一种PH传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于PH传感技术领域，尤其涉及一种PH传感器及其制备方法。

背景技术

酸碱度描述的是水溶液的酸碱性强弱程度，也是维持生物环境的健康平衡的重要观测指标，酸碱度的干扰和变化可能是生物系统中疾病和功能障碍的原因。PH传感器主要是通过检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器。由于PH值在细胞内有着重要作用，对了解生物体内部生理和病理过程有着重要意义，所以应用于生物医学的PH传感器越来越受到各国学者的关注，近年来得到显著发展。

目前为止，通过原理不同可以大致将PH传感器分为PH探针、基于场效应管的PH传感器以及PH荧光传感器。但PH探针器件整体尺寸较大，不利于在细胞等微小环境中测量，易在移动时损伤细胞；PH荧光传感器的信号则需要专用复杂仪器处理才能使用，而基于场效应管的细胞则具有检测稳定，灵敏度高等优点，但目前的基于场效应管的PH传感器大多生物相容性差等问题，限制了其在细胞领域的发展。

发明内容

基于此，有必要提供一种新的PH传感器及其制备方法。

本发明可采用如下技术方案：

一种PH传感器，其包括：

衬底，所述衬底包括位于其中部的衬底中间区，及设置于所述衬底中间区两侧的衬底侧区，所述衬底中间区设有位于其上方的上表面，所述衬底侧区设有位于其上方的上表面和位于上表面两侧的侧面；

敏感层，设置在所述衬底中间区的上表面上，所述敏感层包括敏感层中间区及位于所述敏感层中间区两侧的敏感层侧区，所述敏感层侧区包括位于其上方的上表面及两侧的侧面；

封装层，覆盖于所述衬底侧区的上表面和侧面，且覆盖于所述敏感层侧区的上表面和侧面；

金属氧化物场效应管，所述金属氧化物场效应管包括栅极，所述栅极的一侧与所述敏感层的一侧通过金属导线连接。

进一步的，所述金属导线自外向内贯穿所述封装层，以与所述敏感层的一侧连接。

进一步的，所述敏感层的材料包括复合丝基碳纳米纤维。

进一步的，所述复合丝基碳纳米纤维包括丝基碳纳米纤维、以及分布在所述丝基碳纳米纤维表面的镍纳米颗粒；

进一步的，所述衬底包括石英基底。

进一步的，所述封装层的材料包括环氧树脂。

上述PH传感器，采用纳米结构的扩栅型场效应管进行传感，通过扩栅结构使得金属氧化物场效应管与敏感层分开，仅将敏感层浸入溶液中，而将金属氧化物场效应管与化学环境隔离开，增强了长期稳定性。

金属氧化物场效应管选用商用晶体管(HEF4007UBD)，敏感层采用纳米结构，使其尺寸微小，有利于与微纳米机器人在进行细胞级操作时提供细胞微环境的酸碱度传感。

敏感层采用丝基碳纳米纤维，生物相容性好，不对细胞产生毒性从而影响细胞的存活率；且灵敏度高，更适合在细胞等微环境的微小酸碱度变化进行反馈。

本发明还可采用如下技术方案：一种PH传感器的制备方法，其包括如下步骤：

提供复合丝基碳纳米纤维；

将所述复合丝基碳纳米材料转移到一衬底上，形成敏感层；

在所述敏感层的一端通过银浆连接金属导线，所述金属导线的另一端与金属氧化物场效应管的栅极连接；

将所述敏感层的两端及所述衬底的两侧通过环氧树脂封装，以形成封装层。

进一步的，所述复合丝基碳纳米纤维通过以下步骤获得：

通过碱液对蚕丝进行脱胶；

配置深共晶溶液对所述脱胶的蚕丝纤维进行微纤维化，以形成蚕丝纳米纤维；

对所述蚕丝纳米纤维进行热处理，以形成丝基碳纳米纤维；

通过电化学沉积在所述丝基碳纳米纤维的表面修饰镍纳米颗粒。

进一步的，在将所述复合丝基碳纳米纤维转移到衬底上的步骤之前，还包括：

将所述衬底先用乙醇在超声下清洗，再用水在超声下清洗，然后烘干。

进一步的，还包括：所述封装层通过模具滴涂烘干形成图案化结构。

上述PH传感器的制备方法，其所得到的PH传感器，采用生物碳作为敏感材料，所以生物相容性好，一维的纳米结构具有高的比表面积，所以器件的灵敏度得到保证，整个传感器采用扩栅的结构，将金属氧化物场效应管与敏感层分开，所以器件的稳定性和重复性得到提高，能在复杂的细胞环境中进行稳定的酸碱度传感，上述新型的面对细胞监测的PH传感器整体器件尺寸微小，所以更适合与微纳米机器人结合，在细胞级操作时对微小的酸碱度变化进行反馈。

附图说明

图1为本发明一实施例的PH传感器的结构示意图。

图2为图1中敏感层的结构示意图。

图3为图1中的敏感层的PH响应图。

图中，1-衬底，14-衬底中间区，15-衬底侧区，2-敏感层，24-敏感层中间区，25-敏感层侧区，3-封装层，4-金属氧化物场效应管，5-栅极，6-金属导线，21-丝基碳纳米纤维，22-镍纳米颗粒。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1-2，本发明一实施例中公开了一种PH传感器，本实施例中，该PH传感器为新型的面对细胞监测的PH传感器，其包括：

衬底1，衬底1包括位于其中部的衬底中间区14，及设置于衬底中间区14两侧的衬底侧区15，衬底中间区14设有位于其上方的上表面，衬底侧区15设有位于其上方的上表面和位于上表面两侧的侧面；

敏感层2，设置在衬底中间区14的上表面上，敏感层2包括敏感层中间区24及位于敏感层中间区24两侧的敏感层侧区25，敏感层侧区包括位于其上方的上表面及两侧的侧面。

封装层3，覆盖于衬底侧区15的上表面和侧面，且覆盖于敏感层侧区25的上表面和侧面；

金属氧化物场效应管(MOSFET)4，金属氧化物场效应管4包括栅极5，栅极5的一侧与敏感层2的一侧通过金属导线6连接。金属导线6自外向内贯穿封装层3，以与敏感层2的一侧连接。

敏感层2的材料包括复合丝基碳纳米纤维，复合丝基碳纳米纤维包括丝基碳纳米纤维21、以及分布在丝基碳纳米纤维21表面的镍纳米颗粒22。

本申请的新型的面对细胞监测的PH传感器工作原理为：敏感层2的材料为复合丝基碳纳米纤维，将丝基碳化纤维浸入酸性或者碱性溶液中，氢离子或者氢氧根离子会与碳化纤维表面的羧基相互作用，在碳化纤维表面发生质子化和去质子化过程，使得敏感层表面电位发生改变，进而通过检测新型的面对细胞监测的PH传感器的阈值电压检测溶液的酸碱度。

其中，衬底的主要作用是，为其它各层提供支撑。

为了便于说明，将柔性衬底1划分为衬底中间区14、以及位于中间区两侧的两衬底侧区15。其中，衬底中间区14与敏感层2对应；两衬底侧区15与封装层3对应。

其中，敏感层2是柔性温度传感器的核心部件。敏感层2的材料为复合丝基碳纳米纤维。丝基碳纳米纤维由于局部具有石墨结构而具有导电性，而碳纳米纤维中的吡咯氮的含量以及额外的羧酸种类很大程度上决定了氢离子的质子化和去质子化，而镍(Ni)纳米颗粒可以进一步增加丝基碳纳米纤维表面的缺陷态，进一步提高新型的面对细胞监测的PH传感器的灵敏度。

复合丝基碳纳米纤维是一维材料。一维的复合丝基碳纳米纤维作为敏感层2，在结晶度、电学性能和灵活性方面比基于二维的场效应管具有更好的性能；在面对细胞微环境的检测时，采用一维的复合材料提供了更好的比表面积，使得新型的面对细胞监测的PH传感器具有更高的灵敏度和更小的器件尺寸，有利于与微型机器人结构，在进行细胞级操作时提供细胞微环境的酸碱度传感。

其中，可选地，衬底1为石英基底。当然，可以理解的是，本申请的衬底不局限于石英基底，还可以由本领域技术人员认为合适的其它材料制成。

其中，优选地，所述封装层3的材料为环氧树脂。环氧树脂为敏感层的纳米结构提供了保形覆盖，提高了器件整体的稳定性，延长了器件整体在复杂环境下的使用寿命。

本发明还提供了上述PH传感器的制备方法。

一种新型的面对细胞监测的PH传感器的制备方法，包括如下步骤：

提供复合丝基碳纳米纤维；

将复合丝基碳纳米材料转移到一衬底1上，形成敏感层2；

在敏感层2的一端通过银浆连接金属导线6，金属导线6的另一端与金属氧化物场效应管4的栅极5连接；

将敏感层2的两端及衬底的两侧通过环氧树脂封装，以形成封装层。

可选地，为了使衬底1更清洁，避免其它杂物的影响，在将所述复合丝基碳纳米纤维转移到衬底上的步骤之前，还包括：

将衬底1先用乙醇在超声下清洗，再用水在超声下清洗，然后烘干。

其中，可选地，复合丝基碳纳米纤维可通过如下步骤获得：

通过碱液对蚕丝进行脱胶，再配置深共晶溶液对脱胶蚕丝纤维进行微纤维化得到蚕丝纳米纤维，然后对所述蚕丝纳米纤维进行热处理以形成丝基碳纳米纤维，再通过电化学沉积在丝基碳纳米纤维的表面修饰镍纳米颗粒。通过上述方式，镍纳米颗粒可随机分布在丝基碳纳米纤维的表面，且通过控制电沉积的时间，可以有效地控制镍纳米颗粒的大小及形貌。采用蚕丝纳米纤维，做成的器件，其生物相容性更加优。其中，可选地，通过扫描电子显微镜(SEM)四手纳米操作系统将复合丝基碳纳米纤维转移到柔性衬底1上，多个复合丝基纳米纤维的取向一致。

可选地，封装层3通过模具滴涂烘干形成图案化结构。

上述新型的面对细胞监测的PH传感器的制备方法，其所得到的新型的面对细胞监测的PH传感器，采用生物碳作为敏感材料，所以生物相容性好，一维的纳米结构具有高的比表面积，所以器件的灵敏度得到保证，整个传感器采用扩栅的结构，将金属氧化物场效应管(MOSFET)与敏感层分开，所以器件的稳定性和重复性得到提高，能在复杂的细胞环境中进行稳定的酸碱度传感，上述新型的面对细胞监测的PH传感器整体器件尺寸微小，所以更适合与微纳米机器人结合，在细胞级操作时对微小的酸碱度变化进行反馈。

上述新型的面对细胞监测的PH传感器的制备方法，其所得到的PH传感器，生物相容性好、灵敏度高、稳定性和重复性好，而且器件尺寸微小，能在恶劣的细胞微环境下进行稳定酸碱度传感的优点，敏感层性能如图3所示。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。