本發(fā)明屬于生物質(zhì)資源利用領(lǐng)域，具體涉及一種生物濕度傳感器的自組裝制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、生物濕度傳感器憑借水分子在濕度敏感填料表面的吸附和脫附過程引發(fā)的實時電學(xué)信號波動這一特性，得以應(yīng)用于環(huán)境濕度變化、呼吸暫停、睡眠監(jiān)測等實時精準(zhǔn)監(jiān)測領(lǐng)域。

2、當(dāng)前，生物濕度傳感器的構(gòu)建主要基于柔性襯底與如碳納米管(以下簡稱為“cnt”)、碳化鈦(以下簡稱為“mxene”)等具備濕度高度敏感及電子特性的填料之間的良好界面相容性。然而，現(xiàn)有的制備手段通常需要對填料表面開展復(fù)雜的化學(xué)修飾，并經(jīng)歷繁冗、耗時的溶液澆筑、蒸發(fā)誘導(dǎo)其與基底共組裝的制備過程，來提升生物濕度傳感器在寬相對濕度范圍的靈敏性及可靠性。

3、因此，開發(fā)一種快速、一步自組裝的生物濕度傳感器的制備方法迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)生物濕度傳感器制備時間長、過程繁冗的問題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種生物濕度傳感器的自組裝制備方法。本發(fā)明的制備方法可在幾分鐘(<5分鐘)內(nèi)通過控制溶液中木聚糖顆粒的表面電荷特性和電泳沉積參數(shù)，與濕度敏感兼具電子特性的碳基填料一步自組裝為任意尺寸規(guī)格的木聚糖基濕度傳感器。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述方法制備的生物濕度傳感器，該生物濕度傳感器在寬相對濕度范圍內(nèi)仍具有優(yōu)異的濕度靈敏性及可靠性。

3、本發(fā)明的又一目的提供上述生物濕度傳感器的用途。

4、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

5、一種生物濕度傳感器的自組裝制備方法，包括以下步驟：

6、將具有不同表面電荷特性的木聚糖與水、對濕度敏感兼具電子特性的碳基填料按質(zhì)量比均勻混合形成前驅(qū)體溶液，將前驅(qū)體溶液通過電泳沉積于電極表面并干燥后，剝脫電極表面的沉積物即獲得木聚糖基生物濕度傳感器。

7、優(yōu)選地，所述木聚糖包括(但是不限于)陰離子接枝的改性木聚糖、保留4-o甲基葡萄糖醛酸支鏈程度較高的木聚糖、陽離子接枝的改性木聚糖中的一種。

8、例舉地，所述木聚糖包括有羧甲基木聚糖、季銨化木聚糖等改性木聚糖。

9、在一個優(yōu)選的實施方案中，所述木聚糖為羧甲基木聚糖，其制備步驟可以為：將木聚糖分散于堿溶液中活化后，再加入乙醇、異丙醇和氯乙酸鈉加熱至65℃反應(yīng)70分鐘，制得羧甲基木聚糖。

10、在一個優(yōu)選的實施方案中，所述木聚糖為季銨化木聚糖，其制備步驟可以為：木聚糖與季銨化試劑混合后，在40℃反應(yīng)24h，得到季銨化木聚糖。

11、在一個優(yōu)選的實施方案中，所述木聚糖為4-o甲基葡萄糖醛酸支鏈程度較高的木聚糖，其制備步驟可以為：將樺木木粉或脫木素樺木木粉與堿溶液混合，在90℃及攪拌下反應(yīng)3h，制得保留4-o甲基葡萄糖醛酸支鏈程度較高的木聚糖。

12、優(yōu)選地，所述的對濕度敏感兼具電子特性的碳基填料包括(但是不限于)為cnt、mxene、石墨烯類材料(例如氧化石墨烯，單層石墨烯，雙層石墨烯，多層石墨烯，石墨烯納米復(fù)合材料等)的一種。

13、優(yōu)選地，所述前驅(qū)體溶液中木聚糖和碳基填料的質(zhì)量比為0.3～3；所述前驅(qū)體溶液中木聚糖的質(zhì)量濃度為0.2～8wt％，碳基填料的質(zhì)量濃度為0.067～26.67wt％，余量為水(水的質(zhì)量補足前驅(qū)體溶液質(zhì)量至100wt％)。

14、優(yōu)選地，所述電泳沉積具體步驟為：將前驅(qū)體溶液置于工作電極和對電極之間，施加直流或者脈沖電壓一段時間。

15、更優(yōu)選地，施加直流電壓的程序是：施加電壓的時間為3～30分鐘，直流電壓為1～30v；施加脈沖電壓的程序是：初始電位0v，脈沖電壓為大小為1～30v，脈沖時間為0.1秒，脈沖關(guān)閉時間(電壓關(guān)閉的周期部分)為1秒，脈沖程序重復(fù)16～480個周期；工作電極和對電極選用的材質(zhì)包括(但是不限于)：ito/玻璃、銅、不銹鋼、石墨、鉑中的一種。

16、優(yōu)選地，所述的均勻混合的方法包括(但是不限于)：超聲破碎、高壓均質(zhì)中的一種。

17、優(yōu)選地，所述干燥的方式包括(但是不限于)：室溫干燥、冷凍干燥、加熱干燥中的一種。

18、表面攜帶負(fù)電電荷特性的木聚糖如：接枝羧甲基陰離子基團的改性木聚糖、保留4-o甲基葡萄糖醛酸支鏈程度較高類的木聚糖，是電泳沉積至陽極的驅(qū)動方式，表面攜帶正電荷特性的木聚糖如：季銨化接枝改性后具有陽離子基團的木聚糖，是電泳沉積至陰極的驅(qū)動方式。木聚糖利用空間位阻、范德華力、氫鍵等作用原位吸附及分散對濕度敏感的填料，以形成良好的界面屬性，并攜其電泳定向共組裝在陽極(因表面攜帶負(fù)電電荷特性的木聚糖)或陰極(因表面攜帶正電電荷特性的木聚糖)，從而實現(xiàn)一步法快速制備木聚糖基生物濕度傳感器。

19、本發(fā)明制備的木聚糖基生物濕度傳感器在寬相對濕度環(huán)境(以下簡稱“rh”)內(nèi)(14～89％)仍具有優(yōu)異的濕度靈敏性及可靠性，可用于監(jiān)測環(huán)境濕度變化或呼吸暫停、睡眠監(jiān)測等身體癥狀實時精準(zhǔn)監(jiān)測領(lǐng)域。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點及有益效果：

21、(1)本發(fā)明提供的一種電泳沉積驅(qū)動的快速自組裝木聚糖基生物濕度傳感器的制備方法最快可在1～5分鐘內(nèi)通過控制溶液木聚糖顆粒的表面電荷特性和電泳沉積參數(shù)，與濕度敏感兼具電子特性的無機填料一步自組裝為任意尺寸規(guī)格的木聚糖基濕度傳感器。

22、(2)本發(fā)明制備的木聚糖基生物濕度傳感器具有優(yōu)異的濕度靈敏性及可靠性，可廣泛應(yīng)用于監(jiān)測環(huán)境濕度變化或呼吸暫停、睡眠監(jiān)測等身體癥狀的實時精準(zhǔn)監(jiān)測領(lǐng)域。

23、(3)本發(fā)明克服了現(xiàn)有制備手段中的以下缺陷：對填料表面開展復(fù)雜的化學(xué)修飾，繁冗、耗時(＞4h)的與基底溶液澆筑、蒸發(fā)誘導(dǎo)的共組裝過程。

技術(shù)特征：

1.一種生物濕度傳感器的自組裝制備方法及其應(yīng)用，其特征在于，包括以下步驟：將木聚糖與水、碳基填料按質(zhì)量比均勻混合形成前驅(qū)體溶液，電泳沉積前驅(qū)體溶液于電極表面并干燥后，剝脫電極表面的沉積物即獲得木聚糖基生物濕度傳感器。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述的木聚糖包括陰離子接枝改性的木聚糖、保留4-o甲基葡萄糖醛酸支鏈程度較高的木聚糖、陽離子接枝改性的木聚糖中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述的碳基填料為碳納米管、碳化鈦、石墨烯類材料的一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體溶液中木聚糖的質(zhì)量濃度為0.2～8wt％，所述前驅(qū)體溶液中木聚糖和碳基填料的質(zhì)量比為0.3～3，前驅(qū)體溶液中溶劑為水，水的質(zhì)量補足前驅(qū)體溶液質(zhì)量至100wt％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述電泳沉積具體為：將前驅(qū)體溶液置于工作電極和對電極之間，施加直流或者脈沖電壓一段時間。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，施加直流電壓的程序是：施加電壓的時間為3～30分鐘，直流電壓為1～30v；施加脈沖電壓的程序是：初始電位0v，脈沖電壓為大小為1～30v，脈沖時間為0.1秒，脈沖關(guān)閉時間為1秒，脈沖程序重復(fù)16～480個周期；工作電極或?qū)﹄姌O選用的材質(zhì)包括：ito/玻璃、銅、不銹鋼、石墨、鉑中的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的均勻混合包括：超聲破碎、高壓均質(zhì)中的一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的干燥的方式包括：室溫干燥、冷凍干燥、加熱干燥中的一種。

9.一種由權(quán)利要求1～8任一項所述制備方法制得的一種木聚糖基生物濕度傳感器。

10.權(quán)利要求9所述的一種生物濕度傳感器在監(jiān)測環(huán)境濕度變化領(lǐng)域或制備監(jiān)測呼吸暫停、睡眠癥狀的實時裝置中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種生物濕度傳感器的自組裝制備方法及其應(yīng)用。所述方法包括：將具有不同表面電荷特性的木聚糖與水、對濕度敏感兼具電子特性的碳基填料按質(zhì)量比均勻混合形成前驅(qū)體溶液，將前驅(qū)體溶液通過電泳沉積于電極表面并干燥。該方法可在幾分鐘內(nèi)通過控制溶液木聚糖顆粒的表面電荷特性和電泳沉積參數(shù)，與濕度敏感兼具電子特性的碳基填料一步自組裝為任意尺寸規(guī)格的木聚糖基濕度傳感器，克服了現(xiàn)有技術(shù)中對填料表面開展復(fù)雜的化學(xué)修飾，繁冗、耗時的與基底溶液澆筑、蒸發(fā)誘導(dǎo)的共組裝過程。本發(fā)明制備的生物濕度傳感器具有優(yōu)異的濕度靈敏性及循環(huán)可靠性，并可應(yīng)用于監(jiān)測環(huán)境濕度變化或呼吸暫停、睡眠監(jiān)測等身體癥狀的實時精準(zhǔn)監(jiān)測領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：項舟洋,王宇晗,林謦怡,李利,陳文靖
受保護的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15