[发明专利]基于仿生蜂窝碳气凝胶材料的新型生物及气体传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种高精度三维立体传感器及其制备方法。

背景技术

以石墨烯和碳纳米管为代表的新型碳材料因其良好的导电性、导热性，高比表面积以及优良的机械性能而成为近十年来的研究热点并被广泛的应用于超级电容器，锂离子电池，有机电子元件，环境及生物传感器，以及生物界面材料等领域。但是近年来随着研究的逐步深入，研究人员发现，在将碳纳米管和石墨烯应用与这些领域时，由于在器件的加工过程中材料会产生堆叠，使得材料的有效工作区域面积大幅度降低，严重限制了器件的应用性能。

近两三年来，为了在原有的基础上进一步提高基于石墨烯和纳米碳管的材料的有效工作面积，研究人员将越来越多的精力投入到制备碳基三维材料上。研究发现，与二维结构的薄膜相比，由石墨烯与碳纳米管制得的三维结构由于在单位体积内具有更高的比表面积，因此在需要高比表面积的应用中，如生物传感器，气体传感器，超级电容器等，都有着更为优越的表现。但是如何快速简便制备结构可控碳气凝胶材料以及通过何种方式将其制备成有效的传感器，却依然是个挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于仿生蜂窝碳气凝胶的生物及环境传感器的制备方法，操作便捷，可控性强，制备成本低，适用于工业化大规模生产。

为达到上述目的，经研究，本发明提供如下技术方案：

1. 基于仿生蜂窝碳气凝胶材料的生物及化学传感器，包括棒状仿生蜂窝碳气凝胶电极及内置于碳气凝胶电极内部的金属电子收集器。所述电子收集器包埋于棒状仿生蜂窝碳气凝胶电极中，在冷冻干燥过程中与碳气凝胶电极形成有效连接。

构成所述仿生蜂窝碳气凝胶电极的材料为氧化石墨烯/多壁碳纳米管/nafion混合物，构成所述金属电子收集器的材料为铜丝、铂丝、金丝等。

基于仿生蜂窝碳气凝胶材料的生物及气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）将氧化石墨烯与多壁碳纳米管按照一定比例混合，使用超声粉碎机处理后，之后水浴超声时，来使制得的氧化石墨烯和多壁碳纳米管均匀混合。

2）将制得的氧化石墨烯/多壁碳纳米管混合溶液以一定比例与nafion混合，水浴超声混合均匀。

3）将制得的混合溶液置于注射器中，并将注射器与不锈钢平口针头相连接。

4）将金属丝电子收集器放置于不锈钢平口针头中，并推动注射器，使针头中充满混合溶液。

5）将不锈钢针头放置于液氮中快速冷冻。

6）将针头及注射器提出液氮放置一分钟，待周边稍微融化之后用力推挤，将针头中的棒状物重新置入液氮中冷冻。

7）将冷冻所得的棒状物冷冻干燥，得到氧化石墨烯棒状碳气凝胶电极。

8）改变氧化石墨烯/多壁碳纳米管/nafion的物质的量的配比来实现对电极形貌、孔径尺寸的控制。

9）通过加热还原或肼蒸汽还原，得到石墨烯碳气凝胶生物及气体传感器。

本发明的有益效果：本发明通过液氮快速冷冻干燥法来制备具有三维结构的多孔棒状传感器，有效提高了传感器的特征比表面积，并通过nafion的存在实现了三维结构孔径的控制以及对导电性的提高和增强，实现了对于多巴胺分子以及丙酮等有害气体分子的有效检测。同时，本发明成本低廉，制备方便，棒状电极也有利于实现对体内生物过程的监测，适合应用于生物组织工程及有害气体监测等应用中。

附图说明

图1：（a）仿生蜂窝碳气凝胶生物及气体传感器的结构示意图；（b）为（a）的截面视图；1为碳气凝胶电极，2为金属丝电子收集器。

图2：仿生蜂窝碳气凝胶生物及气体传感器构建过程示意图及形貌示意图; (a)内置直径为100微米铂丝的直径为0.6mm的碳气凝胶生物及气体传感器；(b)棒状碳气凝胶生物传感器横截面SEM图像； (c) 棒状碳气凝胶传感器侧面SEM图像；(d) 棒状碳气凝胶生物及气体传感器孔隙构成示意图。

图3：当仿生蜂窝碳气凝胶传感器中氧化石墨烯与多壁碳纳米管的摩尔比为2：1时，不同nafion浓度下气凝胶的SEM图像；(a)nafion浓度为0 (b) nafion浓度为25%；(c)nafion浓度为16.7% (d) nafion浓度为9.1%。

图4：仿生蜂窝碳气凝胶传感器对有害丙酮蒸汽的响应。

图5: (a)肼还原仿生蜂窝碳气凝胶电极在不同浓度多巴胺分子存在下循环伏安曲线；(b) 肼还原仿生蜂窝碳气凝胶传感器在不同多巴胺浓度下的DPV曲线；(c)图5(a)中峰值电流的拟合曲线；(d) 图5(b)中峰值电流的拟合曲线。