多孔氮化钛薄膜的制备及其在生物传感应用中的性能增强研究

本研究针对传统金属氧化物电化学(EC)生物传感器存在基质干扰、灵敏度不足等问题，开发了通过直流(DC)反应溅射和可控湿法刻蚀制备的多孔氮化钛(p-TiN)薄膜电极。该材料经SEM、TEM、BET等表征证实具有优化的介孔结构，电化学测试显示其具备10 μF稳定电容和低阻抗特性，为高灵敏度生物传感器提供了新型材料解决方案。

　　

在生物医学检测和环境监测领域，电化学生物传感器面临着严峻挑战。传统金属氧化物(Mox)传感器易受样本基质干扰，玻璃电极又存在脆性大、寿命短等缺陷。尽管钛氮化物(TiN)因其优异的化学惰性和导电性被视为理想替代材料，但现有TiN电极仍存在功能单一（如仅用于pH检测）、机械稳定性不足等问题。如何开发兼具高灵敏度、宽适用性和长期稳定性的新型传感材料，成为当前研究的瓶颈。

法国古斯塔夫·埃菲尔大学的研究团队创新性地提出多孔氮化钛(p-TiN)薄膜解决方案。通过DC反应溅射结合过氧化氢-TBR19湿法刻蚀技术，成功制备出具有可控孔隙结构的薄膜材料。研究证实该材料在未功能化状态下即可实现优异的生物传感性能，相关成果发表于《Vacuum》期刊。

关键技术方法
研究采用三步法制备p-TiN：1) Plassys-MP500S设备进行DC反应溅射，在18.6 cc/min氮气流量下沉积TiN薄膜；2) 光刻技术图形化处理；3) 通过不同比例(100:3g至100:10g)的过氧化氢-TBR19溶液进行各向同性湿法刻蚀。表征手段涵盖SEM-EDS、TEM-EDS Mapping、拉曼光谱、BET比表面积分析等。电化学性能通过循环伏安法和阻抗谱(EIS)评估。

研究结果
表面形貌(SEM)
SEM显示200-400nm厚度薄膜呈现网状结构，刻蚀比例增加导致孔结构从介孔(2-50nm)向大孔(>50nm)转变。100:10g刻蚀比例样品具有最优的孔隙连通性，接触角测试证实其亲水性显著提升。

电化学特性
EIS测试显示p-TiN电极在0.1-100kHz频率范围内阻抗值低于传统TiN电极。循环伏安曲线呈现典型矩形特征，所有扫描速率下保持10 μF稳定电容，表明其双电层电容行为不受速率影响。

讨论与结论
该研究突破性地证明：1) 通过调控刻蚀比例可实现p-TiN孔隙结构的精准定制，100:10g比例样品兼具高比表面积(经BET证实)和理想润湿性；2) 未功能化的p-TiN薄膜即表现出优于功能化TiN电极的电化学稳定性，在生理盐水中保持低阻抗特性；3) 材料的多级孔结构促进分析物扩散，其电容行为不受扫描速率影响的特点特别适合实时生物检测。

这项研究为开发新一代免标记生物传感器提供了材料基础，其制备方法兼具可扩展性和成本优势。p-TiN薄膜在疾病标志物检测、环境污染物监测等领域展现出广阔应用前景，特别是其耐腐蚀特性解决了长期植入式传感器的材料降解难题。研究团队指出，未来可通过与分子印迹技术结合，进一步拓展其在特异性检测中的应用潜力。