基于导电聚合物凝胶的钾离子敏感传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于导电聚合物凝胶的钾离子敏感传感器的制备方法，包括以下步骤：制备PEDOT:PSS分散水溶液；在PEDOT:PSS分散水溶液中掺杂纳米金颗粒，形成均匀悬浮液；将悬浮液图形化并干燥成凝胶状微结构；对凝胶状微结构煅烧退火，形成稳定凝胶微结构；通过稳定凝胶微结构中的纳米金颗粒固定钾离子筛分子，形成钾离子敏感传感器。由根据本发明专利技术制备方法制得的钾离子敏感传感器是柔性的，具有较好的导电性且兼容图形化工艺，灵敏度高，结构稳定性好。好。好。

【技术实现步骤摘要】
基于导电聚合物凝胶的钾离子敏感传感器及其制备方法


[0001]本专利技术应用化学领域，具体涉及一种基于导电聚合物凝胶的钾离子敏感传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]钾离子广泛存在于自然界和人体内。钾离子对生物体具有重要的生理功能，因此在许多领域存在测定钾离子的需求。例如，钾离子是一种重要的农业肥料，需要测定土壤中的钾离子含量来进行科学施肥。钾离子是人细胞内液的主要阳离子，心肌和神经肌肉都需要有相对恒定的钾离子浓度来维持正常的应激性，需要测定血液中的钾离子含量来辅助医学治疗。
[0003]离子敏感传感器是一种在化学、环保、医学、食品、生物工程等领域得到广泛应用的电子化学传感器器件，其利用离子选择电极在复杂的被测物质中直接响应溶液中的诸如钾离子的目标离子，将感受的离子量转换成可用输出信号，迅速、灵敏、定量地测出目标离子的体积浓度。
[0004]常用的离子敏感电极有离子敏感场效应晶体管、膜电极、离子敏电极。这些离子敏感电极均由多层结构组成。多层结构的制备方法比较复杂，并且容易在制备过程中引入杂质，干扰离子敏感传感器自身的检测精度。此外，受限于材料的导电特性，离子敏感传感器一般选用刚性的或杨氏模量大的高导电材料，这制约了离子敏感传感器的应用场景。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种一体成型柔性钾离子敏感传感器的制备方法，该制备流程尤其简单、高效。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于导电聚合物凝胶的钾离子敏感传感器的制备方法，其包括以下步骤：制备PEDOT:PSS分散水溶液；在所述PEDOT:PSS分散水溶液中掺杂纳米金颗粒，形成均匀悬浮液；将所述悬浮液图形化并干燥成凝胶状微结构；对所述微结构煅烧退火，形成稳定凝胶微结构；通过所述稳定凝胶微结构中的所述纳米金颗粒固定钾离子筛分子，形成钾离子敏感传感器。
[0007]由上，本专利技术从微观上选用具有高导电性聚合物，制备成分子相互交联的凝胶态，且通过纳米金颗粒能够固定大量钾离子筛分子；从宏观上是一体化制备，比起多层结构，制备方法更为简单，减少了杂质干扰的可能性，有潜力做成纳米尺度，兼容微电子批量生产工艺，且具有形状弯折性，兼容柔性电子工艺。
[0008]在本专利技术一种可能的实现方式中，所述PEDOT:PSS分散水溶液中PEDOT:PSS的含量为1μg/mL至1g/mL。
[0009]由上，制备得到的钾离子敏感传感器的凝胶微结构尤其稳定且兼具多孔性，适用于各种应用场景。
[0010]在本专利技术一种可能的实现方式中，所述悬浮液中的纳米金颗粒的含量为1μg/mL至
1g/mL。
[0011]由上，制备得到的钾离子敏感传感器具备令人满意的灵敏度。在一些检测场景下，甚至比传统的离子敏电极更灵敏。
[0012]在本专利技术一种可能的实现方式中，所述图形化选自喷墨打印、掩膜喷射和图形转移。本专利技术的制备方法中由PEDOT:PSS、纳米金颗粒和水构成的均匀悬浮液可以容易地适用于喷墨打印掩模涂覆、图形转移等这些能够形成尤其薄且复杂图案的电极薄膜。此外，并且该悬浊液在干燥一段时间后，由于PEDOT:PSS分子之间的交联，粘度逐渐增大，由液态向半凝胶态，甚至向凝胶态转变，这样的特性使得可适用掩膜喷射作为图形化手段，即可以用铜箔等模板作为掩膜在其上施加PEDOT:PSS混合物。在一些实施方式中，电极薄膜的厚度可以薄至1nm，图案中的间隙最小可达到1nm。本专利技术的制备方法进一步改善了钾离子敏感传感器的微型化，为其在以往由于微型化不佳而受限的一些使用场景提供了应用可能性。
[0013]容易理解地，本专利技术的制备方法能够采用的图形化手段不限于上述列举的方式。由于由PEDOT:PSS、纳米金颗粒和水构成的均匀悬浮液是液态的，其可以广泛地用于各种用于构型的“模具”。并且该悬浊液在干燥一段时间后，由液态向半凝胶态，甚至向凝胶态转变，这样的特性使得其可适用一些用于固体构型的图形化手段。
[0014]在本专利技术一种可能的实现方式中，所述干燥是在室温至200℃的温度下进行。在本专利技术的制备方法中，干燥温度主要取决于所采用的图形化手段，并且干燥可以在图形化之前或之后进行，或与图形化同时进行。例如，如果采用掩膜喷射，那么可以在图形化前，在例如为100
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150℃的较高温度下进行干燥，迅速蒸发悬浊液中的水分，以提高悬浊液的粘度从而利于通过掩模形成精确图案。如果使用喷墨打印，那么可以在喷墨后，在例如为50
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80℃的较低温度下进行干燥，以避免由于快速干燥而造成凝胶状微结构的变形。如果使用图形转移，可以选择一边对待转移的基板进行加热一边用转移件沾取调配好的均匀悬浊液进行转移。在一些实施方式中，例如使用结构复杂的模具，则甚至可以在室温的环境下进行较为缓慢的干燥，以保证凝胶状微结构贴合模具形状。
[0015]在本专利技术的制备方法中，干燥主要是为了配合图形化以形成预定形状的凝胶状微结构。在凝胶状微结构中PEDOT:PSS部分交联，然而其交联度仍然很低，机械性能不足，容易解离成碎片微凝胶，因此该凝胶状微结构可以看作是亚稳定的。
[0016]在本专利技术一种可能的实现方式中，所述煅烧退火是所述煅烧退火是重复以下步骤a和b的N个循环：步骤a：在60℃至200℃之间的一个温度下保持30分钟至24小时；步骤b：在15分钟内升温至200℃后经过n个温度梯度逐级降温到20℃，其中n是选自1至20之间的整数，每个温度梯度持续5至60分钟。
[0017]在一些实施方式中，N为2、3、4、5或6。在一些实施方式中，n为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。在一些实施方式中，每个温度梯度持续5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟、30分钟、35分钟、40分钟、45分钟、50分钟、55分钟或60分钟。在一些实施方式中，N选自2、3或4，n选自2、3、4、5、6或9，且每个温度梯度持续20分钟、25分钟、30分钟、35分钟或40分钟。在一些实施方式中，N选自3或4，n选自3、4或5，且每个温度梯度持续25分钟、30分钟或35分钟。
[0018]由上，PEDOT:PSS在步骤a中从折叠状态延伸成线性长链，然后在步骤b中形成富含PEDOT结晶区域与PSS区域相交联的纳米纤维网络。重复步骤a、b以提高PEDOT:PSS的交联
度，并且增强已形成的纳米纤维网络。因此，在经过本专利技术的“煅烧退火”工艺后，原本在凝胶状微结构中松散的PEDOT:PSS交联形成纳米纤维网络，从而形成稳定凝胶微结构。该稳定凝胶微结构由于互联的纳米纤维连接形态可以在PEDOT：PSS吸水溶胀时保持机械完整性而不会解离成碎片，因此，可以保证由此制备得到的钾离子敏感传感器在液体环境下也能稳定持续工作，不易断裂脱落，为钾离子反应提供稳定的反应环境。
[0019]在本专利技术一种可能的实现方式中，所述钾离子筛分子为缬氨霉素或18
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冠醚
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于导电聚合物凝胶的钾离子敏感传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备PEDOT:PSS分散水溶液；在所述PEDOT:PSS分散水溶液中掺杂纳米金颗粒，形成均匀悬浮液；将所述悬浮液图形化并干燥成凝胶状微结构；对所述凝胶状微结构煅烧退火，形成稳定凝胶微结构；通过所述稳定凝胶微结构中的所述纳米金颗粒固定钾离子筛分子，形成钾离子敏感传感器。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PEDOT:PSS分散水溶液中PEDOT:PSS的含量为1μg/mL至1g/mL。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮液中的纳米金颗粒的含量为1μg/mL至1g/mL。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述图形化选自喷墨打印、掩膜喷射和图...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛茜男，潘志昊，段学欣，王榕恒，温杰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：