CN108978189B - 碳纳米管/聚吡咯复合纤维与制备方法及其在晶体管传感器中的应用 - Google Patents

碳纳米管/聚吡咯复合纤维与制备方法及其在晶体管传感器中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维与制备方法及其在晶体管传感器中的应用，属于生物传感器技术领域。本发明是在柔性纤维上包覆分散好的碳纳米管，然后将吡咯单体化学原位聚合到含有包覆碳纳米管的柔性纤维上，碳纳米管良好的热力学性能和导电性能，让它在柔性纤维表面和聚吡咯之间形成一种类似“桥梁”的作用更有利于线状聚吡咯的生长。而线状聚吡咯更有利于提高晶体管传感器的性能。本发明制备方法工艺简单、反应条件比较温和、生产成本较低、无污染，适合大规模制备纳米纤维晶体管，且制得的晶体管传感器只对乳酸具备检测能力，抗干扰性较强，且准确度高、灵敏度好，检测限低到1nM/L，而检测范围较宽，约为浓度为1nM/L～1mM/L的乳酸。

Description

碳纳米管/聚吡咯复合纤维与制备方法及其在晶体管传感器 中的应用
技术领域
本发明涉及有机电化学晶体管，属于生物传感器技术领域，具体地涉及一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维与制备方法及其在晶体管传感器中的应用。
背景技术
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。
有机电化学晶体管(OECTs)是近三十年发展起来的一种有机薄膜晶体管，自从1984年Wrighton等首次对OECTs进行报道后，OECTs的研究及其应用获得了广泛关注，尤其是在生物传感方面，生物传感器为将生物体的成份(酶，抗原，抗体，DNA等)或细胞，组织固定化在载体上作为敏感元件的传感器，近年来，随着生物科学，信息科学，和材料科学发展成果的推动，生物传感器技术飞速发展，如已有的葡萄糖传感器、乳酸传感器、抗坏血酸传感器、尿酸传感器和多巴胺传感器及肌氨酸传感器等。
例如，中国发明专利申请(申请公布号：CN106770588A，申请公布日：2017-05-31)公开了一种肌氨酸检测装置及其制备方法、应用；该肌氨酸检测装置包括一有机电化学晶体管以及栅电极，所述有机电化学晶体管的源漏电极连接有机半导体薄膜，所述栅电极表面沉积有金属纳米颗粒或碳纳米管，且栅电极上固定有肌氨酸氧化酶，当待测肌氨酸与栅电极上的肌氨酸氧化酶发生化学反应时，会引起栅电机的界面电势变化，最终通过测量有机电化学晶体管沟道电流的变化实现对肌氨酸浓度的检测。
又如中国发明专利申请(申请公布号：CN102735734A，申请公布日：2012-10-17)公开了一种非介入式葡萄糖传感器，它包括具有栅电极的有机电化学晶体管，所述栅电极的表面使用酶和纳米材料进行改性，所述纳米材料选自自由多壁碳纳米管和铂纳米颗粒组成中的任意一种，所述酶是葡萄糖氧化酶。
虽然上述两种传感器的材料中都使用到碳纳米管，然而其是对两种不同的物质(肌氨酸、葡萄糖)分别具备单一性检测的装置。
乳酸相对于葡萄糖而言，作为人体中的一大疲劳物质，是人体在肌体运动等身体机能产生能量消耗分解出的废弃物。特别是在运动过程中，伴随着大量乳酸产生，已超出身体分解乳酸所必需的维生素和矿物质等的供应，那么就会造成体内乳酸的堆积，从而对身体带来巨大伤害。乳酸生物传感器是体育上耐力项目科学训练的常用设备，已在抗疲劳保健食品检测中普遍应用，也是新型可降解塑料L-乳酸前体生产过程控制的主要参数。但是目前乳酸生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，今后一段时间里，生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强，选择性高的传感材料：提高信号检测器的寿命；生物响应的稳定性和生物传感器的微化性便携式等问题展开研究。
中国学位论文(2017-04-17，深圳大学，庄俊城，基于低微纳米材料的可穿戴电化学生物传感器电极研究)公开了通过改进后的Hummers法成功制备出氧化石墨烯，并通过溶剂法制备出G-PtNPs，作为电化学敏感材料制备出乳酸生物传感器，具有良好的检测稳定性和抗干扰性能，其检测线性范围为0～1.2mM，检出限为12.5μM。通过对人体汗液进行实时检测，发现该柔性乳酸传感器可以对人体汗液进行检测。缺点是该柔性乳酸传感器的实际检测范围较窄，且制作成本比较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种成本低、制作简易，且检测人体乳酸的下限低，抗干扰性强的碳纳米管/聚吡咯复合纤维与制备方法及其在晶体管传感器中的应用。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维，它包括柔性纤维层、包覆设置在所述柔性纤维层表面上的碳纳米管层及化学原位聚合在所述碳纳米管层上的线状聚吡咯层。
进一步地，所述柔性纤维层的材质为尼龙、棉、蚕丝、涤纶或腈纶中的一种。
最优的，所述柔性纤维层的材质为尼龙。
最优的，所述柔性纤维层的材质为棉。
最优的，所述柔性纤维层的材质为蚕丝。
最优的，所述柔性纤维层的材质为涤纶。
最优的，所述柔性纤维层的材质为腈纶。
为了更好的实现本发明的技术目的，本发明还提供了一种上述碳纳米管/聚吡咯复合纤维的制备方法，具体过程为：取表面清洁处理过的柔性纤维浸泡在碳纳米管分散液中，充分浸泡后取出得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，将表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维置于包含有助剂、吡咯单体和去离子水的混合溶液A中，室温下搅拌反应均匀后，再滴加包含有氧化剂、5-磺基水杨酸及去离子水的混合溶液B，控制温度为0～4℃，充分反应后取出，洗净、干燥即得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维。
进一步地，所述柔性纤维的表面清洁处理为在水、乙醇或其它有机溶剂中进行超声清洗、干燥。
进一步地，所述碳纳米管分散液为由碳纳米管、表面活性剂及去离子水与乙醇混合溶剂且质量比为(1～10):(3～30):(100～1000)的组分组成。
优选的，取质量比为1:3:100的碳纳米管、表面活性剂及去离子水与乙醇混合溶剂，超声条件下混合处理得到碳纳米管分散液。
优选的，取质量比为5:10:100的碳纳米管、表面活性剂及去离子水与乙醇混合溶剂，超声条件下混合处理得到碳纳米管分散液。
优选的，取质量比为10:20:100的碳纳米管、表面活性剂及去离子水与乙醇混合溶剂，超声条件下混合处理得到碳纳米管分散液。
进一步地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硬脂酸或甘胆酸钠中的至少一种。
优选的，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
优选的，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
优选的，所述表面活性剂为硬脂酸。
优选的，所述表面活性剂为甘胆酸钠。
进一步地，所述混合溶液A中，助剂的浓度为1～10g/L，所述助剂为蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐或蒽醌-2-磺酸钠盐中的一种。
优选的，所述助剂为浓度为1g/L的蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐。
优选的，所述助剂为浓度为4g/L的蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐。
优选的，所述助剂为浓度为6g/L的蒽醌-2-磺酸钠盐。
优选的，所述助剂为浓度为8g/L的蒽醌-2-磺酸钠盐。
优选的，所述助剂为浓度为10g/L的蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐。
进一步地，所述吡咯单体的浓度为6～32g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为6g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为10g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为15g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为20g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为23g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为25g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为28g/L。
优选的，所述吡咯单体的浓度为32g/L。
进一步地，所述混合溶液B中，氧化剂的浓度为100～300g/L，所述氧化剂为9-水合硝酸铁、三氯化铁、过硫酸铵或过硫酸钾中的至少一种。
优选的，所述氧化剂为浓度为100g/L的9-水合硝酸铁。
优选的，所述氧化剂为浓度为150g/L的三氯化铁。
优选的，所述氧化剂为浓度为200g/L的过硫酸铵。
优选的，所述氧化剂为浓度为220g/L的过硫酸钾。
优选的，所述氧化剂为浓度为250g/L的9-水合硝酸铁。
优选的，所述氧化剂为浓度为280g/L的9-水合硝酸铁。
优选的，所述氧化剂为浓度为300g/L的9-水合硝酸铁。
进一步地，所述5-磺基水杨酸的浓度为50～200g/L。
优选的，所述5-磺基水杨酸的浓度为50g/L。
优选的，所述5-磺基水杨酸的浓度为100g/L。
优选的，所述5-磺基水杨酸的浓度为120g/L。
优选的，所述5-磺基水杨酸的浓度为160g/L。
优选的，所述5-磺基水杨酸的浓度为200g/L。
为了进一步地实现本发明的技术目的，本发明还公开了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器，包括源漏电极及栅电极，所述源漏电极、栅电极均为碳纳米管/聚吡咯复合纤维制备得到。
与此同时，本发明还公开了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，包括如下制备过程：
取长度2～3cm的碳纳米管/聚吡咯复合纤维的两端分别固定在PVC塑料板上，在固定处涂抹有导电银浆，制备得到源漏电极；再取长度2～3cm的碳纳米管/聚吡咯复合纤维经表面活性处理制备得到栅电极，再将所述源漏电极与栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器，所述电解液为聚乙烯醇、磷酸及去离子水的混合液。
进一步地，所述电解液中，聚乙烯醇的浓度为50～150g/L，磷酸的浓度为50～150g/L。
进一步地，所述电解液为取相应质量的聚乙烯醇、磷酸及去离子水在60～80℃下的混合液。
进一步地，所述栅电极的表面活性处理过程如下：
取长度2～3cm的碳纳米管/聚吡咯复合纤维浸泡在浓度为1～10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中，冰浴条件下处理12～24h，取出，再次在冰浴条件下置于质量百分比浓度为0.5～3％的全氟磺酸溶液中处理12～24h，取出、冰浴条件下风干，即制备得到栅电极。
优选的，乳酸氧化酶溶液的浓度为5mg/mL。
优选的，全氟磺酸溶液的质量百分比浓度为2.0％。
此外，本发明还公开了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的应用，它在检测人体血液、汗液中乳酸浓度的电子皮肤传感器或织物中的应用，检测限为浓度为1nM/L～1mM/L的乳酸。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明设计的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，由于碳纳米管具备良好的热力学性能和导电性能，在碳纳米管上聚合得到线状聚吡咯，该线状聚吡咯有利于提高晶体管传感器的电学性能和传感性能；
2、本发明设计的晶体管传感器制备工艺简单，生产成本低、无污染，适用于大规模生产，同时，该晶体管传感器只对乳酸具备检测能力，抗干扰性较强，且准确度高、灵敏度好，检测限低到1nM/L，而检测范围较宽，约为浓度为1nM/L～1mM/L的乳酸；
3、本发明设计的晶体管传感器采用柔性基体材料，制备得到的晶体管传感器柔韧性较好，可将其制成电子皮肤传感器或者将其编织在织物中制成可穿戴式传感器，可实现实时监测人体血液中的乳酸浓度。
附图说明
图1为本发明尼龙/碳纳米管的SEM图；
图2为本发明尼龙/碳纳米管/聚吡咯的SEM图；
图3为图2的放大倍数图；
图4为本发明晶体管传感器对不同浓度乳酸的灵敏性测试图；
图5为本发明晶体管传感器对乳酸和其它干扰物质的选择性测试图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为1g碳纳米管、1g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的PA6尼龙纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡4h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取0.15g蒽醌-2-磺酸钠盐，1.8g吡咯单体溶解到去离子水中得到150mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取30g 9-水合硝酸铁，22.5g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于150mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加150mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例2
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为1g碳纳米管、1g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的蚕丝纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡4h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取0.15g蒽醌-2-磺酸钠盐，1.8g吡咯单体溶解到的去离子水中得到150mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取30g 9-水合硝酸铁，22.5g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于150mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加150mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例3
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为1g碳纳米管、1g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的涤纶纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡4h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取0.15g蒽醌-2-磺酸钠盐，1.8g吡咯单体溶解到的去离子水中得到150mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取30g 9-水合硝酸铁，22.5g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于150mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加150mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例4
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为1g碳纳米管、1g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的PA6尼龙纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡4h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取0.15g蒽醌-2-磺酸钠盐，2.4g吡咯单体溶解到的去离子水中得到200mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取60g 9-水合硝酸铁，30g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到200mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于200mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加200mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为1000r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为5mg/mL的乳酸氧化酶溶液中12h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中12h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例5
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为1g碳纳米管、1g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的腈纶纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡2h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取0.25g蒽醌-2-磺酸钠盐，3.0g吡咯单体溶解到的去离子水中得到250mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取50g 9-水合硝酸铁，20g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于250mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加200mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例6
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为0.1g碳纳米管、0.1g十二烷基硫酸钠及去离子水与乙醇各5g，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的棉纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡2h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取0.10g蒽醌-2-磺酸钠盐，1.2g吡咯单体溶解到的去离子水中得到100mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取20g 9-水合硝酸铁，14g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到100mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于100mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加100mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为1000r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为5mg/mL的乳酸氧化酶溶液中12h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中12h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例7
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为5g碳纳米管、10g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的腈纶纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡2h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取1.25g蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐，5.0g吡咯单体溶解到的去离子水中得到250mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取15g 9-水合硝酸铁，7.5g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于250mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加150mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例8
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为5g碳纳米管、10g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的腈纶纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡2h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取2.0g蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐，7.0g吡咯单体溶解到的去离子水中得到250mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取20g 9-水合硝酸铁，15g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于250mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加150mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
实施例9
本实施例提供了一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置碳纳米管分散液：取质量分别为5g碳纳米管、10g十二烷基硫酸钠及100g去离子水，混合后超声处理1个小时，即得碳纳米管分散液；
2)制备表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维：取表面经乙醇超声清洗过的腈纶纤维置于所述步骤1)的碳纳米管分散液中反复浸泡2h，取出、水洗、干燥即得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维；
3)配置混合溶液A：取2.5g蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐，8.0g吡咯单体溶解到的去离子水中得到250mL混合溶液A；
4)配置混合溶液B：取45g 9-水合硝酸铁，30g 5-磺基水杨酸溶解到去离子水中得到150mL混合溶液B；
5)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维：取长宽各为20cm的步骤2)的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，置于250mL混合溶液A中，室温搅拌10分钟后，再滴加150mL混合溶液B，在0℃的水浴条件下，控制搅拌速度为800r/min，搅拌反应4h，取出、采用乙醇、去离子水清洗后，常温下风干，即制备得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
6)配置电解液：取1g聚乙烯醇，1g磷酸和10mL去离子水混合，在60℃的温度下，搅拌溶解，得到电解液；
7)制备碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器：
7a)制备晶体管传感器的源漏电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，在沿长度的两端涂抹导电银浆，中间留出2mm的长度不涂抹，然后把此涂抹导电银浆的纤维固定在PVC塑料板上，作为晶体管传感器的源漏电极；
7b)制备晶体管传感器的栅电极：取长度2cm的步骤5)制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维，冰浴条件下浸泡在浓度为10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中24h，取出后继续在冰浴条件下浸泡在质量百分比浓度为2％的全氟磺酸溶液中24h，取出，冰浴条件下风干，即制备得到晶体管传感器的栅电极；
7c)晶体管传感器的组装：将步骤7a)的源漏电极与步骤7b)的栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的所述步骤6)配置的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器。
本实施例制备的晶体管传感器可制作电子皮肤传感器或织物，用于检测人体血液或汗液中的乳酸浓度。
采用pH＝6.5的PBS溶液来稀释乳酸，得到不同梯度(1nM/L、10nM/L、100nM/L、1uM/L、100uM/L、1mM/L)的乳酸溶液，然后将其依次分别滴加在上述实施1～实施例9制备得到的晶体管传感器的电解液涂覆处，在各个晶体管传感器的g极施加1.0V的固定电压，测量d极和s极两端的电流，得出该晶体管传感器的乳酸敏感曲线，其中，本发明实施例1的晶体管传感器的乳酸敏感曲线如图4所示，结合图4可知，本发明的晶体管传感器对浓度为1nM/L～1mM/L的乳酸溶液均具备积极的响应，其中，随着乳酸浓度的梯度增加，本发明晶体管传感器的响应能力也随着增加，由图4可知，本发明晶体传感器对乳酸的检测限低至1nM/L，且对乳酸具备较宽的检测范围。
如图5可知，本发明制备的晶体管传感器只对乳酸响应，除乳酸以外的抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、葡萄糖、肌酸酐等都不具备响应能力，故本发明的晶体管传感器具备较强的抗干扰能力。
本发明实施例1制备的表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维如图1所示，本发明实施例1制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维如图2、图3所示，结合图1、图2和图3可知，碳纳米管在柔性纤维表面和聚吡咯之间起了一种类似“桥梁”的作用，在碳纳米管表面更好的生成了线状聚吡咯，而该线状聚吡咯不同于颗粒状聚吡咯，能够更好的提高晶体管传感器的电学性能和传感性能。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维，其特征在于：它包括柔性纤维层、包覆设置在所述柔性纤维层表面上的碳纳米管层及化学原位聚合在所述碳纳米管层上的线状聚吡咯层；由所述复合纤维构建的晶体管传感器只对乳酸具备检测能力；
且该复合纤维的制备过程如下：
取表面清洁处理过的柔性纤维浸泡在碳纳米管分散液中，充分浸泡后取出得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，将表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维置于包含有助剂、吡咯单体和去离子水的混合溶液A中，室温下搅拌反应均匀后，再滴加包含有氧化剂、5-磺基水杨酸及去离子水的混合溶液B，控制温度为0～4℃，充分反应后取出，洗净、干燥即得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
所述碳纳米管分散液为由碳纳米管、表面活性剂及去离子水与乙醇混合溶剂且质量比为(1～10):(3～30):(100～1000)的各组分组成，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硬脂酸或甘胆酸钠中的至少一种；
所述混合溶液A中，助剂的浓度为1～10g/L，吡咯单体的浓度为6～32g/L，所述助剂为蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐或蒽醌-2-磺酸钠盐中的一种；
所述混合溶液B中，氧化剂的浓度为100～300g/L，5-磺基水杨酸的浓度为50～200g/L，所述氧化剂为9-水合硝酸铁、三氯化铁、过硫酸铵或过硫酸钾中的至少一种。
2.根据权利要求1所述碳纳米管/聚吡咯复合纤维，其特征在于：所述柔性纤维层的材质为尼龙、棉、蚕丝、涤纶或腈纶中的一种。
3.一种权利要求1或2所述碳纳米管/聚吡咯复合纤维的制备方法，其特征在于：取表面清洁处理过的柔性纤维浸泡在碳纳米管分散液中，充分浸泡后取出得到表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维，将表面包覆有碳纳米管层的柔性纤维置于包含有助剂、吡咯单体和去离子水的混合溶液A中，室温下搅拌反应均匀后，再滴加包含有氧化剂、5-磺基水杨酸及去离子水的混合溶液B，控制温度为0～4℃，充分反应后取出，洗净、干燥即得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维；
所述碳纳米管分散液为由碳纳米管、表面活性剂及去离子水与乙醇混合溶剂且质量比为(1～10):(3～30):(100～1000)的各组分组成，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硬脂酸或甘胆酸钠中的至少一种；
所述混合溶液A中，助剂的浓度为1～10g/L，吡咯单体的浓度为6～32g/L，所述助剂为蒽醌-2，7-二磺酸二钠盐或蒽醌-2-磺酸钠盐中的一种；
所述混合溶液B中，氧化剂的浓度为100～300g/L，5-磺基水杨酸的浓度为50～200g/L，所述氧化剂为9-水合硝酸铁、三氯化铁、过硫酸铵或过硫酸钾中的至少一种。
4.一种碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器，包括源漏电极及栅电极，其特征在于：所述源漏电极、栅电极均为权利要求3制备的碳纳米管/聚吡咯复合纤维制备得到。
5.一种权利要求4所述碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，其特征在于：取长度2～3cm的碳纳米管/聚吡咯复合纤维的两端分别固定在PVC塑料板上，在固定处涂抹有导电银浆，制备得到源漏电极；再取长度2～3cm的碳纳米管/聚吡咯复合纤维经表面活性处理制备得到栅电极，再将所述源漏电极与栅电极十字交叉设置，并在所述十字交叉的交点处涂抹用于阻断两电极直接接触的电解液，即组装得到碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器，所述电解液为聚乙烯醇、磷酸及去离子水的混合液。
6.根据权利要求5所述碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的制备方法，其特征在于：所述栅电极的表面活性处理过程如下：
取长度2～3cm的碳纳米管/聚吡咯复合纤维浸泡在浓度为1～10mg/mL的乳酸氧化酶溶液中，冰浴条件下处理12～24h，取出，再次在冰浴条件下置于质量百分比浓度为0.5～3％的全氟磺酸溶液中处理12～24h，取出、冰浴条件下风干，即制备得到栅电极。
7.一种权利要求4所述碳纳米管/聚吡咯复合纤维基晶体管传感器的应用，其特征在于：它在检测人体血液、汗液中乳酸浓度的电子皮肤传感器或织物中的应用，检测限为浓度为1nM/L～1mM/L的乳酸。
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