一种微质量传感器的传感元件及其制备方法和应用

本发明涉及传感器，尤其涉及一种微质量传感器的传感元件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、微质量传感器是指用于纳克级别质量检测的传感器，是力学、微机电、信号处理等学科相互渗透形成的高新技术。在化学上，微质量传感器可以用于毒害气体和重金属粒子等的检测。微质量传感器按工作原理可分为两类：第一种是通过吸附物对微质量传感器敏感膜的电导特性的改变实现吸附物的检测，这种方法易受温度、背景气体的影响，并且无法用于检测一些中性粒子；第二种是通过吸附物对微质量传感器的谐振频率的改变实现质量检测，这种方法适用范围广，且具有直接数字量输出的特性，是一种十分有潜力的微质量检测方法。

2、微质量传感器的测试精度直接依赖于传感元件中敏感膜对质量变化的灵敏程度。自组装单层膜作为一种二维材料已成为材料科学领域的前沿研究课题，致密的自组装单层膜主要用于保护金属表面免受腐蚀。由于非化学吸附的金巯键在自组装单层膜中普遍存在，这就给自组装单层膜在微质量传感器的敏感膜领域创造了更大的空间，引起了人们的广泛关注。从微质量传感器敏感膜的角度来看，非致密的自组装单层膜由于其单层分子结构和非化学吸附的金巯键比例，显示出了对特定低浓度物质的反应敏感性，通过微质量传感器平台，可以将这些化学、生物和物理相互作用转化为电信号，其优点是其表面的非致密的自组装单层敏感膜可以容易地再沉积，而且所用材料成本低，但是此项技术的主要挑战在于现有的自组装单层敏感膜对质量变化的灵敏程度有待提高，进而导致微质量传感器的测试精度有待提高。

3、因此，亟需提供一种对质量变化的灵敏程度较高的微质量传感器的传感元件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种微质量传感器的传感元件及其制备方法和应用，本发明提供的微质量传感器的传感元件对质量变化的灵敏程度较高，能够用于检测水中的微量氧化物。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种微质量传感器的传感元件，包括自下而上依次设置的微天平芯片、金膜层和敏感层，所述敏感层由r-sh硫醇的乙醇饱和溶液经自组装得到。

4、优选地，所述微天平芯片为石英晶体芯片。

5、优选地，所述金膜层的厚度为50～150nm。

6、优选地，所述r-sh硫醇的r为分子量大于200的正烷基基团。

7、优选地，所述敏感层的厚度为1～5nm。

8、本发明还提供了上述技术方案所述微质量传感器的传感元件的制备方法，包括以下步骤：

9、(1)在微天平芯片的敏感区域沉积金膜，然后置于食人鱼溶液中浸泡，再依次进行洗涤和干燥，得到预处理微天平芯片；

10、(2)将r-sh硫醇的乙醇饱和溶液涂覆在所述步骤(1)得到的预处理微天平芯片的金膜面，进行自组装反应，得到微质量传感器的传感元件。

11、优选地，所述步骤(1)中浸泡的温度为20～28℃；浸泡的时间为3～8min。

12、优选地，所述步骤(2)中自组装反应的温度为20～28℃；自组装反应的时间为10～20min。

13、本发明还提供了上述技术方案所述微质量传感器的传感元件或者上述技术方案所述制备方法制备得到的微质量传感器的传感元件在检测水中氧化物的应用。

14、优选地，所述氧化物包括二氧化氯、次氯酸盐和次氯酸中的一种或多种。

15、本发明提供了一种微质量传感器的传感元件，包括自下而上依次设置的微天平芯片、金膜层和敏感层，所述敏感层由r-sh硫醇的乙醇饱和溶液经自组装得到。本发明通过在微天平芯片上设置金膜层，巯基(-sh)是一种具有较强亲核性的官能团，r-sh在金膜表面的物理吸附和化学吸附同时存在，在金膜层表面通过金巯键自组装形成单层敏感膜；水中的氧化物能够破坏r-sh在金膜表面的物理吸附和化学吸附作用，故单层敏感膜与水中的氧化物会发生腐蚀效应，且反应灵敏，因此，在传感元件中引入单层敏感膜作为敏感层后，能够利用水中氧化物对敏感层的腐蚀效应引起敏感层质量的改变，实现水中氧化物的定量检测。本发明提供的微质量传感器的传感元件对质量变化反应灵敏，能够实现检测水体中微量氧化物的目的；并且，由于水体中的氧化物只会腐蚀敏感层而不腐蚀金膜层，故本发明提供的微质量传感器的传感元件在使用后，可以去除敏感层，在金膜层上重新经过自组装形成敏感层，微天平芯片和金膜层可以循环使用，降低传感元件的制备成本。实施例结果显示，本发明提供的微质量传感器的传感元件对水中氧化物的检测灵敏度可达到0.03mg/l。

技术特征：

1.一种微质量传感器的传感元件，包括自下而上依次设置的微天平芯片、金膜层和敏感层，所述敏感层由r-sh硫醇的乙醇饱和溶液经自组装得到。

2.根据权利要求1所述的微质量传感器的传感元件，其特征在于，所述微天平芯片为石英晶体芯片。

3.根据权利要求1所述的微质量传感器的传感元件，其特征在于，所述金膜层的厚度为50～150nm。

4.根据权利要求1所述的微质量传感器的传感元件，其特征在于，所述r-sh硫醇的r为分子量大于200的正烷基基团。

5.根据权利要求1或4所述的微质量传感器的传感元件，其特征在于，所述敏感层的厚度为1～5nm。

6.权利要求1～5任意一项所述微质量传感器的传感元件的制备方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中浸泡的温度为20～28℃；浸泡的时间为3～8min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中自组装反应的温度为20～28℃；自组装反应的时间为10～20min。

9.权利要求1～5任意一项所述微质量传感器的传感元件或者权利要求6～8任意一项所述制备方法制备得到的微质量传感器的传感元件在检测水中氧化物的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述氧化物包括二氧化氯、次氯酸盐和次氯酸中的一种或多种。

技术总结
本发明提供了一种微质量传感器的传感元件及其制备方法和应用，属于传感器技术领域。本发明通过在微天平芯片上设置金膜层，在金膜层表面通过金巯键自组装形成单层敏感膜，将其作为敏感层；水中的氧化物能够与敏感层发生腐蚀效应，故在传感元件中引入单层敏感膜作为敏感层后，能够利用水中氧化物对敏感层的腐蚀效应引起敏感层质量的改变，实现水中氧化物的定量检测。并且，由于水体中的氧化物只会腐蚀敏感层而不腐蚀金膜层，故本发明提供的微质量传感器的传感元件在使用后，可以去除敏感层，在金膜层上重新经过自组装形成敏感层，微天平芯片和金膜层可以循环使用，降低传感元件的制备成本。

技术研发人员：韩京成,唐朝昭,周洋,黄跃飞
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17