面向柔性无酶葡萄糖传感器的仿生微纳分级结构制备工艺研究

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柔性无酶葡萄糖传感器因在临床诊断、柔性可穿戴设备和体内植入器件等方面的重要性和潜在应用引起人们的广泛关注。目前,低成本地制备具有低检测限、高稳定性和高灵敏度的柔性无酶葡萄糖传感器仍存在一定的局限性。与此同时,仿生微纳分级结构因其大的比表面积逐步被研究者发现和应用,其在柔性无酶葡萄糖传感器方面的潜在应用也不容小觑。低成本和大面积地制备微纳分级结构的方法一直是研究的热点和难点所在。因此,本研究面向柔性无酶葡萄糖传感器应用,通过模拟计算发现微纳分级结构具有最优的性能,进而指导结构的设计和制备。研究提出以纳米仿生泡沫和银杏叶为模板的柔性仿生微纳分级结构制备工艺,重点研究了加工过程中影响微纳分级结构形成的因素,并将所得到的仿生微纳分级结构用于柔性无酶葡萄糖传感器的制备中,性能优异。具体的研究内容如下:首先,通过Comsol软件模拟分析基于平面、方形微结构、椭圆形微结构、三角形微结构和微纳分级结构的无酶葡萄糖传感器的性能。研究发现基于微纳分级结构的无酶葡萄糖传感器具有最快的响应速度,最大的循环伏安电流和最小的电子转移电阻。微纳分级结构的大比表面积特性使得其具有最短的电子传输路径,从而在无酶葡萄糖传感器的应用中表现出最优的性能。在此基础上,提出了一种基于纳米仿生泡沫模板的微纳分级结构制备工艺。纳米仿生泡沫价格低廉,还具有多孔状网络结构。研究在硅金字塔微结构表面镀银膜时引入纳米海绵泡沫,在微结构表面得到纳米多孔银膜。银膜催化刻蚀硅微结构后得到了稳定的硅微纳分级结构。多孔银膜具有更好的催化活性,生成的气体易于排出,从而在硅微结构表面可得到更均匀的纳米结构。研究多孔银膜的厚度对硅微纳分级结构的影响。然后将此结构作为模板,通过软刻蚀法得到PDMS微纳分级结构,并在其表面集成Pt/Au/PEDOT:PSS膜作为导电层、电化学沉积Ni O薄膜作为反应层,制备柔性无酶葡萄糖传感器。测试发现该传感器性能优异,具有高灵敏度(0.4775 m A·m M-1·cm-2)、高线性度(0.9979)、低工作电位(0.50 V)、低检测极限(0.371μM)和良好的抗干扰性。此外,提出了一种低成本的基于银杏叶模板的仿生微纳分级结构制备工艺。分析银杏叶表面的微纳分级结构特性,将其作为模板制备柔性PDMS微纳分级结构。通过研究加工过程中的参数如银杏叶的类型、脱模温度和脱模时间等对PDMS微纳分级结构的影响,优化微纳分级结构的加工工艺。通过在所得银杏叶仿生微纳分级结构表面集成Pt/Au/PEDOT:PSS膜作为导电层、电化学沉积Ni O薄膜作为反应层,制备柔性无酶葡萄糖传感器。测试发现该传感器性能优异,具有高灵敏度(0.7413 m A·m M-1·cm-2)、高线性度(0.9993)、低工作电位(0.55 V)、低检测极限(0.329μM)以及良好的抗干扰性。
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