[發明專利]檢測HCN氣體的石英晶體微天平傳感器及其制法和應用

有效

• 申請號: 200910089113.2
• 申請日: 2009-08-03
• 公開（公告）號: CN101988882A
• 公開（公告）日: 2011-03-23
• 發明（設計）人: 賀軍輝;楊明慶
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: G01N5/02
• 分類號: G01N5/02;B82B3/00;C01G3/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術領域

本發明屬于氣體傳感技術領域，特別涉及檢測劇毒HCN氣體的高靈敏度、高選擇性的石英晶體微天平(QCM)傳感器(晶振)及其制法和傳感器的應用。

背景技術

HCN是一種具有苦杏仁特殊氣味的氣體，分子量：27.03；相對密度：0.69；熔點：-14℃；沸點：26℃；閃點：-17.8℃；蒸氣壓：101.31kPa(760mmHg，25.8℃)。蒸汽與空氣的爆炸限為(6-41％)。HCN易溶于水、乙醇，微溶于乙醚。HCN作為一種劇毒氣體，在100ppm的濃度下，暴露1小時就可致人死亡；500ppm的濃度下，15分鐘就可致人死亡；在更高的濃度下，則會導致猝死(Porter，T.L.；Vail，T.L.；Eastman，M.P.；Stewart，R.；Reed，J.；Venedam，R.；Delinger，W.Sens.Actuators?B?2007，123，313-317.)。因此針對HCN氣體的快速檢測就顯得尤為重要。目前針對HCN的檢測主要有比色法、原子吸收分光光度法和氰離子選擇電極法等。以上方法各有優缺點：比色法的優點在于毒性小、靈敏度高、數據可靠。不足點是操作繁瑣，分析周期長，不能實時檢測。而原子分光光度法和氰離子選擇電極法，操作簡單、靈敏度高、穩定性好、易普及。但是這兩種方法易受其它離子的干擾。

石英晶體微天平(Quartz?Crystal?Microbalance，QCM)是一種以質量變化為依據的傳感器，具有特異性好、靈敏度高、成本低廉和操作簡單等優點(Ji，Q.；Yoon，S.B.；Hill，J.P.；Vinu，A.；Yu，J.S.；Ariga，K.J.Am.Chem.Soc.2009，131，4220-4221.)。QCM作為一種非常靈敏的傳感器，是以AT切割石英晶體作為接受器和能量轉換器，利用石英的壓電性質實現能量轉換和傳感的。石英晶體屬D3點群、三方晶系潔凈的各向異性體，具有X軸(電軸)、Y軸(機械軸)、Z軸(光軸)三個結晶軸。在X軸或Y軸方向施加壓力或拉力，晶體由于形變極化而在相應的晶面上產生等量的正、負電荷(加壓與拉伸產生的電荷極性相反)。在Z軸方向施加外力，因硅、氧離子作對稱平移，無電荷形成，這就是石英晶體的正壓電效應。反過來，若給與一個電場，在晶體某些方向則會出現應變，這種應變與電場強度間存在線性關系。如果電場是交變電場，則在晶格內引起機械震蕩，震蕩的頻率(即晶體的固有頻率)與震蕩電路的頻率一致時，便產生共振。此時振蕩最穩定，測出電路的振蕩頻率便可得出晶體的固有頻率。石英是具有壓電性質的物質之一，當外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，石英晶片振幅會急劇增加，這就是壓電諧振。QCM就是根據這種原理設計出來的。

1959年Sauerbrey推導出氣相中壓電晶體表面所負載質量與諧振頻移關系的Sauerbrey方程式：

ΔF＝-2.26×10^-6F²ΔM/A

其中ΔF：壓電晶體的頻率變化；F：壓電晶體的原始振動頻率(Hz)；ΔM：晶體表面所負載物質的質量(g)；A：被吸附物所覆蓋的面積(cm²)。

由Sauerbrey方程可知，要選擇性地檢測某分析物時，在壓電石英晶振電極表面上修飾一層具有高特異性的感應分子薄膜。然后置于含有分析物的測試環境之中，使分析物親和吸附于感應電極表面，由晶振振動頻率變化值就可以推導出被分析物的質量。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種用于檢測劇毒HCN氣體的高靈敏度、高選擇性的石英晶體微天平(QCM)傳感器(晶振)。

本發明的目的之二是提供用于檢測劇毒HCN氣體的高靈敏度、高選擇性的石英晶體微天平(QCM)傳感器(晶振)的制備方法。

本發明的目的之三是提供利用目的一的石英晶體微天平(QCM)傳感器(晶振)檢測低濃度的HCN氣體的檢測方法。

本發明的檢測HCN氣體的石英晶體微天平(QCM)傳感器主要是針對QCM晶振的金或銀電極進行加工處理。本發明通過絡合沉淀-熱分解法制備出具有納米級的棒狀結構的氧化銅粉末，然后將得到的氧化銅粉末分散于純水中形成懸濁液后，采用滴涂的方法修飾到QCM晶振的金或銀電極的表面，從而得到用于檢測劇毒HCN氣體的高靈敏度、高選擇性的石英晶體微天平(QCM)傳感器(晶振)；所得到的QCM晶振置于HCN氣體檢測室中以檢測HCN氣體。