基于有機(jī)氣敏變色材料的傳感器系統(tǒng)
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揮發(fā)性有機(jī)氣體的檢測(cè)在醫(yī)療，環(huán)保，工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制以及醫(yī)療診斷等，因此發(fā)展高靈敏度、高選擇性、質(zhì)量可靠的便攜式傳感系統(tǒng)用于揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，Illinois大學(xué)的Kenneth S．Slasliek教授根據(jù)一系列在陣列上固定下來的氣敏染劑對(duì)不同氣體的顏色反應(yīng)，研制出了一種新的氣體檢測(cè)陣列。該陣列對(duì)于某一特定的被分析物具有良好的線性響應(yīng)，對(duì)于某一被分析物的混合物也有其相應(yīng)的響應(yīng)。這種被其發(fā)明者稱為“可視嗅覺”的技術(shù)很類似于判斷石蕊試紙是否從藍(lán)色變到紅色，就可判斷溶液是否呈酸性一樣。因此，該設(shè)計(jì)基于敏感薄膜陣列的圖像識(shí)別系統(tǒng)，用于對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體分子的識(shí)別。
1敏感陣列響應(yīng)原理
目前電子鼻的檢測(cè)機(jī)理大多是基于相對(duì)較弱的化學(xué)交互作用(如吸附作用)，包括傳導(dǎo)聚合體和聚合體分析物的使用，熒光材料／聚合體系統(tǒng)，錫氧化物傳感器和聲表面波裝置等，并且采用的氣敏裝置多是金屬氧化物，所以只能用于檢測(cè)帶有非配位鍵的有機(jī)氣體，對(duì)于帶有金屬鍵的有機(jī)氣體就無法識(shí)別。另外，金屬氧化物傳感器存在難以克服的受環(huán)境濕度影響大的缺點(diǎn)。由此可見，雖然傳統(tǒng)的傳感器在某些方面已經(jīng)取得巨大成就，但是它們?cè)跉怏w檢測(cè)方面已達(dá)到瓶頸，很難有新的突破，其根本原因就在于檢測(cè)機(jī)理的局限性，即檢測(cè)依靠的敏感材料中的分子與被檢測(cè)物分子間的作用力單一而且較弱。本文研究的敏感材料有金屬卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-鹽，用它們做成的陣列組成可視嗅覺電子鼻。金屬卟啉分子與特定的易揮發(fā)有機(jī)氣體分子之間的作用力有很多種，不僅包含作用力較強(qiáng)的路易斯酸堿作用，由金屬離子與電子組成的配位鍵的作用，還包含作用力較弱的氫鍵作用，電偶極矩間的作用，甚至范德華力。當(dāng)氣體與金屬卟啉接觸時(shí)，很短時(shí)間內(nèi)金屬卟啉分子便通過以上作用與氣體分子結(jié)合，由于不同的氣味分子與金屬離子的鍵合力大小和張力是不同的，接觸后金屬卟啉表面的顏色變化也各不相同。后一種材料的顏色變化則靠的是分子間較弱的作用，從加熱后該材料顏色很快復(fù)原即可看出。因此，由這些材料組成敏感陣列，用其對(duì)同一待測(cè)氣體的共同顏色變化來判別氣體，不僅從根本上解決的檢測(cè)機(jī)理的局限性，而且提高了檢測(cè)精度，增加了可檢測(cè)氣體的種類。
2 實(shí)驗(yàn)過程
2.1 敏感陣列的制作
這里分別用氣敏陣列對(duì)二甲胺、甲醇、乙醛等14種揮發(fā)性有機(jī)氣體做了顏色反應(yīng)和后端處理(見圖1)，實(shí)驗(yàn)證明，它可對(duì)這些氣體進(jìn)行有效的識(shí)別。
首先準(zhǔn)備15個(gè)大小合適的硅膠板作為敏感材料的載體，14個(gè)容量為60 mL的廣口瓶作為反應(yīng)的容器，并分別對(duì)它們編號(hào)。然后井始制作敏感陣列，選取的敏感材料有銅卟啉，鋅卟啉，鎳卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-鹽共4種，因此可以做成2×2的敏感陣列。取上述種材料各4 mg，使其溶于2 m L的氯仿中，待完全溶解，配成2 mg／mL的溶液，然后用量程為10μL的針管吸取適量的銅卟啉溶液，在15個(gè)硅膠板的左上角滴大概3μL溶液，然后把針頭放入氯仿中反復(fù)吸推清洗針管，按如上方法把鋅卟啉溶液滴在硅膠板的右上，鎳卟啉溶液滴在左下，剩下的一種滴在右下。最后把15片硅膠板放到60℃的烘箱中烘15 min把氯仿全部驅(qū)除即可進(jìn)行氣體的檢測(cè)。
評(píng)論