二氧化钛基纳米传感器的研究进展

韩雪 郭天超 刘斯禹 高瑜 郑成娜 李晓

摘 要：二氧化钛纳米材料具备优异的电化学和光电性能，是当前研究最为广泛的材料之一。作为一种优秀的半导体材料，近年来已成为传感器领域的研究热点之一。由溶胶凝胶法、电沉积法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、直接氧化法以及水热法等方法可制备出不同结构的二氧化钛纳米材料。该文综述了近年来不同结构的TiO2基纳米材料应用于气体传感器和生物传感器的研究成果。

关键词：二氧化钛 纳米材料 气体传感器 生物传感器

中图分类号：O61 文献标识码：A 文章编号：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

随着科技的进步，精确度低的数据已无法满足科学研究的需要，研究开发高精度传感器变得尤为重要。目前，传感器已经被广泛应用于工业生产、医疗诊断、生物工程等方面。

二氧化钛（TiO2）是一种重要的无机宽带隙半导体材料，由于其具有成本低、容易制备、物理化学性能优异等优点[1]而备受关注。TiO2纳米材料已经成为研究最为广泛的材料之一，被广泛地应用于如太阳能电池、光催化以及传感器等领域[2]。TiO2基纳米材料在传感器领域展现出了优异的性能[3]。该文综述了近年来TiO2基纳米材料应用于气体传感器和生物传感器的研究成果。

1 二氧化钛纳米材料的制备

TiO2纳米材料可以由溶胶凝胶法[4]、电沉积法[5]、化学气相沉积法[6]、物理气相沉积法[7]、直接氧化法[8]以及水热法[9]等方法制备。由以上方法所制备的TiO2纳米材料多为金红石相和锐钛矿相，少数情况下为非晶态。实验过程中所用的实验条件（比如温度）会对TiO2纳米材料的最终结构产生一定的影响。

按照几何结构划分，TiO2纳米材料可以分为一维、二维、三维TiO2纳米材料，主要是利用不同的实验条件制备而成。同时我们认识到，由于TiO2纳米材料具有高的比表面积，因此在应用于传感器方面展现了巨大的优势。

2 二氧化钛基纳米材料在传感器领域的应用

2.1 TiO2基纳米材料在气体传感器领域的应用

气体传感器的主要工作是感知气体的存在以及其在体系中的含量，是一种将某一种待测气体的浓度转换为本身电学量的器件[10]。TiO2纳米材料由于具有高灵敏度、快响应、价格低、稳定性高等特点，被广泛应用于气体探测方面[3]。

Li等[11]利用阳极氧化法在钛基片上制备了TiO2纳米管阵列并在不同温度下用于O2的探测。实验发现，非晶态未退火TiO2纳米管阵列在100 ℃下表现出了较好的线性相关性以及较低的探测极限—— 2×10-4。

TiO2基纳米材料不仅可以应用于氧化性气体的探测，对还原性气体也有较好的敏感性能。Xia等[12]首先利用磁控溅射技术在FTO上生长TiO2种子层，然后依次利用退火技术以及水热方法生长了TiO2薄膜并应用于氢气的探测，在水热法进行之前种子层的生长是与前人工作最大的不同。实验表明，TiO2薄膜处在H2浓度为1×10-6条件下时，仍有4%的响应，响应时间短至9 s，具有较低的探测极限。Kim等[13]利用静电纺丝法制备了TiO2纳米纤维，实验表明，TiO2纳米纤维不仅可以用于氧化性气体NO2的探测，还对H2的存在有一定的反应，值得说明的是，其对NO2气体的探测极限低至5×10-7，在NO2气体浓度为其探测极限的100倍时，有较高的响应（约等于100倍）。

2.2 TiO2基纳米材料在生物传感器领域的应用

生物传感器是一种将对生物物质的响应转换为电信号的分析元件，它具有简单易操作、响应时间短、高灵敏度等优点。近年来，由于食品安全、医学研究方面的需求，生物传感器受到了广泛关注[14]。

TiO2纳米材料除上文中提到的优点，还具有良好的生物相容性，这使它成为一种前景光明的生物传感器敏感材料。

Kang等[15]利用电沉积技术在TiO2纳米管上修饰了Pt/Au纳米颗粒，然后再在上述材料上固载GOx，将所构建的传感器用作葡萄糖的检测，实验发现，传感器对于葡萄糖具有良好的线性相应和较快的响应速度（3 s）。Cao等[16]利用溶胶凝胶法并结合高温焙烧的方法在涂覆铟锡氧化物（ITO）玻璃表面制备了三维大孔结构的锐钛矿二氧化钛，经过测试发现，样品对葡萄糖溶液具有较高的响应。

3 结语

TiO2纳米材料拥有较大的比表面积，具有灵敏度高、响应时间极短、稳定性能优良、生物相容性优异等优点，已成为近年来纳米材料传感器领域的研究热点之一。

研究表明，TiO2纳米材料无论是作为气体敏感材料，还是生物敏感材料，都具备较好的敏感性能。但是由于TiO2纳米材料是一种宽带隙的半导体材料，所以电子传输速度会相对较慢，对传感器的响应具有一定的影响。未来对于TiO2纳米材料的改善工作也应具有针对性，比如，进行合理的掺杂、复合等。另外，虽然如今TiO2纳米传感材料蓬勃发展，但是很多技术仅仅是停留在研究阶段，未付诸于实践，这还需要一段时间对理论与实践应用进行进一步的研究。总之，TiO2纳米材料在传感器领域展示了巨大的优势与活力，具有长远的发展前景。

参考文献

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