[發明專利]一種低濃度一氧化碳氣體的檢測方法

有效

• 申請號: 201310231419.3
• 申請日: 2013-06-09
• 公開（公告）號: CN103323359A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 龍云澤;張志華;劉術亮;張紅娣;紀新明;孫彬;張君誠
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: G01N5/00
• 分類號: G01N5/00
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 張世功

技術領域：

本發明屬于導電聚合物納米纖維氣體傳感技術領域，涉及一種靜電紡絲技術制備的導電聚合物納米纖維作為敏感材料、利用石英晶體微天平（QCM）原理來探測一氧化碳氣體的工藝步驟，特別是一種低濃度一氧化碳氣體的檢測方法。

背景技術：

與眾多傳統的分析系統相比，氣敏傳感器逐漸成為各種有機和無機氣體的主要檢測工具，氣敏傳感器包括針對檢測氣體的敏感材料和信號轉換傳輸系統，敏感材料與被測氣體發生反應，將得到的電學、熱學或光學信號經過轉換變成數字信號，再進行后續研究，敏感材料的選擇與合成對氣敏傳感器的有效性、可靠性以及穩定性至關重要。近幾年來，由于納米材料具有尺寸小、比表面積較大的優點，人們逐漸致力于制備合成納米結構的敏感材料，并將其應用于氣敏傳感器中，以提高其氣敏特性，納米結構的金屬氧化物和聚合物，具有尺寸可控、生物相容性、安全性、化學穩定性等優點，在氣敏傳感器方面具有諸多潛在應用。納米薄膜、納米顆粒、納米棒、納米線、空心結構等納米結構的金屬氧化物，例如ZnO、SnO₂和TiO₂是常用的氣敏材料，其研究和制備方法已比較成熟，ZnO檢測一氧化碳（CO）、氨氣（NH₃）和乙醇，SnO₂檢測NO_x、NH₃和有機氣體，TiO₂檢測CO、NH₃和甲醛等都已有報道。為了提高金屬氧化物氣敏傳感器的敏感性和穩定性，多采用導體與半導體結合的方法，如Au、Ag、Pt、碳納米管等與金屬氧化物結合，可縮短傳感器的響應時間，雖然基于金屬氧化物的氣敏傳感器響應時間很短，穩定性較好，但仍存在著很大的制約因素——測試過程需要一定的高溫來保證測試性能，這限制了金屬氧化物氣敏傳感器的應用。而敏感材料為功能聚合物的氣敏傳感器恰恰解決了這個問題，可以在室溫下進行氣體檢測，但其響應時間和恢復時間通常比金屬氧化物要長些。

近年來，由于導電聚合物所表現出可調控的導電性、摻雜—脫摻雜過程可逆、優良的柔韌性、多樣性、穩定性和生物相容性等優點，在科研和工業領域有著廣闊的發展前景，導電聚合物在傳感器方面也得到人們越來越多的關注，聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物是比較典型的導電聚合物，其氣敏特性方面的研究報道越來越多。除了聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩，現在比較關注的一種導電聚合物是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT-PSS），它是水溶性的，可用于有機薄膜太陽能電池，其氣敏特性最近也得到廣泛關注。目前PEDOT-PSS薄膜和納米結構的氣敏特性研究多是采用阻抗測試的方法，如Choi等人（Synth.Metals,160(2010)1415-1421）用靜電紡絲法制備了PEDOT-PSS納米纖維，測試了其對乙醇、甲醇和丙酮等有機氣體的氣敏特性；最近，也有報道指出PEDOT-PSS可與金屬氧化物結合（例如在ZnO（J.Alloy.Compd.,515(2012)80-85）或TiO₂（Sensor?Actuat.B-Chem.,176(2013)390-398）納米纖維表面涂覆一層PEDOT-PSS）后的納米復合結構可用于在室溫下探測液化石油氣和NO₂，并對其氣敏阻抗特性進行了測試。石英晶體微天平（Quartz?Crystal?Microbalance，QCM）的基本原理是利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質量變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，理論研究表明，石英晶體微天平（QCM）的諧振頻率變化與外加質量成正比，QCM是一種非常靈敏的質量檢測儀器，其測量精度可達納克級（10^-9克），可用于氣體、液體的成分分析、微質量的測量以及薄膜厚度的檢測等。例如，中國專利（201220085010.6）公開了一種聚苯胺薄膜涂覆石英晶體微天平（QCM）晶振的痕量氨氣檢測裝置。氣敏傳感器的測試一般采用阻抗測試法，該方法需要在敏感材料上制作金屬電極，對于某些細小、量少的納米材料，還需要微加工技術加工金屬微電極，比較麻煩。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種低濃度一氧化碳氣體的檢測方法，將靜電紡絲技術和石英晶體微天平（QCM）技術相結合，利用靜電紡絲技術制備少量的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT-PSS）納米纖維作為敏感材料，利用自主搭建的一氧化碳氣體測試裝置來探測低濃度一氧化碳（CO）氣體，不用在敏感材料上制作金屬電極，具有簡便、快捷和靈敏度高的優點。