一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法技术

一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，包括气敏复合材料的制备，所述气敏复合材料是具有核壳结构的CeO2@PANI纳米线，具体是通过制备非晶态的CeO2纳米线作为内核，经氢等离子处理后，在纳米线表面包覆非晶态的PANI形成外壳。本发明专利技术中制备的核壳结构的CeO2@PANI纳米线对NH3的选择性高、灵敏度高，在常温情况下对氨气的监测性能皆高于纯的PANI和未等离子处理的样品，对于浓度为100ppm时的氨气的响应达到了670%，对NH3的最低检测限值可低至50ppb；响应时间快、回复时间短，且随着放置时间的延长，响应时间缩短至45s，回复时间缩短至417s。至417s。至417s。

【技术实现步骤摘要】
一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，具体涉及一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]呼吸作为人体最基本的生理运动之一，为人体获取健康状况提供了大量的生理和病理信息。因此，呼吸诊断在人类健康监测中的研究越来越受到关注，特别是在人类正面临新冠病毒病(COVID
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19)等新病毒的挑战的情况下。目前，虽然已经开发出多种传感器用于监测心跳、呼吸等人体生理信息，但其体积大、操作复杂、响应差、检测限高等局限性，极大地限制了其进一步的实际应用。因此，探索方便、性价比高、性能优良的健康监测传感器仍是迫切需要的。
[0003]NH3浓度在人呼吸行为中的突变被证明与慢性肾脏疾病有关。由于聚苯胺(PANI)具有特殊的P型共轭结构，是一种室温NH3敏感材料，对于NH3具有优异的选择性，但是由于聚苯胺存在导电率不够高、工作性差，稳定性不好，作为NH3传感器材料使用时响应灵敏度较低，检测限较高，具有较长的响应/回复时间等问题，导致在很多需要检测限极低如肾脏疾病换着呼吸检测时很难达到检测目的。由于PANI是一种P型半导体，因而现有技术中采用属于N型半导体的金属氧化物与其复合，形成异质结效应，从而达到提高气敏性。目前采用金属CeO2、SnO2等金属和PANI形成CeO2@PANI、SnO2@PANI等复合材料，但是较单一的PANI灵敏度提高不明显，在响应性能仍然不理想，检测极限不足以检测和跟踪人体呼吸中的NH3，且依然存在响应回复时间较长。因此，进一步提高对NH3的检测水平、缩短响应/回复时间仍是亟待解决的问题。氧空位作为一种有效的电子受体，有望改善聚苯胺的气敏性能，这为聚苯胺产生的电子快速分离提供了机会。但是在引入氧空位过程中，氧空位在半导体或氧化物表面不稳定，容易失效，从根本上导致了复合材料的不稳定性能。因此，设计具有稳定氧空位的结构将是实现更高、更稳定气敏性能的关键问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法。有效提高了传感器材料对NH3的响应灵敏度的同时，大大缩短了响应/回复时间。
[0005]本专利技术目的通过如下技术方案实现：
[0006]一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，包括气敏复合材料的制备，其特征在于：所述气敏复合材料是核壳结构的CeO2@PANI纳米线，是通过制备非晶态的CeO2纳米线作为内核，经氢等离子处理后，在纳米线表面包覆非晶态的PANI形成外壳。
[0007]现有技术中是采用氧化物CeO2直接与PANI复合，是通过n型半导体CeO2与p型半导体PANI复合产生异质结效应，达到提高材料气敏性能的目的。
[0008]但是研究中发现，PANI作为一种室温NH3敏感材料，但是由于自身的特性，导致NH3的吸脱附困难，造成响应/回复时间较长；且导电率较低，电子储存和转移能力较低，使得响
应灵敏度较低、检测极限高，工作稳定性差，无法适用于较低浓度的NH3环境的检测。
[0009]本领域常常通过氢等离子处理在材料中引入更多氧空位，增强其电子储存和转移能力。但是通过等离子处理引入氧空位时，需要采用氧化物作为其引入氧空位的载体。但是在研究过程中发现，金属氧化物作为载体使用时，氧化物的组分、形貌结构对于氧空位的稳定性影响较大，当选择的氧化物及其结构不合适时，会导致氧空位引入量较少、均匀性差，且不能被有效固定，容易失效。以作为引入氧空位的载体为目的，我们发现CeO2制备成纳米线结构，通过等离子处理引入稳定的氧空位不易发生失效，再通过PANI在纳米线结构表面形成完整包覆后，进一步抑制氧空位流失，同时抑制了等离子共振(SPR)效应的发生。其中采用CeO2纳米线作为载体时，将其制备成纳米线结构，发现进行氢等离子处理后，引入了较多氧空位，且氧空位在纳米线结构的CeO2表面呈现均匀分布，且通过等离子处理，促进了纳米线结构的CeO2发生更多的自还原反应，在CeO2‑
表面生成更多固定的氧空位，增加氧空位含量的同时，等离子处理后形成了PANI、氧空位、CeO2三层的传输通道，随着时间的延长，氧空位与其余两者产生相互耦合协同作用逐渐增强，使得材料对于NH3响应/回复时间显著缩短。
[0010]进一步，上述非晶态的CeO2纳米线具体是以Ce(NO3)3.6H2O、NaOH为原料配成溶液制备前驱体，采用高温高压反应釜辅助形成CeO2纳米线。
[0011]进一步，上述Ce(NO3)3.6H2O浓度为0.5mM，NaOH的浓度为5M，两者按体积比1：7混合。
[0012]进一步，上述高温高压的处理时间为24小时，温度为100
‑
120℃。
[0013]进一步，上述氢等离子处理的真空度为0.1Pa，通入氢气的气流速为15
‑
20mL/min，功率为120W，反应时间为30min。
[0014]进一步，上述包覆非晶态的PANI具体是将经过等离子处理后的CeO2纳米线与浓度为1M的盐酸混合，再加入苯胺单体搅拌均匀，最后加入过硫酸铵的盐酸溶液，在0
‑
5℃条件下持续搅拌反应形成CeO2@PANI核壳结构。
[0015]进一步，上述过硫酸铵的盐酸溶液是将过硫酸钠加入1M的盐酸中搅拌30min，过硫酸铵和盐酸的摩尔体积比为1mmol：30mL。
[0016]进一步，上述CeO2纳米线、过硫酸铵和苯胺单体的摩尔体积比为1mol:1mol:54mL。
[0017]进一步，上述CeO2@PANI核壳结构形成后需要在真空度为0.1Pa下进行冷冻干燥，冷冻温度为
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60～
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65℃，冷冻时间为10
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12h。
[0018]在制备传感器过程中，直接将基底置于上述制备的具有核壳结构的CeO2@PANI纳米线溶液中，纳米线结构容易发生团聚，而在沉积成膜之前通过冷冻干燥处理后，使得纳米线结构更蓬松，在后续制备传感器薄膜的过程中不发生团聚，具有优异的分散性。
[0019]具体地说，一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
[0020](1)、制备CeO2纳米线
[0021]将浓度为0.5mM的Ce(NO3)3.6H2O溶液与浓度为5M的NaOH溶液按照体积比为1:7混合搅拌，搅拌速率为500
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800r/min，搅拌0.5
‑
1h至完全溶解，得到均匀透明无色的溶液前驱液，再将溶液置于100
‑
120℃下保温24h，反应结束后离心收集粉末，用去离子水和乙醇分别清洗3次，真空冷冻干燥12h，得到CeO2纳米线；
[0022](2)、等离子处理
[0023]将步骤(1)所述制备的CeO2纳米线置于坩埚中，调节真空度到达0.1pa时通入氢气，流速15
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20mL/min，功率120W，时间30min；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，包括气敏复合材料的制备，其特征在于：所述气敏复合材料是核壳结构的CeO2@PANI纳米线，是通过制备非晶态的CeO2纳米线作为内核，经氢等离子处理后，在纳米线表面包覆非晶态的PANI形成外壳。2.如权利要求1所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述非晶态的CeO2纳米线具体是以Ce(NO3)3.6H2O、NaOH为原料配成溶液制备前驱体，采用高温高压反应釜辅助形成CeO2纳米线。3.如权利要求1或2所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述Ce(NO3)3.6H2O浓度为0.5mM，NaOH的浓度为5M，两者按体积比1：7混合。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述高温高压反应釜的温度为100
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120℃，处理时间为24小时。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述氢等离子处理中通入氢气的气流速为15
‑
20mL/min，功率为120W，反应时间为30min。6.如权利要求1
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5任一项所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述包覆非晶态的PANI具体是将经过等离子处理后的CeO2纳米线与浓度为1M的盐酸混合，再加入苯胺单体搅拌均匀，最后加入过硫酸铵的盐酸溶液，在0
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5℃条件下持续搅拌反应形成CeO2@PANI核壳结构。7.如权利要求6所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述CeO2纳米线、过硫酸铵和苯胺单体的摩尔体积比为1mol:1mol:54mL。8.如权利要求7所述的一种监测慢性肾脏疾病呼吸传感器的制备方法，其特征在于：所述CeO2@PANI核壳结构形成后需要在真空度为0.1Pa下进行冷冻干燥，冷冻温度为

【专利技术属性】
技术研发人员：刘碧桃，王超，蔡忆雨，周维，徐丽，张婷婷，马旭，邓娅琴，谭庆，孔令宇，徐旭辉，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：