二氧化鈦基納米傳感器的研究進(jìn)展

韓雪 郭天超 劉斯禹 高瑜 鄭成娜 李曉

摘 要：二氧化鈦納米材料具備優(yōu)異的電化學(xué)和光電性能，是當(dāng)前研究最為廣泛的材料之一。作為一種優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料，近年來已成為傳感器領(lǐng)域的研究熱點之一。由溶膠凝膠法、電沉積法、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、直接氧化法以及水熱法等方法可制備出不同結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米材料。該文綜述了近年來不同結(jié)構(gòu)的TiO2基納米材料應(yīng)用于氣體傳感器和生物傳感器的研究成果。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦 納米材料 氣體傳感器 生物傳感器

中圖分類號：O61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（b）-0051-03

Abstract： titanium dioxide nano material has excellent electrochemical and optical properties， which is one of the most widely studied materials at present .As an excellent semiconductor material， it has become one of the hotspots of research in the field of sensors in recent years.This paper summarizes the research achievements of the titanium dioxide based nanomaterials applied to gas sensors and biosensors.

key Words：Titanium dioxide； Nano materials； Gas sensor； Biosensor

隨著科技的進(jìn)步，精確度低的數(shù)據(jù)已無法滿足科學(xué)研究的需要，研究開發(fā)高精度傳感器變得尤為重要。目前，傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、生物工程等方面。

二氧化鈦（TiO2）是一種重要的無機(jī)寬帶隙半導(dǎo)體材料，由于其具有成本低、容易制備、物理化學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點[1]而備受關(guān)注。TiO2納米材料已經(jīng)成為研究最為廣泛的材料之一，被廣泛地應(yīng)用于如太陽能電池、光催化以及傳感器等領(lǐng)域[2]。TiO2基納米材料在傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能[3]。該文綜述了近年來TiO2基納米材料應(yīng)用于氣體傳感器和生物傳感器的研究成果。

1 二氧化鈦納米材料的制備

TiO2納米材料可以由溶膠凝膠法[4]、電沉積法[5]、化學(xué)氣相沉積法[6]、物理氣相沉積法[7]、直接氧化法[8]以及水熱法[9]等方法制備。由以上方法所制備的TiO2納米材料多為金紅石相和銳鈦礦相，少數(shù)情況下為非晶態(tài)。實驗過程中所用的實驗條件（比如溫度）會對TiO2納米材料的最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。

按照幾何結(jié)構(gòu)劃分，TiO2納米材料可以分為一維、二維、三維TiO2納米材料，主要是利用不同的實驗條件制備而成。同時我們認(rèn)識到，由于TiO2納米材料具有高的比表面積，因此在應(yīng)用于傳感器方面展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。

2 二氧化鈦基納米材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 TiO2基納米材料在氣體傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

氣體傳感器的主要工作是感知氣體的存在以及其在體系中的含量，是一種將某一種待測氣體的濃度轉(zhuǎn)換為本身電學(xué)量的器件[10]。TiO2納米材料由于具有高靈敏度、快響應(yīng)、價格低、穩(wěn)定性高等特點，被廣泛應(yīng)用于氣體探測方面[3]。

Li等[11]利用陽極氧化法在鈦基片上制備了TiO2納米管陣列并在不同溫度下用于O2的探測。實驗發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)未退火TiO2納米管陣列在100 ℃下表現(xiàn)出了較好的線性相關(guān)性以及較低的探測極限—— 2×10-4。

TiO2基納米材料不僅可以應(yīng)用于氧化性氣體的探測，對還原性氣體也有較好的敏感性能。Xia等[12]首先利用磁控濺射技術(shù)在FTO上生長TiO2種子層，然后依次利用退火技術(shù)以及水熱方法生長了TiO2薄膜并應(yīng)用于氫氣的探測，在水熱法進(jìn)行之前種子層的生長是與前人工作最大的不同。實驗表明，TiO2薄膜處在H2濃度為1×10-6條件下時，仍有4%的響應(yīng)，響應(yīng)時間短至9 s，具有較低的探測極限。Kim等[13]利用靜電紡絲法制備了TiO2納米纖維，實驗表明，TiO2納米纖維不僅可以用于氧化性氣體NO2的探測，還對H2的存在有一定的反應(yīng)，值得說明的是，其對NO2氣體的探測極限低至5×10-7，在NO2氣體濃度為其探測極限的100倍時，有較高的響應(yīng)（約等于100倍）。

2.2 TiO2基納米材料在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

生物傳感器是一種將對生物物質(zhì)的響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號的分析元件，它具有簡單易操作、響應(yīng)時間短、高靈敏度等優(yōu)點。近年來，由于食品安全、醫(yī)學(xué)研究方面的需求，生物傳感器受到了廣泛關(guān)注[14]。

TiO2納米材料除上文中提到的優(yōu)點，還具有良好的生物相容性，這使它成為一種前景光明的生物傳感器敏感材料。

Kang等[15]利用電沉積技術(shù)在TiO2納米管上修飾了Pt/Au納米顆粒，然后再在上述材料上固載GOx，將所構(gòu)建的傳感器用作葡萄糖的檢測，實驗發(fā)現(xiàn)，傳感器對于葡萄糖具有良好的線性相應(yīng)和較快的響應(yīng)速度（3 s）。Cao等[16]利用溶膠凝膠法并結(jié)合高溫焙燒的方法在涂覆銦錫氧化物（ITO）玻璃表面制備了三維大孔結(jié)構(gòu)的銳鈦礦二氧化鈦，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，樣品對葡萄糖溶液具有較高的響應(yīng)。

3 結(jié)語

TiO2納米材料擁有較大的比表面積，具有靈敏度高、響應(yīng)時間極短、穩(wěn)定性能優(yōu)良、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點，已成為近年來納米材料傳感器領(lǐng)域的研究熱點之一。

研究表明，TiO2納米材料無論是作為氣體敏感材料，還是生物敏感材料，都具備較好的敏感性能。但是由于TiO2納米材料是一種寬帶隙的半導(dǎo)體材料，所以電子傳輸速度會相對較慢，對傳感器的響應(yīng)具有一定的影響。未來對于TiO2納米材料的改善工作也應(yīng)具有針對性，比如，進(jìn)行合理的摻雜、復(fù)合等。另外，雖然如今TiO2納米傳感材料蓬勃發(fā)展，但是很多技術(shù)僅僅是停留在研究階段，未付諸于實踐，這還需要一段時間對理論與實踐應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的研究?？傊?，TiO2納米材料在傳感器領(lǐng)域展示了巨大的優(yōu)勢與活力，具有長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。

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