新型纤维基光电异质结材料的制备方法及应用

本发明涉及光电传感纤维材料，尤其涉及一种新型纤维基光电异质结材料的制备方法及应用。

背景技术：

1、光电晶体管生物传感器作为一种光电晶体管器件，即将光信号转换为电信号的器件，被广泛应用于电子、通信、军事和医疗等领域。随着科学技术日新月异，人们的需求不断提升，关于柔性光电晶体管生物检测器的要求也是陡然上升，柔性衬底因为其柔软、轻便、成本低的特点受到越来越多的关注；但目前大多数光电生物传感器是电化学检测，难以应用于柔性可穿戴器件领域，应用范围具有局限性。

2、发明专利(申请号为cn201811181410.5)公开了一种柔性二硫化钼光电晶体管及其制备方法，该器件的柔性衬底选择pen材料，sio2作为半导体层，mos2作为吸光层，并通过运用衬底转移技术将器件从硅衬底上转移到pen衬底上，并且在衬底转移过程中对二硫化钼材料进行掺杂以降低其接触电阻，提高器件的性能和柔性。但是，该器件的制备过程中吸光层通过胶带粘在硅片上，器件的各结构之间相互关联性差，并未成为整体结构，使得该光电晶体管器件在应用时容易出现吸光层脱落或信号断开的问题，限制了其在光电领域的应用；另外，该器件的制备工艺复杂，耗时费力，不适合用于工业化批量生产。

3、发明专利(申请号为cn 115825194 a)公开了一种检测脲酶的光电化学生物传感器及其制备方法，以y6-pm6复合材料修饰的ito电极为工作电极，ag/agcl电极为参比电极，铂丝电极为对电极；该检测脲酶的光电化学生物传感器以ito/y6-pm6作电极材料，脲酶的浓度在10-3000mu/ml内，适用于多种场合脲酶活性的检测。但是，该器件样品预处理复杂、应用范围窄、背景噪声干扰严重、灵敏度低、耗时长等缺陷，存在一定的局限性，不能快速准确地对分析物进行检测；另外该器件的柔性欠佳，电化学的检测不适合应用于可穿戴电子生物检测领域。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的新型纤维基光电异质结材料的制备方法及应用，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新型纤维基光电异质结材料的制备方法及应用，将纤维基材先复合导电聚合物与纳米导电材料，得到导电聚合物纤维，再将导电聚合物纤维表面层层自组装复合量子点的异质结，以提高材料的光电流效应与响应灵敏度，使其适用于各种可穿戴光电晶体管生物传感器的领域，弥补现有技术的不足。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种新型纤维基光电异质结材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、制备至少两种无机氧化物量子点溶液；制备导电聚合物和纳米导电材料的混合溶液；所述无机氧化物量子点溶液的浓度为0.01～1mol/l；

4、s2、将纤维基材浸入步骤s1的所述混合溶液中，得到导电聚合物纤维，再将所述导电聚合物纤维交替循环浸入步骤s1的至少两种无机氧化物量子点溶液中，制得新型纤维基光电异质结材料；交替循环过程中，每次浸泡完成捞出后将纤维烘干，再进行下一次的浸泡。

5、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述无机氧化物量子点溶液包括氧化锌量子点溶液、氧化锡量子点溶液。

6、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述导电聚合物纤维每次浸入无机氧化物量子点溶液中的时间为10～15min，交替循环的次数为2～10次；所述纤维基材浸入所述混合溶液中的时间为5～20min。

7、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述混合溶液中导电聚合物与纳米导电材料的质量比为1:(0.002～0.01)。

8、作为本发明的进一步改进，所述纳米导电材料包括碳纳米管、石墨烯、石墨中的一种或多种，所述导电聚合物包括聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩，聚乙炔中的一种或多种。

9、作为本发明的进一步改进，所述混合溶液中导电聚合物的浓度为1.0wt％～1.3wt％，所述混合溶液中纳米导电材料的浓度为0.5wt％～1.0wt％。

10、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述纤维基材包括芳纶纤维、尼龙纤维、涤纶纤维、棉纤维、锦纶纤维、蚕丝纤维中的一种或多种组成的纤维束。

11、一种新型纤维基光电异质结材料的应用，所述新型纤维基光电异质结材料由上述中任一项所述的制备方法制得，所述新型纤维基光电异质结材料应用于生物传感领域。

12、作为本发明的进一步改进，具体应用方法为：将所述新型纤维基光电异质结材料作为栅极进行生物修饰，将导电聚合物纤维的两端涂覆导电浆料作为源漏极，与凝胶电解质进行组装，制得基于新型纤维基光电异质结材料的光电生物传感器。

13、作为本发明的进一步改进，基于新型纤维基光电异质结材料的光电生物传感器包括酶生物传感器、免疫生物传感器、核酸生物传感器、微生物生物传感器；所述基于新型纤维基光电异质结材料的生物传感器应用于检测尿酸、血清淀粉样蛋白或唾液酸生物物质。

14、本发明的有益效果是：

15、1、本发明的新型纤维基光电异质结材料的制备方法及应用，将纤维基材复合导电聚合物与纳米导电材料得到导电聚合物纤维，再将导电聚合物纤维交替循环浸入至少两种无机氧化物量子点溶液中，在导电聚合物纤维表面形成复合量子点的异质结，该异质结为电子从低到高的传输过程中提供阶梯能级，有利于形成更多的载流子，提高了纤维基材料的光电流效应与响应灵敏度。另外，交替循环浸入的方式在导电聚合物纤维表面形成了层层自组装的量子点层，从而在界面层形成分散的异质结，产生更多的电子空穴对，弥补了能量的不足；且分散的异质结抑制了异质结间电子-空穴对的复合，提高了材料的电荷分离效率，更有利于光电流的传输，进一步提高了材料的光电流响应，在制备基于新型纤维基光电异质结材料的光电晶体管生物传感器中具有良好的应用前景。

16、2、本发明引入了多种零维无机氧化物量子点材料，利用其载流子迁移率高，带隙窄，光敏性能良好的特点，使得制备的光电材料波长限制较小，具有几乎全波段的检测能力，因而提高了其光电性能和对低光照强度的敏感度以及拓宽了该材料应用于生物传感时的检测波长范围。多种无机氧化物量子点的加入可以使得在半导体材料表面形成异质结，不同的价带和导带值使得器件在吸收光照时可以发生多次跃迁，达到最大的光子分离和吸收性能；另外，零维的无机氧化物量子点材料容易与导电聚合物纤维表面的纳米导电材料复合，形成均匀致密的结构；在制备的基于新型纤维基光电异质结材料的生物传感器中，无机氧化物量子点与纳米导电材料以及导电聚合物材料协同配合，实现了导电性和光敏性的双重增效。

17、3、本发明将新型纤维基光电异质结材料作为栅极，通过生物物质与电极表面的结合将生物敏感物质复合到电极表面，能特异性的识别传感物质，再与源漏极、凝胶电解质组装，应用于可穿戴电子生物检测领域。本发明利用了导电聚合物和纳米导电材料之间的协同效应来提高材料的复合性能，利用了纳米导电材料石墨烯协同控制无机氧化物量子点的吸附效果，提高了材料的光敏性能和光吸收性，利用了复合量子点的异质结作用提高器件的光敏性能，优化了材料在生物传感领域的响应。该纤维基材料具有柔性佳、制备工艺简单、毒害性小、重复性佳、适合工业化批量生产、可检测普遍性的生物物质、灵敏度高，响应时间短等优点，可应用于各种可穿戴光电晶体管生物传感器领域。