一种传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种传感器芯片及其制备方法，属于表面等离子体共振传感器芯片设计制备技术领域。所述芯片是由玻璃基片、金属膜、自组装膜以及金属氧化物与聚合物的复合薄膜由下至上依次排列而成的复合结构，采用聚合物包埋的方法将纳米金属氧化物成功的固定在传感器芯片表面，有效的提高了对目标气体的检测范围和灵敏度。本发明专利技术所述的方法简单，而且所制备的传感器芯片对二氧化硫具有很好的灵敏度且满足在常温条件下进行检测的要求，在5ppm～40ppm内具有良好的响应信号。

Sensor chip and its preparation method

The invention relates to a sensor chip and a preparation method thereof, which belongs to the field of surface plasmon resonance sensor chip design and preparation technology. The chip is a composite structure composed of glass substrate, metal film, self-assembled film and composite film of metal oxide and polymer followed from the order, using the method of polymer embedding will be fixed on the sensor chip surface of metal oxide nanoparticles successfully, effectively improve the target gas detection range and sensitivity. The method described in this paper is simple, and the sensor chip has good sensitivity to sulfur dioxide and meets the requirements of detection under normal temperature, and has good response signal in 5ppm ~ 40ppm.

【技术实现步骤摘要】
一种传感器芯片及其制备方法
本专利技术涉及一种传感器芯片及其制备方法，属于表面等离子体共振(Surfaceplasmonresonance,SPR)传感器芯片设计制备

技术介绍
在大气中，二氧化硫会氧化形成硫酸盐气溶胶，是环境酸化重要的前驱物。当大气中二氧化硫浓度达到为0.21ppm时，可使呼吸道疾病发病率增高，因此亟需实时监测环境中的二氧化硫浓度的工具。目前，针对二氧化硫气体的传感器多见于电化学传感器而光学类传感器则很少。作为光学传感器的一个重要代表，表面等离子体波共振传感器能够提供在线实时监控数据，为实时监测环境中有害气体提供了有效的工具。表面等离子体波共振是一种光学现象，对金属表面的介电常数、电介质厚度、折射率的变化极为敏感。一般来讲物理或者化学变化都可以影响金属表面的电介质的介电常数、厚度、折射率发生变化。表面等离子体波共振传感器具有实时、动态、灵敏度高、样品无需标记等特点。因此，基于表面等离子体共振技术的传感器已经被广泛应用于药物开发、食品安全、环境监测等各个领域。但是，表面等离子体波共振传感器在气体检测上的应用还面临着诸多问题，其核心就是制备针对某种气体的传感器芯片。如何在表面等离子体芯片上有效地制备均匀的纳米尺寸敏感膜，形成传感器芯片，使传感器保持在常温条件下对二氧化硫具有快速、高灵敏度、稳定的响应信号特性，需要合适的制膜方法，对制膜工艺也提出了更高的要求。目前针对二氧化硫的光学类传感器很少的原因与吸附二氧化硫气体分子的材料不无关联。已报道的关于吸附二氧化硫气体分子的材料主要有金属氧化物、离子液体、聚合物、有机金属框架。近年来，氧化锡、氧化铁、二氧化钛等金属氧化物作为吸附材料用于气体检测已得到广泛关注，尤其是二氧化钛，这是因为二氧化钛具有酸碱两性的表面化学性质，易于控制其表面的酸/碱反应。常规方法制备的金属氧化物薄膜表面与气体分子作用的有效面积有限，因此需要通过提高金属氧化物与气体分子的接触面积来提高其吸附效率。纳米粒子具有较高的比表面积，可以用于解决上述问题，但是如何将丰富的纳米粒子有效固定到传感器表面仍是一个热点问题。
技术实现思路
针对现有的表面等离子体共振传感器芯片在常温条件下检测二氧化硫存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种传感器芯片及其制备方法，所述芯片对二氧化硫具有很好的灵敏度且满足在常温条件下进行检测的要求，在5ppm～40ppm内具有良好的响应信号；首先对玻璃基片表面沉积的金属膜进行自组装修饰，再通过热聚合的方式在自组装膜上制备含金属纳米粒子的聚合物复合薄膜，从而得到所述芯片。本专利技术的目是通过以下技术方案实现的：一种传感器芯片，所述芯片是由玻璃基片、金属膜、自组装膜以及金属氧化物与聚合物的复合薄膜由下至上依次排列而成的复合结构。所述金属膜包括铝膜、银膜或金膜，优选金膜；金属膜的厚度优选40nm～50nm。制备所述自组装膜的自组装液为巯基丙烯酸、巯基乙胺或硫醇，硫醇的化学式为HS(CH2)nCH3，n＝5～18；所述金属氧化物与聚合物的复合薄膜中，金属氧化物是颗粒粒径为5nm～10nm的二氧化钛、三氧化二铁、氧化铝、氧化镍或氧化锡，聚合物为聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酰胺中的一种。一种本专利技术所述的传感器芯片的制备方法，所述方法步骤如下：步骤1.采用真空蒸镀的方法在玻璃基片上镀一层金属膜；步骤2.将蒸镀金属膜后的玻璃基片置于浓度为0.1mmol/L～1mmol/L的自组装液中浸泡12h～72h，将玻璃基片从自组装液中取出后冲洗、干燥，在金属膜上形成自组装膜；步骤3.将金属氧化物分散到纯度不小于去离子水的水中，超声混匀，得到浓度为10-7mol/L～10-5mol/L的悬浮溶液；步骤4.将功能单体、交联剂以及引发剂按1:(0.1～6):(0.1～1)的质量比进行混合，并超声脱气，得到混合溶液Ⅰ；步骤5.将悬浮溶液与混合溶液Ⅰ按1～3:20的体积比进行混合，先进行超声脱气，再通氮气3min以上，得到混合溶液Ⅱ；步骤6.沿自组装膜的周边粘帖一圈帕拉胶膜，帕拉胶膜与自组装膜之间形成一个凹槽；然后，将混合溶液Ⅱ加入到凹槽中，再在帕拉胶膜上放置硅烷化的玻璃片，使帕拉胶膜、自组装膜以及硅烷化的玻璃片之间形成一个密闭的反应空间；再将具有密闭的反应空间的玻璃基片置于充入保护气体的反应容器中，在50℃～80℃下反应3h～12h，在自组装膜上形成金属氧化物与聚合物的复合薄膜；最后，取下硅烷化的玻璃片以及帕拉胶膜，含有金属氧化物与聚合物的复合薄膜、自组装膜以及金属膜的玻璃基片即为所述芯片；所述功能单体为甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯或丙烯酰胺，且功能单体在混合溶液Ⅰ中的浓度为10mmol/L～550mmol/L；所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯或季戊四醇四丙烯酸酯；所述引发剂为偶氮二异丁腈或过硫酸钾；所述保护气体包括氮气或氩气。步骤2中，自组装液的浓度优选1mmol/L，浸泡时间优选24h。步骤3中，加入反应池中的混合溶液Ⅱ的量以填满密闭的反应空间即可。有益效果：本专利技术采用聚合物包埋的方法将纳米金属氧化物成功的固定在传感器芯片表面，有效的提高了对目标气体的检测范围和灵敏度，这是由于金属氧化物纳米粒子表面的特殊化学性质和较高的比表面积，能够有效的同目标气体作用，同时采用聚合物薄膜作为支撑物，将适量的金属氧化物纳米粒子嵌入其中，在保持其通透性的前提下，又丰富了纳米粒子数量，增加了作用位点；而且，所制备的传感器芯片对二氧化硫具有很好的灵敏度且满足在常温条件下进行检测的要求，在5ppm～40ppm内具有良好的响应信号，而且本专利技术所述的方法简单。附图说明图1为本专利技术所述传感器芯片的结构示意图。图2为本专利技术所述密闭的反应空间的结构示意图。图3为采用实施例1中所制备的传感器芯片吸附5ppm二氧化硫前后的SPR曲线图。图4为采用实施例2中所制备的传感器芯片吸附5ppm二氧化硫前后的SPR曲线图。其中，1-玻璃基片，2-金属膜，3-自组装膜，4-金属氧化物与聚合物的复合薄膜，5-帕拉胶膜，6-硅烷化的玻璃片。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步说明。以下实施例中：玻璃基片：折射率为1.845的LaSFN9玻璃；蒸镀金膜所用的金纯度为0.9999；烯丙基硫醇：70wt％，百灵威科技有限公司；巯基乙胺：95wt％，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二氧化钛：锐钛型二氧化钛，颗粒粒径5nm～10nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；高纯氮气的纯度大于99.99％；所述硅烷化的玻璃片为三甲基氯硅烷硅烷化的玻璃片；所述金属膜为金膜。实施例1如图1所示，一种传感器芯片由下至上依次由玻璃基片1、金属膜2、自组装膜3和金属氧化物与聚合物的复合薄膜4组成，该传感器芯片的具体制备步骤如下：步骤1.采用真空蒸镀的方法在玻璃基片1上镀一层厚度为49nm的金属膜2；步骤2.将蒸镀金属膜2后的玻璃基片1置于浓度为1mmol/L的烯丙基硫醇中，静止放置24h后，将玻璃基片1从烯丙基硫醇中取出，用无水乙醇冲洗并用高纯氮气吹干，在金属膜2上形成自组装膜3；步骤3.将二氧化钛粉体分散到蒸馏水中并超声混匀，得到浓度为1×10-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器芯片，其特征在于：所述芯片是由玻璃基片(1)、金属膜(2)、自组装膜(3)以及金属氧化物与聚合物的复合薄膜(4)由下至上依次排列而成的复合结构；所述金属膜(2)包括铝膜、银膜或金膜；制备所述自组装膜(3)的自组装液为巯基丙烯酸、巯基乙胺或硫醇；其中，硫醇的化学式为HS(CH2)nCH3，n＝5～18；所述金属氧化物与聚合物的复合薄膜(4)中，金属氧化物是颗粒粒径为5nm～10nm的二氧化钛、三氧化二铁、氧化铝、氧化镍或氧化锡；聚合物为聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯或聚丙烯酰胺。

【技术特征摘要】
1.一种传感器芯片，其特征在于：所述芯片是由玻璃基片(1)、金属膜(2)、自组装膜(3)以及金属氧化物与聚合物的复合薄膜(4)由下至上依次排列而成的复合结构；所述金属膜(2)包括铝膜、银膜或金膜；制备所述自组装膜(3)的自组装液为巯基丙烯酸、巯基乙胺或硫醇；其中，硫醇的化学式为HS(CH2)nCH3，n＝5～18；所述金属氧化物与聚合物的复合薄膜(4)中，金属氧化物是颗粒粒径为5nm～10nm的二氧化钛、三氧化二铁、氧化铝、氧化镍或氧化锡；聚合物为聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯或聚丙烯酰胺。2.根据权利要求1所述的一种传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述金属膜(2)的厚度为40nm～50nm。3.一种如权利要求1或2所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤1.采用真空蒸镀的方法在玻璃基片(1)上镀一层金属膜(2)；步骤2.将蒸镀金属膜(2)后的玻璃基片(1)置于浓度为0.1mmol/L～1mmol/L的自组装液中浸泡12h～72h，将玻璃基片(1)从自组装液中取出后冲洗、干燥，在金属膜(2)上形成自组装膜(3)；步骤3.将金属氧化物分散到纯度不小于去离子水的水中，超声混匀，得到浓度为10-7mol/L～10-5mol/L的悬浮溶液；步骤4.将功能单体、交联剂以及引发剂按1:(0.1～6):(0.1～1)的质量比进行混合，并超声脱气，得到混合溶液Ⅰ；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，韩守鹏，韦天新，孟祥尧，吴小兵，张炜，许杰，杨振宇，李卉，王洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军九二二三二部队，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11