基于离子液体与纳米多孔材料的VOCs传感器及阵列技术

摘要

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，简称VOCs）是环境空气中的常见污染物，对人类的身体健康具有很大的危害。各国对VOCs气体的定性定量分析检测也提出了更高的要求。因而研究性能优良、成本低廉、便携、稳定的VOC气体检测仪对于环境污染监控和改善人们生活质量具有重要的意义，其中基于阵列式传感器的电子鼻技术作为重点研究对象而被广泛推广。新型的气敏材料是传感器技术进步的重要物质基础。离子液体(Ionic Liquids，简称ILs)是一类在常温下为液态的纯离子型有机盐类，室温下具有极低的蒸汽压，其种类和性质可以通过阴阳离子的设计组合进行调节，在气体传感领域具有很好的应用前景。纳米多孔材料具有大的比表面积和空间限域效应，是一种很好的VOC吸附功能材料。本文充分利用离子液体的物理化学气敏特性以及纳米多孔硅光子晶体（Porous Silicon，简称PSi）的微结构和光学特性，研制了新型的基于光散射原理的ILs/PSi传感器以及阵列技术，并与光学成像技术相结合形成新型的VOC可视化裸眼检测技术。同时将离子液体负载于多孔氧化铝薄膜中制备了新型的电导型ILs/pAl2O3传感器及其阵列技术。将VOCs传感阵列与模式识别方法相结合形成新型的电子鼻技术，实现了对常见VOC气体的定性识别和定量分析。本文的主要内容包括以下几个方面:
　　 (1)介绍了VOC气体检测的重要性和国内外的研究现状，并分别综述了基于新型的纳米多孔硅光子晶体和离子液体气敏材料的VOC传感技术的研究进展。
　　 (2)构建了一种新型的基于微液滴散射原理的ILs/PSi光学VOC传感器。利用纳米多孔硅光子晶体材料良好的光学反射性能和表面活性，以及离子液体的气敏特性制备新型的IL/PSi复合气敏材料。该材料接触VOC后会在表面形成对光有散射效应的微液滴，因而使多孔硅的反射光的强度降低。本文从纳米多孔硅光子晶体的孔道限域效应和离子液体的表面张力、体积膨胀效应以及对VOC溶剂化效应等方面对传感器的工作原理和响应特性等进行了初步探讨。该VOC光学传感器在室温下工作快速、灵敏、稳定，响应时间只有几秒，恢复时间约30s。同时这种基于反射光强度变化的VOC传感阵列通过光电转换模块可转变为电信号，以该IL/PSi传感材料为核心传感元件的手持式VOC检测仪已经在实验室研制成功。
　　 (3)利用离子液体种类和结构的可设计性和多样性，制备了一种基于多孔硅反射光强度变化的ILs/PSi光学VOC传感阵列。在多孔硅不同位点上分别填充不同的离子液体形成新型的ILs/PS气敏阵列，不同传感位点对每一种VOC气体具有交叉敏感特性。通过主成分分析(Principal Component Analysis，简称PCA)模式识别方法实现了对VOC气体的定性识别，解决了单一气体传感器选择性差的问题。采用聚类分析方法(Hierarchical Cluster Analysis，HCA)对不同的传感器进行归类，便于通过筛选离子液体的种类来优化传感阵列。
　　 (4)将这种基于反射光强度变化的VOC传感阵列芯片与光学成像系统相结合。通过体视镜采集传感阵列吸附VOC前后的图像，然后利用图像处理软件进行标准化处理，提取吸附VOC前后图像灰度值的变化及其阵列的差减图。通过观察VOC的特征灰度响应图片即可实现对VOC的裸眼可视化检测。
　　 (5)构建了一种基于离子液体的离子电导气敏特性的VOC传感器。以亲水性的无机多孔氧化铝薄膜作为离子液体的支撑体制备了VOC电学气敏材料。通过监测传感器电流的变化实现对VOC的检测。该传感器具有结构简单、稳定性好，响应快速灵敏以及线性范围宽等特点。同时利用微加工技术制备传感微阵列芯片，设计并搭建多通道同时在线检测装置，并通过matlab神经网络工具对检测数据进行处理，实现了对VOC的在线识别，完成了电子鼻系统的研制。

目录

声明

摘要

第1章 综述

1．1 VOC气体的介绍

1．2 VOC传感器的研究进展

1．2．1 电学类VOC传感器

1．2．2 光学类VOC传感器

1．2．3 质量型VOC传感器

1．3 电子鼻技术的国内外研究现状及发展趋势

1．4 论文的选题及主要研究工作

第2章 液滴散射型ILs／PSi光学VOC传感器及其阵列技术的研究

2．1 引言

2．1．1 多孔硅VOC传感器的研究

2．1．2 离子液体作为传感材料的研究

2．1．3 本章研究目标

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器与试剂

2．2．2 ILs／PSi传感器及其阵列的制备

2．2．3 ILs／PSi传感阵列对VOC的光学检测

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 液滴散射型ILs／PSi传感器工作原理

2．3．2 ILs／PSi传感材料对VCC的光学响应特点

2．3．3 同一种离子液体制备的IL／PSi传感器对VOC的响应性能

2．3．4 不同离子液体制备的ILs／PSi阵列对VOC响应的选择性

2．3．5 液滴散射型ILs／PSi传感阵列对VOC的识别

2．4 ILs／PSi阵列对VOC气体的可视化识别

2．5 本章小结

第3章 支撑型ILs／pAI2O3电学VOC传感器及阵列电子鼻技术的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器与试剂

3．2．2 支撑型ILs／pAI2O3气敏薄膜的制备与实验装置

3．3 结果与讨论

3．3．1 ILs／pAI2O3气敏薄膜对VOC的电学响应机理

3．3．2 ILs／pAI2O3气敏薄膜对VOC响应稳定性

3．3．3 同一离子液体制备的BmimNTf2／pAI2O3传感器的响应性能

3．3．4 不同离子液体制备的ILs／pAI2O3传感阵列对VOC的识别

3．4 VOC电子鼻系统的设计和制作

3．5 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

攻读研究生期间发表的论文

致谢