基于離子液體與納米多孔材料的VOCs傳感器及陣列技術.pdf

1、揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs）是環(huán)境空氣中的常見污染物，對人類的身體健康具有很大的危害。各國對VOCs氣體的定性定量分析檢測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氣體檢測儀對于環(huán)境污染監(jiān)控和改善人們生活質量具有重要的意義，其中基于陣列式傳感器的電子鼻技術作為重點研究對象而被廣泛推廣。新型的氣敏材料是傳感器技術進步的重要物質基礎。離子液體(Ionic Li

2、quids，簡稱ILs)是一類在常溫下為液態(tài)的純離子型有機鹽類，室溫下具有極低的蒸汽壓，其種類和性質可以通過陰陽離子的設計組合進行調節(jié)，在氣體傳感領域具有很好的應用前景。納米多孔材料具有大的比表面積和空間限域效應，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氣敏特性以及納米多孔硅光子晶體（Porous Silicon，簡稱PSi）的微結構和光學特性，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，并與光學

3、成像技術相結合形成新型的VOC可視化裸眼檢測技術。同時將離子液體負載于多孔氧化鋁薄膜中制備了新型的電導型ILs/pAl2O3傳感器及其陣列技術。將VOCs傳感陣列與模式識別方法相結合形成新型的電子鼻技術，實現(xiàn)了對常見VOC氣體的定性識別和定量分析。本文的主要內容包括以下幾個方面:
　　 (1)介紹了VOC氣體檢測的重要性和國內外的研究現(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傳感技術的研究進展。

4、r>　　 (2)構建了一種新型的基于微液滴散射原理的ILs/PSi光學VOC傳感器。利用納米多孔硅光子晶體材料良好的光學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復合氣敏材料。該材料接觸VOC后會在表面形成對光有散射效應的微液滴，因而使多孔硅的反射光的強度降低。本文從納米多孔硅光子晶體的孔道限域效應和離子液體的表面張力、體積膨脹效應以及對VOC溶劑化效應等方面對傳感器的工作原理和響應特性等進行了初步探討。該VOC

5、光學傳感器在室溫下工作快速、靈敏、穩(wěn)定，響應時間只有幾秒，恢復時間約30s。同時這種基于反射光強度變化的VOC傳感陣列通過光電轉換模塊可轉變?yōu)殡娦盘?，以該IL/PSi傳感材料為核心傳感元件的手持式VOC檢測儀已經在實驗室研制成功。
　　 (3)利用離子液體種類和結構的可設計性和多樣性，制備了一種基于多孔硅反射光強度變化的ILs/PSi光學VOC傳感陣列。在多孔硅不同位點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、傳感位點對每一種VOC氣體具有交叉敏感特性。通過主成分分析(Principal Component Analysis，簡稱PCA)模式識別方法實現(xiàn)了對VOC氣體的定性識別，解決了單一氣體傳感器選擇性差的問題。采用聚類分析方法(Hierarchical Cluster Analysis，HCA)對不同的傳感器進行歸類，便于通過篩選離子液體的種類來優(yōu)化傳感陣列。
　　 (4)將這種基于反射光強度變化的VOC傳感陣列芯片與光學成像系統(tǒng)

7、相結合。通過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行標準化處理，提取吸附VOC前后圖像灰度值的變化及其陣列的差減圖。通過觀察VOC的特征灰度響應圖片即可實現(xiàn)對VOC的裸眼可視化檢測。
　　 (5)構建了一種基于離子液體的離子電導氣敏特性的VOC傳感器。以親水性的無機多孔氧化鋁薄膜作為離子液體的支撐體制備了VOC電學氣敏材料。通過監(jiān)測傳感器電流的變化實現(xiàn)對VOC的檢測。該傳感器具有結構簡單、穩(wěn)定性好，響應快