基于離子液體與納米多孔材料的VOCs傳感器及陣列技術(shù).pdf

1、揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，簡(jiǎn)稱VOCs）是環(huán)境空氣中的常見(jiàn)污染物，對(duì)人類的身體健康具有很大的危害。各國(guó)對(duì)VOCs氣體的定性定量分析檢測(cè)也提出了更高的要求。因而研究性能優(yōu)良、成本低廉、便攜、穩(wěn)定的VOC氣體檢測(cè)儀對(duì)于環(huán)境污染監(jiān)控和改善人們生活質(zhì)量具有重要的意義，其中基于陣列式傳感器的電子鼻技術(shù)作為重點(diǎn)研究對(duì)象而被廣泛推廣。新型的氣敏材料是傳感器技術(shù)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。離子液體(Ionic Li

2、quids，簡(jiǎn)稱ILs)是一類在常溫下為液態(tài)的純離子型有機(jī)鹽類，室溫下具有極低的蒸汽壓，其種類和性質(zhì)可以通過(guò)陰陽(yáng)離子的設(shè)計(jì)組合進(jìn)行調(diào)節(jié)，在氣體傳感領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。納米多孔材料具有大的比表面積和空間限域效應(yīng)，是一種很好的VOC吸附功能材料。本文充分利用離子液體的物理化學(xué)氣敏特性以及納米多孔硅光子晶體（Porous Silicon，簡(jiǎn)稱PSi）的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，研制了新型的基于光散射原理的ILs/PSi傳感器以及陣列技術(shù)，并與光學(xué)

3、成像技術(shù)相結(jié)合形成新型的VOC可視化裸眼檢測(cè)技術(shù)。同時(shí)將離子液體負(fù)載于多孔氧化鋁薄膜中制備了新型的電導(dǎo)型ILs/pAl2O3傳感器及其陣列技術(shù)。將VOCs傳感陣列與模式識(shí)別方法相結(jié)合形成新型的電子鼻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)常見(jiàn)VOC氣體的定性識(shí)別和定量分析。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)介紹了VOC氣體檢測(cè)的重要性和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并分別綜述了基于新型的納米多孔硅光子晶體和離子液體氣敏材料的VOC傳感技術(shù)的研究進(jìn)展。

4、r>　　 (2)構(gòu)建了一種新型的基于微液滴散射原理的ILs/PSi光學(xué)VOC傳感器。利用納米多孔硅光子晶體材料良好的光學(xué)反射性能和表面活性，以及離子液體的氣敏特性制備新型的IL/PSi復(fù)合氣敏材料。該材料接觸VOC后會(huì)在表面形成對(duì)光有散射效應(yīng)的微液滴，因而使多孔硅的反射光的強(qiáng)度降低。本文從納米多孔硅光子晶體的孔道限域效應(yīng)和離子液體的表面張力、體積膨脹效應(yīng)以及對(duì)VOC溶劑化效應(yīng)等方面對(duì)傳感器的工作原理和響應(yīng)特性等進(jìn)行了初步探討。該VOC

5、光學(xué)傳感器在室溫下工作快速、靈敏、穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間只有幾秒，恢復(fù)時(shí)間約30s。同時(shí)這種基于反射光強(qiáng)度變化的VOC傳感陣列通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以該IL/PSi傳感材料為核心傳感元件的手持式VOC檢測(cè)儀已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研制成功。
　　 (3)利用離子液體種類和結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和多樣性，制備了一種基于多孔硅反射光強(qiáng)度變化的ILs/PSi光學(xué)VOC傳感陣列。在多孔硅不同位點(diǎn)上分別填充不同的離子液體形成新型的ILs/PS氣敏陣列，不同

6、傳感位點(diǎn)對(duì)每一種VOC氣體具有交叉敏感特性。通過(guò)主成分分析(Principal Component Analysis，簡(jiǎn)稱PCA)模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)VOC氣體的定性識(shí)別，解決了單一氣體傳感器選擇性差的問(wèn)題。采用聚類分析方法(Hierarchical Cluster Analysis，HCA)對(duì)不同的傳感器進(jìn)行歸類，便于通過(guò)篩選離子液體的種類來(lái)優(yōu)化傳感陣列。
　　 (4)將這種基于反射光強(qiáng)度變化的VOC傳感陣列芯片與光學(xué)成像系統(tǒng)

7、相結(jié)合。通過(guò)體視鏡采集傳感陣列吸附VOC前后的圖像，然后利用圖像處理軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，提取吸附VOC前后圖像灰度值的變化及其陣列的差減圖。通過(guò)觀察VOC的特征灰度響應(yīng)圖片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)VOC的裸眼可視化檢測(cè)。
　　 (5)構(gòu)建了一種基于離子液體的離子電導(dǎo)氣敏特性的VOC傳感器。以親水性的無(wú)機(jī)多孔氧化鋁薄膜作為離子液體的支撐體制備了VOC電學(xué)氣敏材料。通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器電流的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)VOC的檢測(cè)。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，響應(yīng)快