一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器。所述呼吸氨气传感器包括聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜为金属锗酸盐掺杂聚苯胺形成的薄膜，或所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜包括金属锗酸盐薄膜和附着在所述金属锗酸盐薄膜上的聚苯胺薄膜。所述呼吸氨气传感器具有优异的选择性、灵敏度、重复性、稳定性和响应恢复时间等性能，且在人体呼吸气氨气浓度实测中表现出良好的区分度。本发明专利技术所提供的呼吸氨气传感器的制备工艺简单、成本低廉、适合于批量生产。

A Respiratory Ammonia Sensor Based on Polyaniline/Semiconductor Metal Oxide Nanocomposite Film and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器及其制备方法
本专利技术属于电阻型薄膜气体传感器
和有机/无机复合纳米材料
，具体涉及一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器及其制备方法。
技术介绍
医学研究报告显示，人体代谢过程将会产生氨气，呼出气中的氨气浓度升高通常与肾脏疾病有关，例如正常人呼出气中的氨气浓度平均为0.96ppm，而晚期肾病患者的呼出氨气浓度平均为4.88ppm，是正常人呼出氨气浓度的5倍，因此，可通过检测人体呼出氨气浓度实现疾病初步诊断。呼吸诊断作为一种新型的疾病诊断技术，因具有对病人无损害和确诊准确性较高等特点而被人们广泛关注，逐渐成为一种很有发展前景的疾病诊断方式。氨气传感器是进行呼吸诊断常用的一种快速、便携、无损害的检测工具。常用的氨气传感器形式主要有电阻式、电容式、声表面波式、石英振子式。其中电阻式器件有着测量精度高、测量范围广、使用时限长、结构简单、频响特性好、易于实现小型化和整体化等优势。常用氨敏材料主要为高分子导电聚合物、半导体金属氧化物、碳系材料等。近年来，高分子导电聚合物被较多地应用于传感器，因为其具有丰富的官能团，能为气体吸附提供大量的吸附位点。但是高分子导电聚合物单独作为气敏材料却具有选择性差、抗湿性差和稳定性差等缺点。所以通常采用高分子导电聚合物与半导体金属氧化物或碳系材料复合，利用半导体金属氧化物或碳系材料的形貌优势修饰高分子导电聚合物，以增加纳米材料的比表面积，同时材料之间形成的异质结结构有助于气敏性能的进一步提升。申请号为201210376831.X的专利技术专利公开了一种聚苯胺/二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器及其制备方法，该专利技术利用半导体金属氧化物去修饰聚苯胺，以增大纳米材料的比表面积从而增大气体响应，有一定的氨气气敏响应。但上述方法制备的传感器检测下限仅为5ppm，无法达到病理检测的要求，且该传感器所有测试均是在干燥环境下进行，考虑到实际呼吸气检测时湿度引入所带来的影响，该传感器难以应用于实际呼吸气检测。
技术实现思路
专利技术要解决的问题为克服现有技术中呼吸氨气传感器由于选择性、灵敏度、以及抗湿性能的不足难以应用于实际呼吸检测的问题，本专利技术提供了一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器及其制备方法。用于解决问题的方案本专利技术提供了一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述呼吸氨气传感器包括聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜为金属锗酸盐掺杂聚苯胺形成的薄膜，或所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜包括金属锗酸盐薄膜和附着在所述金属锗酸盐薄膜上的聚苯胺薄膜。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述金属锗酸盐包括锗酸锶、锗酸钙、锗酸镁或锗酸钡中的一种或多种，优选为锗酸锶。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述金属锗酸盐为纳米线状材料，优选为通过水热法或静电纺丝制成的纳米线状材料。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜的厚度为100-5000nm，优选为60-800nm。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜通过将金属锗酸盐分散液、苯胺单体分散液、氧化剂分散液混合得到聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合材料，并通过成膜技术得到；或通过将所述金属锗酸盐分散液和聚苯胺分层成膜得到。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述呼吸氨气传感器还包括基底和叉指电极，所述基底包括聚酰亚胺基底、聚对苯二甲酸基底或硅基底，优选为聚酰亚胺基底，所述叉指电极优选为金叉指电极。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，所述叉指电极的数量为4-20对，宽度为40-180μm，叉指间隙为30-180μm。本专利技术还提供了一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)清洗基底，蒸镀叉指电极，得到基底器件；(2)制备金属锗酸盐分散液、苯胺单体分散液、氧化剂分散液；(3)将所述金属锗酸盐分散液和所述苯胺单体分散液混合均匀，并引入所述氧化剂分散液进行原位聚合得到聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合材料；(4)采用成膜工艺对步骤(3)得到的聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合材料进行薄膜沉积。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)清洗基底，蒸镀叉指电极，得到基底器件；(2)制备金属锗酸盐分散液、苯胺单体分散液、氧化剂分散液；(3)将所述氧化剂分散液加入到所述苯胺单体分散液中引发聚合反应得到聚苯胺；(4)采用成膜工艺对所述金属锗酸盐分散液进行薄膜沉积，得到金属锗酸盐薄膜，并在所述金属锗酸盐薄膜上采用成膜工艺对步骤(3)中得到的聚苯胺进行薄膜沉积，得到聚苯胺薄膜。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其中，在各自的步骤(2)中，所述金属锗酸盐分散液的浓度为0.1-1wt％。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其中，在各自的步骤(2)中，所述苯胺单体分散液采用1-10mol/L的盐酸、樟脑磺酸或硫酸溶液进行分散，优选采用盐酸溶液。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其中，在各自的步骤(2)中，所述氧化剂分散液采用的氧化剂包括过硫酸铵或六水氯化铁，优选为过硫酸铵。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其中，在各自的步骤(4)中，所述成膜工艺包括自组装、旋涂、滴涂、喷墨打印或电化学生长。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其中，所述制备方法还包括对所述基底器件进行表面电性处理。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其中，所述表面电性处理包括将所述基底器件依次放入PDDA、PSS溶液中浸泡处理5-20min。根据以上所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述PDDA溶液浓度为1-10mg/mL，优选为5mg/mL；所述PSS溶液浓度为0.1-10wt％，优选为0.1wt％。专利技术的效果(1)本专利技术所提供的呼吸氨气传感器具有较高的响应灵敏度，较低的检测下限，良好的选择性、重复性及长期稳定性；(2)本专利技术所提供的呼吸氨气传感器抗湿性能较好，在实际口腔呼吸氨气检测中有着良好的表现，对口腔呼吸的氨气浓度有良好的区分度；(3)本专利技术所提供的呼吸氨气传感器制备工艺简单、成本低廉、适合于批量生产。附图说明图1为实施例1所制备的聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜的SEM图；图2为实施例1所制备的聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜与对比例1所制备的纯聚苯胺薄膜的傅里叶红外光谱(FTIR)对比图；图3为实施例1所制备的基于聚苯胺/金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述呼吸氨气传感器包括聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜为金属锗酸盐掺杂聚苯胺形成的薄膜，或所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜包括金属锗酸盐薄膜和附着在所述金属锗酸盐薄膜上的聚苯胺薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述呼吸氨气传感器包括聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜为金属锗酸盐掺杂聚苯胺形成的薄膜，或所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜包括金属锗酸盐薄膜和附着在所述金属锗酸盐薄膜上的聚苯胺薄膜。2.根据权利要求1所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述金属锗酸盐包括锗酸锶、锗酸钙、锗酸镁或锗酸钡中的一种或多种，优选为锗酸锶。3.根据权利要求1或2所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述金属锗酸盐为纳米线状材料，优选为通过水热法或静电纺丝制成的纳米线状材料。4.根据权利要求1或2所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜的厚度为100-5000nm，优选为60-800nm。5.根据权利要求1或2所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合薄膜通过将金属锗酸盐分散液、苯胺单体分散液、氧化剂分散液混合得到聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合材料，并通过成膜技术得到；或通过将所述金属锗酸盐分散液和聚苯胺分层成膜得到。6.根据权利要求1或2所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述呼吸氨气传感器还包括基底和叉指电极，所述基底包括聚酰亚胺基底、聚对苯二甲酸基底或硅基底，优选为聚酰亚胺基底，所述叉指电极优选为金叉指电极。7.根据权利要求6所述的基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器，其特征在于，所述叉指电极的数量为4-20对，宽度为40-180μm，叉指间隙为30-180μm。8.一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)清洗基底，蒸镀叉指电极，得到基底器件；(2)制备金属锗酸盐分散液、苯胺单体分散液、氧化剂分散液；(3)将所述金属锗酸盐分散液和所述苯胺单体分散液混合均匀，并引入所述氧化剂分散液进行原位聚合得到聚苯胺/金属锗酸盐纳米复合材料；(4)采用成膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：太惠玲，张俊新，杨瑞雨，王斯，段再华，刘勃豪，蒋亚东，谢光忠，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51