二氧化鈦基納米傳感器的研究進展

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異的電化學和光電性能，是當前研究最為廣泛的材料之一。作為一種優秀的半導體材料，近年來已成為傳感器領域的研究熱點之一。由溶膠凝膠法、電沉積法、化學氣相沉積法、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構的二氧化鈦納米材料。該文綜述了近年來不同結構的TiO2基納米材料應用于氣體傳感器和生物傳感器的研究成果。

關鍵詞：二氧化鈦 納米材料 氣體傳感器 生物傳感器

中圖分類號：O61 文獻標識碼：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

隨著科技的進步，精確度低的數據已無法滿足科學研究的需要，研究開發高精度傳感器變得尤為重要。目前，傳感器已經被廣泛應用于工業生產、醫療診斷、生物工程等方面。

二氧化鈦（TiO2）是一種重要的無機寬帶隙半導體材料，由于其具有成本低、容易制備、物理化學性能優異等優點[1]而備受關注。TiO2納米材料已經成為研究最為廣泛的材料之一，被廣泛地應用于如太陽能電池、光催化以及傳感器等領域[2]。TiO2基納米材料在傳感器領域展現出了優異的性能[3]。該文綜述了近年來TiO2基納米材料應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，少數情況下為非晶態。實驗過程中所用的實驗條件（比如溫度）會對TiO2納米材料的最終結構產生一定的影響。

按照幾何結構劃分，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。同時我們認識到，由于TiO2納米材料具有高的比表面積，因此在應用于傳感器方面展現了巨大的優勢。

2 二氧化鈦基納米材料在傳感器領域的應用

2.1 TiO2基納米材料在氣體傳感器領域的應用

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換為本身電學量的器件[10]。TiO2納米材料由于具有高靈敏度、快響應、價格低、穩定性高等特點，被廣泛應用于氣體探測方面[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。實驗發現，非晶態未退火TiO2納米管陣列在100 ℃下表現出了較好的線性相關性以及較低的探測極限—— 2×10-4。

TiO2基納米材料不僅可以應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在FTO上生長TiO2種子層，然后依次利用退火技術以及水熱方法生長了TiO2薄膜并應用于氫氣的探測，在水熱法進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，響應時間短至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，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（約等于100倍）。

2.2 TiO2基納米材料在生物傳感器領域的應用

生物傳感器是一種將對生物物質的響應轉換為電信號的分析元件，它具有簡單易操作、響應時間短、高靈敏度等優點。近年來，由于食品安全、醫學研究方面的需求，生物傳感器受到了廣泛關注[14]。

TiO2納米材料除上文中提到的優點，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，將所構建的傳感器用作葡萄糖的檢測，實驗發現，傳感器對于葡萄糖具有良好的線性相應和較快的響應速度（3 s）。Cao等[16]利用溶膠凝膠法并結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構的銳鈦礦二氧化鈦，經過測試發現，樣品對葡萄糖溶液具有較高的響應。

3 結語

TiO2納米材料擁有較大的比表面積，具有靈敏度高、響應時間極短、穩定性能優良、生物相容性優異等優點，已成為近年來納米材料傳感器領域的研究熱點之一。

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體材料，所以電子傳輸速度會相對較慢，對傳感器的響應具有一定的影響。未來對于TiO2納米材料的改善工作也應具有針對性，比如，進行合理的摻雜、復合等。另外，雖然如今TiO2納米傳感材料蓬勃發展，但是很多技術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用進行進一步的研究。總之，TiO2納米材料在傳感器領域展示了巨大的優勢與活力，具有長遠的發展前景。

參考文獻

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