[发明专利]一种水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器及其制备方法和应用，由含有聚丙烯酰胺/壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶前驱体溶液的石英晶片经过聚合与交联反应而得。由于壳聚糖分子结构中含有丰富的氨基基团，氧化石墨烯在表面及边缘上具有大量含氧基团，使得水凝胶可以作为亲水性材料，基于该水凝胶的石英晶体微天平传感器具有较高的灵敏度和响应性，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于湿度传感领域，特别涉及一种水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器及其制备方法和应用。

背景技术

常规水凝胶因力学性能差、响应速率慢等缺陷限制了其作为新型智能材料的应用。纳米材料的微观尺度结构和性质使其在电学、光学、力学、生物医学等领域展现出巨大的潜力。通过简单的制备方法将无机纳米材料添加入水凝胶中不但有利于提高水凝胶的力学性能，同时还能赋予水凝胶新的性能，例如环境响应性，导电性等。研究表明石墨烯通过刺激响应的聚合物和小分子化合物的修饰，其智能响应特性可以广泛应用于制动器、传感器等领域。

已有文献报道(Graphene oxide/chitosan nanocomposite coated quartzcrystal microbalance sensor for detection of amine vapors[J].SensorsActuators B：Chemical，2017，243：721-730.)使用简便的方法合成了氧化石墨烯/壳聚糖纳米复合材料，并将其用作石英晶体微天平传感器的传感材料以检测氨气。也有文献报道了(Humidity-sensing properties of chemically reduced graphene oxide/polymernanocomposite film sensor based on layer-by-layer nano self-assembly[J].Sensors Actuators B:Chemical，2014，197：66-72.)一种具有高性能湿度特性的rGO/聚二烯丙基甲基氯化铵纳米复合薄膜传感器，并探讨了其中作用机制，即湿度响应与GO的p型半导体行为和湿度诱导的PDDA/RGO薄膜的层间溶胀效应有关。

但是，石英晶体微天平传感器的长期稳定性和良好重复性有赖于其敏感薄膜的机械强度与结构上的功能性作用基团，聚丙烯酰胺/壳聚糖/氧化石墨烯复合的水凝胶具有上述敏感薄膜的优异特性，但以该复合水凝胶薄膜作为石英晶体微天平传感涂层探索湿度检测的研究均未有报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器及其制备方法和应用，基于该水凝胶的石英晶体微天平传感器具有较高的灵敏度和响应性，具有良好的应用前景。

本发明提供了一种水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器，由含有聚丙烯酰胺/壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶前驱体溶液的石英晶片经过聚合与交联反应而得。

所述丙烯酰胺/壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶前驱体溶液以丙烯酰胺为单体、壳聚糖与氧化石墨烯为功能组分、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂混合而得。

所述壳聚糖的脱乙酰度≥95％，黏度100～200MPa·s。

本发明还提供了一种水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器的制备方法，包括：

(1)配制壳聚糖水溶液；随后将氧化石墨烯水溶液和NaOH溶液加入壳聚糖水溶液中，得到壳聚糖/氧化石墨烯分散液；将N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和丙烯酰胺加入到分散液中，震荡均匀，在0-4℃下搅拌加入过硫酸钾溶液，得到丙烯酰胺/壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶前驱体溶液；

(2)将丙烯酰胺/壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶前驱体溶液旋涂到石英晶片上，于60-80℃反应6-12h，得到水凝胶薄膜修饰的石英晶体微天平传感器。