[发明专利]一种柔性碳化钛聚苯胺气体传感芯片及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种柔性Ti₃C₂/聚苯胺气体传感芯片及其制备与应用，将Ti₃C₂/聚苯胺复合材料粉末超声分散在去离子水中，获得均匀的Ti₃C₂/聚苯胺水分散液；将Ti₃C₂/聚苯胺水分散液滴涂到柔性多指或二指叉形电极表面上，50～100℃下烘干，获得柔性Ti₃C₂/聚苯胺气体传感芯片；本发明气体传感芯片体积小，结构简单，可以大批量生产；其质地柔软，可折叠，应用在穿戴设备中具有较大潜力。不仅解决了单独Ti₃C₂芯片的气体传感性能中对乙醇和丙酮选择性差的问题，而且本发明获得的芯片具有一定的循环稳定性，对VOCs也具有较高的灵敏度。室温下对丙酮气体最低检测限为0.19ppm。

(一)技术领域

本发明涉及一种柔性Ti₃C₂/聚苯胺气体传感芯片及其制备方法与应用，特别涉及一种柔性Ti₃C₂/聚苯胺电子复合材料芯片及其制备方法，以及在气体传感器领域中的应用。

(二)背景技术

疾病的早期诊断和身体状况的监测对于降低死亡率和医疗费用非常重要。因此，为实现实时实地诊断，便携式和廉价诊断平台的开发越来越受到重视。要获得可靠的诊断平台，需要对与一定物理条件相关的特异性生物标志物进行高灵敏度、高选择性的检测。通过检测生物标志物(来源于呼吸、汗水、尿液等血液和代谢产物)，开发无创诊断平台是一种急需解决的技术难题。代谢异常会改变血液中的化学变化，而人体呼出气体中的挥发性有机化合物(VOCs)作为代谢副产物可以通过肺泡交换从人体中呼出。目前，已经发现糖尿病、肺癌、胃病等疾病与人体呼吸中VOCs有关。因此，在室温下对人体呼出气体中的VOCs选择性传感检测对早期疾病诊断和身体状况的监测具有重要意义。若要利用气体传感器检测人体呼出气体VOCs实现一些疾病的早期诊断与监测，这就要求传感器能够对疾病相对应的VOCs在低浓度下有所响应。例如，糖尿病患者的人体呼出丙酮气体浓度高于1.8ppm，而正常人的丙酮气体浓度在1.2～900ppb范围。但是目前能够在室温下超灵敏、有选择性地检测低浓度的VOCs如丙酮、乙醇、异戊二烯等挥发性有机气体的化学电阻型传感器的发展还不成熟。因此，探索低功耗、低浓度VOCs传感材料具有一定的挑战性。

石墨烯、硫化钼、MXene等二维纳米材料的出现，为气体传感阵列提供了更好的选择。MXene是一类新型碳/氮化物二维纳米层状材料。相比于石墨烯，MXene具有很多独特的优点，如：种类繁多、比表面积大、导电性能强以及能带宽度可调的性能。最近，ACSAppl.Mater.Interfaces,2017,9,37184–37190报道了Ti₃C₂-MXene在室温下对ppm级的乙醇、甲醇、丙酮和氨等所测VOCs表现出较灵敏的传感性能。但是其缺点是对所测VOCs的选择性较差。另外，由于Ti₃C₂有裸露的Ti原子，在空气不稳定，很难构建成有效器件。利用Ti₃C₂的优异的性能，与其他材料进行复合改性并且将复合材料与柔性叉形电极结合构成稳定器件成为提高对VOCs的选择性的有效路径之一。

针对以上问题，本发明提供了一种柔性Ti₃C₂/聚苯胺芯片及其制备方法以及在气体传感器中的应用。利用在芯片上吸附一定浓度的目标气体进行气体与芯片之间电子转移改变芯片本身的电导率进而产生电信号的原理，该柔性芯片实现了特殊的气体传感性能，对VOCs气体不仅表现出优异的灵敏度，更是对丙酮气体具有较高的选择性，在糖尿病检测方面表现出很好的发展前景。

(三)发明内容