納米敏感膜修飾的QCM氣敏傳感器的制備及性能提高研究.pdf

1、QCM(Quartz Crystal Microbalance)，也即石英晶體微天平，是一種以石英諧振器為核心器件的質(zhì)量敏感型傳感器。它利用石英晶體的正-逆壓電效應(yīng)，通過修飾晶片的敏感膜對(duì)待測(cè)物的特異性吸附，將待測(cè)物的質(zhì)量、濃度等成分信息轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，并進(jìn)行測(cè)量。本文以QCM傳感器在氣相檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合高靈敏度的QCM和氣敏性能優(yōu)異的納米材料制備出能在室溫下實(shí)現(xiàn)痕量級(jí)別氣體檢測(cè)的QCM氣敏傳感器。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)階段QC

2、M氣敏傳感器在敏感材料、檢測(cè)方法、氣敏機(jī)理以及實(shí)際應(yīng)用等方面存在的不足，基于納米敏感膜修飾的QCM氣敏傳感器的制備及性能提高研究這一研究目標(biāo)，通過貴金屬摻雜改性方法成功提高了傳感器靈敏度，通過功能型復(fù)合改性方法有效改善了傳感器選擇性，并基于對(duì)LSER模型的親水性修正實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器氣敏機(jī)理的量化研究。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　在實(shí)驗(yàn)室已有研究基礎(chǔ)上，圍繞檢測(cè)電路、傳感器制備和檢測(cè)氣室等三個(gè)關(guān)鍵部分對(duì)整個(gè)QCM氣敏傳感檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行

3、了改良設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建。之后采用低溫水熱法合成的納米Ni(OH)2材料作為敏感膜修飾QCM傳感器，用于低揮發(fā)性鄰苯二甲酸二丁酯(Dibutyl phthalate，DBP)氣體的檢測(cè)。在室溫檢測(cè)條件下，該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)DBP在ppb級(jí)別的低濃度檢測(cè)，保持了良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，并對(duì)DBP顯示出優(yōu)于其他塑化劑類和非塑化劑類干擾氣體的響應(yīng)和選擇性。
　　針對(duì)QCM氣敏傳感器的靈敏度和選擇性兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，進(jìn)行了基于納米

4、敏感材料改性的傳感器氣敏性能提高研究。對(duì)于靈敏度指標(biāo)，重點(diǎn)研究了貴金屬摻雜提高傳感器靈敏度的方法，在納米ZnO多孔微球表面進(jìn)行Au粒子摻雜，制備出了ZnO-Au為敏感膜的QCM氣敏傳感器。在超低濃度的DBP氣體檢測(cè)應(yīng)用中，成功提高了傳感器的靈敏度1.62倍，并對(duì)選擇性有所改善。對(duì)于選擇性指標(biāo)，深入研究了功能型修飾或復(fù)合改善傳感器選擇性的方法，并首次以氧化石墨烯(GO)和殼聚糖(CS)為基體進(jìn)行功能型復(fù)合制備出了以GO/CS復(fù)合納米材料為

5、敏感膜的QCM氣敏傳感器。在對(duì)三甲胺（TMA）等胺類氣體的低濃度檢測(cè)應(yīng)用中，成功借助CS對(duì)胺類氣體特異性強(qiáng)的特點(diǎn)，顯著提高了傳感器對(duì)TMA等的選擇性。同時(shí)，也結(jié)合GO吸附活性強(qiáng)的特點(diǎn)有效使得傳感器響應(yīng)幅值提高了3倍以上。上述結(jié)果確認(rèn)了貴金屬粒子摻雜改性和功能型復(fù)合改性在傳感器靈敏度、選擇性等性能提高方面的有效性，也為QCM傳感器氣敏性能的提高提供了可行的思路和方法。
　　通過對(duì)基于單一納米金屬氧化物、貴金屬摻雜的納米金屬氧化物和功

6、能型復(fù)合的納米材料為敏感膜的QCM氣敏傳感器的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析和對(duì)比研究，首先從敏感膜的微觀結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)、官能團(tuán)等分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)送行了定性的敏感機(jī)理分析。并在對(duì)GO/CS-QCM氣敏傳感器選擇性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器響應(yīng)、分配系數(shù)、親和度等參數(shù)，基于對(duì)LSER模型的親水性修正，量化地解釋了GO/CS敏感材料對(duì)胺類氣體的氣敏機(jī)理。此類敏感機(jī)理的研究方法，給出了一個(gè)在一定范圍內(nèi)客觀合理的敏感吸附機(jī)理，可以為QCM等傳感器的敏感膜材料篩選提