，并再通入更高浓度的L-赖氨酸溶液进行测试，如此往复直至所有浓度测试结束。

本实施例中，PBS缓冲溶液的配制方法与实施例2相同。

使用声表面波生物传感器检测L-赖氨酸时器件的中心频率随L-赖氨酸浓度的变化曲线如图6所示。

从图6可以看出，本发明制备的声表面波生物传感器能够灵敏地检测不同浓度的L-赖氨酸，检测范围广，能够适用不同浓度的氨基酸的检测。

由实施例可知，本发明制备的声表面波生物传感器以石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道作为微流体通道和敏感元件，能够将微流体通道和敏感元件集为一体，制备方法简单；且得到的石墨烯管/Au纳米颗粒微流体通道结构稳定，能够适应宽浓度范围的氨基酸检测，使用寿命长。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。