基于不同纳米材料修饰的QCM气敏传感器的制备及人工嗅觉系统的实现

摘要

气敏传感器在现代信息社会诸多领域中有着重要的应用，其相关研究一直受到广泛关注。通过把敏感材料纳米化和复合化，制备基于纳米复合敏感材料的新型气敏传感器是目前传感器研究的重要方向。本文选用QCM晶片作为气敏传感器基底，采用静电层层自组装技术，分别制备了基于聚苯胺/二氧化钛、聚吡咯/二氧化钛和石墨烯/二氧化钛复合材料为敏感膜的QCM气敏传感器。采用FT-IR、UV-vis、SEM、TEM、XRD等检测手段，表征了敏感材料的组成、结构和形貌特性。通过对比基于不同敏感材料的传感器对不同浓度下不同气体的气敏特性，筛选出具有较佳气敏响应特性的传感器。组建了基于不同材料修饰的QCM气敏传感器阵列，完成了对应人工嗅觉系统的搭建，并将该人工嗅觉系统成功地应用在不同生长年限的人参鉴定、人参与西洋参定性鉴别以及人参与西洋参的掺假鉴定。具体研究内容和结论如下:
　　(1)采用层层自组装技术制备了聚苯胺/二氧化钛(PANI/TiO2)、聚吡咯/二氧化钛(PPy/TiO2)和石墨烯/二氧化钛(GO/TiO2)等层层交替的具有纳米结构的气敏敏感膜。通过对组装过程的监测、对敏感材料表征和对组装层数进行优化，发现自组装技术可实现超薄敏感膜的制备。对比制备的新型传感器的频率信号和电阻信号，发现频率信号的有效性远优于电导信号。分别检测基于PANI/TiO2和PPy/TiO2敏感膜的QCM气敏传感器对不同浓度的氨气、硫化氢、三甲胺和乙醇的气敏响应，发现两者对氨气均具很高的灵敏性和选择性，但对于硫化氢和三甲胺存在一定的交叉响应特性。将基于PANI/TiO2和PPy/TiO2敏感材料的QCM气敏传感器应用在几种易腐烂食物（芒果、鸡蛋和鲶鱼肉）储藏期时间的检测，发现以上两种传感器能够较好地区分被测食物的存储时间。
　　(2)研究了基于GO/TiO2敏感材料的QCM气敏传感器对氨气和三甲胺响应特性，发现能够实现对ppb级三甲胺气体的检测，且响应迅速、回复性好;研究了基于GO/TiO2敏感材料的QCM气敏传感器对7种低浓度有机挥发物（乙醛、乙醇、庚烷、异戊二烯、丙酮、三甲胺和乙苯）的气敏响应特性，发现这类传感器对烷烃类挥发气体最为敏感，其次是酮类和醛类，且呈现良好的线性响应。
　　(3)通过对比以复合材料(PANI/TiO2、 PPy/TiO2、GO/TiO2)为敏感膜的QCM气敏传感器与单一材料(PANI、PPy、GO)为敏感膜的气敏传感器对不同浓度下不同气体的气敏特性，发现基于复合材料的传感器具有更好的气敏特性。在上述研究基础上选取性能较优的4组，构建了基于4种不同纳米敏感材料的QCM气敏传感器组成的嗅觉系统;并将该系统应用于人参与西洋参区分鉴定、人参与西洋参掺假鉴别和人参年限鉴别。结果发现:基于人工嗅觉系统的鉴别结果与基于GC-MS定性鉴别结果十分接近，验证了基于不同纳米材料修饰的QCM气敏传感器阵列和对应人工嗅觉系统的有效性和实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 气敏传感器技术

1．3 纳米材料修饰的QCM气敏传感器的概况

1．4 层层自组装

1．5 人工嗅觉系统

1．6 课题的目的、意义和研究内容

第二章 实验内容

2．1 气敏材料的合成

2．2 层层自组装制备气敏传感器

2．3 气敏性能的测试

2．4 分析与表征

第三章 基于聚苯胺／二氧化钛纳米复合敏感膜的气敏传感器的制备

3．1 原料与试剂

3．2 气敏材料的合成与表征

3．3 基于PANI／TiO2复合敏感膜的气敏传感器的制备

3．4 气敏传感器的特性测试与性能研究

3．5 PANI／TiO2气敏传感器在芒果、鸡蛋和鱼肉的储期时间监测上的应用

3．6 本章小结

第四章 基于聚吡咯／二氧化钛纳米复合敏感膜的气敏传感器的制备

4．1 原料与试剂

4．2 气敏材料的合成与表征

4．3 基于PPy／TiO2复合敏感膜气敏传感器的制备过程

4．4 基于PPy／TiO2敏感膜的气敏传感器响应特性与气敏性能的研究

4．5 基于PPy／TiO2的气敏传感器在芒果、鸡蛋和鱼肉的储期监测上的应用

4．6 本章小结

第五章 基于石墨烯／二氧化钛纳米复合敏感膜的气敏传感器的制备

5．1 原料与试剂

5．2 气敏材料的制备和表征

5．3 基于GO／TiO2敏感膜的QCM气敏传感器的制备

5．4 基于GO／TiO2敏感膜的QCM气敏传感器对低浓度特征有机挥发气体的响应特性

5．5 本章小结

第六章 基于QCM气敏传感器阵列的人工嗅觉系统的搭建

6．1 基于不同敏感材料的气敏传感器响应特性之间的对比

6．2 传感器阵列的优化和气室的设计

6．3 硬件系统

6．4 软件系统

6．5 本章小结

第七章 人工嗅觉系统在人参与西洋参鉴别上的应用

7．1 实验内容

7．2 人工嗅觉系统在人参和西洋参区分上的应用

7．3 电子鼻系统在人参掺假西洋参上的应用

7．4 人工嗅觉系统在人参年限鉴别上的应用

7．5 本章小结

第八章 结论及展望

8．1 全文总结

8．2 论文主要创新点

8．3 进一步研究展望

参考文献

研究生期间主要成果

主要缩略语清单

致谢