一種高性能酒精檢測儀傳感新材料的開發(fā)研究

高震宇

摘 要 我國普遍使用的半導(dǎo)體型酒精檢測儀的測試靈敏度和響應(yīng)速率亟待提高。受荷花花粉優(yōu)異的傳輸響應(yīng)功能的啟發(fā)，提出制備荷花花粉結(jié)構(gòu)的二氧化錫（SnO2）傳感元件材料，用于開發(fā)高性能酒精檢測儀的構(gòu)想。以荷花花粉作為生物模板，通過溶膠-凝膠浸漬、水解和煅燒的方法得到的二氧化錫納米材料，表現(xiàn)出對乙醇的高靈敏度和快速響應(yīng)，對100 ppm酒精，靈敏度響應(yīng)值相比目前的材料提升了3倍多，響應(yīng)時(shí)間由原來的50s縮短到16s，性能得以大幅提升，是高性能酒精檢測儀傳感元件的優(yōu)良材料。

關(guān)鍵詞 酒精檢測儀；傳感元件材料；納米多孔結(jié)構(gòu)；荷花花粉

中圖分類號 TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0299-02

1 問題提出

我國普遍使用的半導(dǎo)體型酒精檢測儀，具有操作簡單、抗干擾性能好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但也存在靈敏度低，響應(yīng)速率慢，體積大，攜帶不方便，工作溫度高，材料損耗大，使用壽命短等缺點(diǎn)。

酒精檢測儀的性能取決于其傳感元件，提高傳感元件性能的關(guān)鍵是獲得高性能材料。酒精檢測儀使用的傳感元件材料多為二氧化錫（SnO2）。目前制備方法得到的二氧化錫不具備精細(xì)有效的多孔結(jié)構(gòu)，限制了傳感性能的發(fā)揮。荷花花粉是一種天然的精細(xì)多孔材料。這種結(jié)構(gòu)既能夠促進(jìn)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入花粉和在花粉內(nèi)部傳輸，又提供了很大的表面積供生化感應(yīng)反應(yīng)來發(fā)生，使其擁有良好的生物識別功能，成為優(yōu)秀的生物傳感器。如果制備出具有荷花花粉結(jié)構(gòu)的精細(xì)多孔納米二氧化錫，用作酒精檢測儀的傳感氣敏元件材料，不僅可大大改善傳感材料的性能，提高其靈敏度和響應(yīng)速率，實(shí)現(xiàn)快速高效準(zhǔn)確檢測，而且能夠降低反應(yīng)溫度，減少加熱附件，使元件尺寸變小，體積更小，便于攜帶；材料損耗小、使用壽命長，成本大為降低。

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 試劑和原材料

五水合四氯化錫、無水乙醇、蒸餾水、氨水（25%）、荷花花粉。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

抽濾裝置、恒溫磁力攪拌器、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、箱式電阻爐、超聲波清洗機(jī)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

第一步：花粉預(yù)處理。

首先稱取天然荷花粉5g，置于100ml燒杯中，加入50ml無水乙醇，洗滌，待溶液顏色變?yōu)辄S色后進(jìn)行抽濾，收集黃色固體，干燥。

第二步：前驅(qū)體溶液的配制。

以8.0g五水合四氯化錫對應(yīng)40ml無水乙醇的比例配制。

第三步：花粉的浸漬與清洗。

取四氯化錫無水乙醇前驅(qū)體溶液，加入處理后的干燥花粉，超聲浸漬。然后用乙醇清洗，重復(fù)上述步驟。

第四步：水解。

用3：2乙醇和水混合液對浸漬液進(jìn)行水解，之后用乙醇清洗。抽濾后干燥。得到產(chǎn)物標(biāo)記為花粉復(fù)合物。

第五步：煅燒。

對浸漬處理后的花粉復(fù)合物進(jìn)行煅燒處理，收集產(chǎn)物，標(biāo)記為花粉形貌SnO2。

SnO2參比樣的制備：氨水逐滴滴加到40mL前驅(qū)液中，至呈堿性時(shí)，收集沉淀物，清洗、干燥、煅燒，得到白色參比樣粉末，標(biāo)記為SnO2參比樣。

3 研究結(jié)果及討論

3.1 熱重分析

利用熱失重儀分析煅燒過程中原始花粉和花粉復(fù)合物發(fā)生的變化。

在煅燒過程中，發(fā)生了很復(fù)雜的變化。熱重分析如圖1所示。原始花粉在燒結(jié)溫度達(dá)到700？C時(shí)，質(zhì)量不再發(fā)生變化，剩余質(zhì)量為原始質(zhì)量的3.7%左右?；ǚ蹚?fù)合物在600？C燒結(jié)后，其質(zhì)量保持不變，剩質(zhì)量為燒結(jié)前的11.6%，是未浸漬花粉凈得率的近3倍，這表明在浸漬過程中大量的前驅(qū) Sn（IV）離子吸附在花粉表面。

3.2 通過掃描電子顯微鏡觀察分析

圖像顯示終產(chǎn)物花粉形貌SnO2（如圖a、c）與原始花粉的結(jié)構(gòu)（如圖b、d）是高度相似的?；ǚ坌蚊睸nO2很好的保持了原始花粉的圓球形整體形貌以及表面的紋路和孔洞，但孔徑有所縮小。表面的三維開放式多孔網(wǎng)絡(luò)骨架也得到很好的保留。

由以上表征結(jié)果分析可知，我們所制得的樣品的成分既轉(zhuǎn)變成了SnO2，其結(jié)構(gòu)又較好地保留了荷花粉顆粒的多孔結(jié)構(gòu)。整個(gè)顆粒內(nèi)部都高度連通，SnO2材料因而擁有很大的比表面積。該結(jié)構(gòu)保證氣體分子能繼續(xù)快速地?cái)U(kuò)散。氣體能夠在這樣的一種納米結(jié)構(gòu)中以很高的速度和很大的體積進(jìn)行移動，并能在其表面上的眾多位置發(fā)生氣敏反應(yīng)。這些成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都使得此種材料擁有優(yōu)異的氣敏性能。

3.3 氣敏測試

3.3.1 氣敏響應(yīng)值

圖4是花粉形貌SnO2和參比樣在170？C時(shí)對不同濃度酒精的氣敏響應(yīng)值。由圖可知，酒精蒸氣濃度越大，材料的氣敏響應(yīng)值越大，且花粉形貌SnO2增長的速度比常規(guī)SnO2材料更快。在相同的氣體濃度下，兩個(gè)樣品的氣敏響應(yīng)值保持以下變化規(guī)律：花粉形貌SnO2材料的氣敏響應(yīng)值遠(yuǎn)高于常規(guī)SnO2材料。由此可見，花粉形貌精細(xì)多孔結(jié)構(gòu)可以大大增大SnO2材料的氣敏響應(yīng)值。

3.3.2 響應(yīng)回復(fù)速率

測試表明花粉形貌SnO2具有良好的循環(huán)測試性能。保持連貫回復(fù)，且有更高的響應(yīng)值，而最終能回復(fù)到一個(gè)比常規(guī)SnO2更低的數(shù)值。

響應(yīng)和回復(fù)曲線表明花粉形貌多孔結(jié)構(gòu)賦予SnO2材料對酒精氣體極佳的響應(yīng)和回復(fù)速率。

4 研究結(jié)論

本文探索了一種全新的制備二氧化錫納米材料的方法。受荷花花粉精細(xì)多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異傳感性能的啟發(fā)，制備出精細(xì)多孔納米二氧化錫材料，表現(xiàn)出對乙醇低溫高靈敏度和快速響應(yīng)，這種二氧化錫材料制備的傳感元件應(yīng)用在酒精檢測儀上，能夠大幅改善目前所用這類儀器的性能，實(shí)現(xiàn)便攜，輕便快速、準(zhǔn)確、高效的檢測，而且還具有制備簡單、合成周期短、成本低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

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