[發明專利]離子液體填充型多孔硅光學VOC傳感陣列及其制備方法

有效

• 申請號: 201310275723.8
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103353447A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 鄔建敏;張海娟;王肖波;朱相融
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49;G01N21/41;G01N21/01
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 唐銀益

技術領域

本發明屬于氣體傳感器制造及檢測技術領域，具體涉及一種離子液體填充型多孔硅光學傳感陣列及其制備方法，該傳感陣列可用于揮發性有機氣體（VOC）的識別和檢測。

背景技術

揮發性有機化合物（Volatile?Organic?Compounds，簡稱VOC）是最常見的有毒有害空氣污染物之一。美國能源部、EPA總署和加州大學曾進行環境污染物對生命風險的評價，發現VOC對人體健康有巨大的影響。所以對空氣中VOC的檢測對于保障人的生命健康和安全具有重要的意義。國內外對VOC檢測技術的研究越來越重視。目前，對于VOC的分析檢測常常使用大型分析儀器，如氣相色譜儀或者質譜儀，但是這些儀器普遍昂貴復雜且不方便現場分析。所以研究便攜式及價格低廉的氣體傳感器已成為氣體傳感器領域的研究熱點。但是單一傳感元件的氣體傳感器普遍存在交叉敏感，選擇性差的問題。高性能的氣體傳感器陣列，并與模式識別技術相結合形成電子鼻技術有助于解決現有氣體傳感器的不足。早在1982年，英國學者Persuad和Dodd等利用3個SnO₂氣體傳感器對乙醚、乙醇、異茉莉酮等揮發性有機物進行了類別分析，開創了電子鼻研究的先河。隨著氣體檢測應用的新需求和科學技術的發展，國外已經開發出技術較成熟的電子鼻系統，比如以英國的Neotronics?System、法國的Alpha?MOS系統等。

氣體傳感陣列是電子鼻技術的核心部件，它是由多個不同的氣體傳感單元組合構成，或者通過MEMS技術加工制得，具有微型化、便攜式，低功耗，集成化等優點。氣體傳感單元的種類很多，按照其檢測信號可以分為電導型，表面聲波型，質量型，電化學型，光譜型等。氣敏材料有無機金屬氧化物、有機聚合物以及無機/有機復合材料等。其中，在已經商業化電子鼻技術的傳感陣列中應用最多的是無機金屬氧化物半導體式傳感陣列和質量型石英晶體微天平傳感陣列。無機金屬氧化物半導體傳感陣列以ZnO和SnO₂為典型代表。其氣體傳感機理主要是利用金屬氧化物的晶界效應，即吸附氣體后克服了晶體界面間的位壘，導電性發生變化。無機金屬氧化物氣敏材料具有靈敏度高，響應速度快等優點，但是也存在有些不足，比如工作溫度高、材料的結構可調性差、導致傳感單元不夠豐富，同時還存在易中毒、檢測范圍窄等問題。早在1986年，美國華盛頓大學的Kowalski等首次研究了基于聚合物氣敏材料的質量型石英晶體微天平傳感陣列。在實際應用中，質量型的石英晶體微天平陣列式傳感器操作簡單，靈敏度高，但是其質量檢測精度受石英晶體穩定性，頻率測量的精度，振蕩電路干擾等多種因素的影響。同時聚合物陣列敏感材料的制備過程難以精確控制，不同批次的聚合物材料對氣體響應的重復性較差。相比之下，光學氣體傳感器具有結構簡單，抗電磁等干擾能力強，響應和恢復速度快等優點，但是，有關光學氣體傳感陣列的研究還比較少。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出了一種具有新型檢測原理的VOC光學氣敏陣列材料，及其制備方法與應用方法。該光學氣敏陣列具有檢測速度快，制備簡單，材料結構的可控可調性好，成本低，壽命長（穩定性好）等特點，適合規模化生產，與模式識別分析方法相結合，可以快速、準確對氣體進行識別。

為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是：

本發明是一種離子液體填充型多孔硅光學VOC傳感陣列，所述的陣列由多個對VOC??具有交叉敏感響應的氣敏單元構成，氣敏單元由填充在納米多孔硅光子晶體的離子液體陣列組成，離子液體占多孔硅層孔隙率的80%以上。

作為一種改進，本發明所述的氣體傳感陣列所采用的離子液體是咪唑類離子液體、吡啶類離子液體、哌啶類離子液體、吡咯烷類離子液體、嗎啉類離子液體、季銨類離子液體或季鏻類離子液體中的任意一種或多種。

作為一種改進，本發明所述的傳感陣列中的氣敏單元對VOC的檢測原理是，當該氣敏材料暴露于含VOC的空氣時，填充于孔道內的離子液體可快速捕獲VOC，并發生體積膨脹，在納米多孔硅光子晶體表面形成微液滴，且液滴的密度或大小與VOC的濃度相關，液滴對光具有散射效應使得多孔硅光子晶體的反射或干涉光強度下降。