CN116773603A - 一种基于电学信号的味觉传感器、制备方法及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电学信号的味觉传感器、制备方法及其检测方法。味觉传感器器件结构由沉积在衬底上的一个金属/金属氧化物功能电极和三个Ag/AgCl电极构成，其中金属层和Ag电极通过蒸镀沉积在衬底上，并由电化学方法在上面形成金属氧化物功能层和AgCl层，味觉模拟和识别功能通过测量金属/金属氧化物功能电极和Ag/AgCl电极间电位以及另外两个Ag/AgCl电极间的电导和交流阻抗实现。本发明的味觉传感器具有制备流程简易、测量响应快、应用广泛等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种味觉传感器及制备方法，具体涉及一种根据被测物电位、电导及交流阻抗电学信号响应实现味觉识别的味觉传感器及制备方法及其检测方法。
背景技术
味觉是指味觉感受器受到溶解性化学物质刺激后，细胞层面的兴奋信号传导到脑区味觉中枢，经过复杂知觉整合引起的一类感觉。作为人的重要感觉之一，通过仿生设计，模拟人体味觉感知的人工味觉传感器能够避免个体主观因素对结果的影响，在食品鉴别、药物检测、成分分析等方面有着广泛的应用价值。
近年来，味觉传感器的研究取得了显著的进展，已经能够比较准确地识别出酸、甜、苦、咸等各种味道，并给出其定量的浓度以及分析果汁原料成分。目前的味觉传感器主要有电位法和伏安法两类主要传感方法，传感器材料大多采用类脂聚合物、导电聚合物以及其它如碳糊、酞菁、普鲁士蓝等。在基于上述材料特别是有机聚合物的味觉传感器中，成膜的控制性和均一性仍存在一定的挑战，导致制备得到的味觉传感器稳定性和重复性存在问题。
发明内容
本发明旨在提供一种基于电学信号的味觉传感器及其制备方法，该结构通过器件中功能电极测量溶液电导，交流阻抗以及电势差等电学信号，实现对生物味觉仿生以及成分鉴别功能。该器件结构基于无机材料，具有灵敏度高、稳定性好以及重复性强的优点。
本发明提供一种基于电学信号的味觉传感器，该结构由衬底、金属底电极、金属氧化物功能层、Ag底电极、AgCl层组成，所述功能电极由金属底电极和金属氧化物功能层构成功能电极，Ag底电极和AgCl层构成Ag/AgCl电极，一组功能电极和三组Ag/AgCl电极分别沉积在衬底表面
该结构通过金属底电极和3个Ag电极连接外部电路，即可测量相应电学信号。本发明通过金属底电极和其中1个Ag底电极间电势差测量电位信号，通过另外2个Ag底电极连接外部电路，分别测量电导和交流阻抗信号，并根据以上电学信号实现味觉传感器功能。
本发明的改进方案，可以丰富该结构下味觉传感器器件结构设计，或实现更复杂的器件功能。衬底可以选用硬质的载片(如玻璃、硅片等)，或者选用柔性膜(如聚酰亚胺、聚二甲基矽氧烷等聚合物膜)，实现可弯折的柔性器件。电极结构可以通过掩膜或光刻工艺，进行图形化，实现特殊功能。金属氧化物功能层可以针对不同灵敏度需求选用NiOx、TiOx、IrOx等氧化物材料。
本发明还提供上述基于电学信号的味觉传感器的检测方法，通过测量溶液电位、电导及交流阻抗电学信号实现对待测溶液味觉的模拟和识别。
具体地，味觉传感器通过测量所述功能电极与其中一组所述Ag/AgCl电极之间的电势差得到溶液电位。
具体地，味觉传感器通过在两组所述Ag/AgCl电极间施加直流和交流电压，并测量电流信号计算得到溶液电导及交流阻抗。
本发明还提供上述基于电学信号的味觉传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备功能电极
清洗所述衬底；
通过真空蒸镀方法在所述衬底表面沉积金属层，金属层为条形金属薄膜；
所述金属层通过电化学氧化方法原位反应制得金属氧化物功能层，同时在该过程中通过遮挡或选择腐蚀等方法裸露出部分金属层作为连接外电路的金属底电极；
(2)制备Ag/AgCl电极
首先通过真空蒸镀方法在所述衬底表面沉积条形的Ag金属层；
然后，部分Ag金属层通过电化学方法原位反应制得AgCl层，同时在该过程中通过遮挡或选择腐蚀等方法裸露出部分Ag金属层作为连接外电路的Ag底电极。
与现有技术相比，本发明的味觉传感器具有制备流程简易、测量响应快、应用广泛等特点。
附图说明
图1是本发明的器件示意图；
图2是本发明的制备流程示意图；
图3是本发明测量柠檬酸的电位-浓度曲线图；
图4是本发明测量NaCl溶液的电导-浓度曲线图；
图5是本发明测量几种不同溶液的电位、电导及交流阻抗的三维散点图。
具体实施方式
下面将参照附图详细叙述本发明味觉传感器及制备方法及其检测方法，并提出本发明的示例性实施例。
参见附图1，其中A为俯视图，B为主视图，本发明的器件结构包括衬底11、金属底电极12、金属氧化物功能层13、Ag底电极14、AgCl层15五个部分。具体结构构成为：沉积在所述衬底11上的一组功能电极和三组Ag/AgCl电极，所述功能电极由金属底电极12和金属氧化物功能层13构成，所述Ag/AgCl电极由Ag底电极14和AgCl层15构成。
衬底11可以选用硬质的载片(如玻璃、硅片等)，或者选用柔性膜(如聚酰亚胺、聚二甲基矽氧烷等聚合物膜)，实现可弯折的柔性器件。电极结构可以通过掩膜或光刻工艺，进行图形化，实现特殊功能。金属氧化物功能层13可以针对不同灵敏度需求选用NiOx、TiOx、IrOx等氧化物材料。
本发明的实施例的器件结构中，衬底11为聚酰亚胺，金属底电极12为Ti，金属氧化物功能层13为TiO2。本发明实施例的器件作为味觉传感器工作时，由金属底电极12和其中一个Ag底电极14间电势差以及另外两个Ag底电极14间的电导实现对味觉功能的模拟。
参见附图2，本发明味觉传感器的加工工艺包括以下步骤：
A)在聚酰亚胺材质的衬底11上通过电子束蒸发沉积100nm金属Ti作为金属底电极12；
B)在NaF和Na2SO4混合溶液中，施加1V电压，通过电化学方法选择氧化部分金属Ti得到TiO2，作为金属氧化物功能层13；
C)在聚酰亚胺衬底11上通过电子束蒸发沉积100nm的三个条形金属Ag底电极14；
D)在1M的KCl溶液中，施加1V电压，通过电化学方法在Ag表面得到AgCl层15，作为参比电极。
本发明实施例的器件味觉传感器酸味的测量以柠檬酸为例，通过金属底电极12和其中一个Ag底电极14间电势差实现对柠檬酸浓度的测量，附图3为电位-浓度曲线图。
本发明的咸味测量以NaCl为例，通过测量两个Ag底电极14间电导实现对于NaCl浓度的测量，附图4为电导-浓度曲线图。
附图5为本发明实施例的器件应用于饮料鉴别的测量结果，通过分别测量溶液金属底电极12与其中一组Ag底电极14之间的电势差得到电位，向另外两组Ag底电极14间施加直流和交流电压以测量电导以及100Hz交流阻抗信号，实现了对柠檬汁、橙汁、葡萄汁、可乐、无糖可乐以及酸奶六种饮料的鉴别。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于电学信号的味觉传感器，其特征在于：所述味觉传感器主要包括衬底(11)、沉积在所述衬底(11)上的一组功能电极和三组Ag/AgCl电极，所述功能电极由金属底电极(12)和金属氧化物功能层(13)构成，所述Ag/AgCl电极由Ag底电极(14)和AgCl层(15)构成。
2.根据权利要求1所述一种基于电学信号的味觉传感器，其特征在于：所述金属氧化物功能层(13)选取NiOx、TiOx或IrOx。
3.根据权利要求1所述一种基于电学信号的味觉传感器，其特征在于：所述衬底(11)选硬质载片或者柔性膜；所述硬质载片为玻璃或硅片；所述柔性膜选取聚酰亚胺或聚二甲基矽氧烷制成的聚合物膜。
4.一种权利要求1至3任意一项所述基于电学信号的味觉传感器的检测方法，其特征在于：所述味觉传感器通过测量溶液电位、电导及交流阻抗电学信号实现对待测溶液味觉的模拟和识别。
5.根据权利要求4所述一种基于电学信号的味觉传感器的检测方法，其特征在于：所述味觉传感器通过测量所述功能电极与其中一组所述Ag/AgCl电极之间的电势差得到溶液电位。
6.根据权利要求4所述一种基于电学信号的味觉传感器的检测方法，其特征在于：所述味觉传感器通过在两组所述Ag/AgCl电极间施加直流和交流电压，并测量电流信号计算得到溶液电导及交流阻抗。
7.一种权利要求1至3任意一项所述的基于电学信号的味觉传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备功能电极
清洗所述衬底(11)；
通过真空蒸镀方法在所述衬底(11)表面沉积金属层；
所述金属层通过电化学氧化方法原位反应制得金属氧化物功能层(13)，同时裸露出部分金属层作为连接外电路的金属底电极(12)；
(2)制备Ag/AgCl电极
首先通过真空蒸镀方法在所述衬底(11)表面沉积Ag金属层；
然后，部分Ag金属层通过电化学方法原位反应制得AgCl层(15)，同时裸露出部分Ag金属层作为连接外电路的Ag底电极(14)。
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