[发明专利]气体传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及用于检测空气中气体、特别是检测甲醛的气体传感器，以及制备该传感器的方法。

甲醛是一种在工业中广泛应用的化学化合物。它被应用于生产塑料、在木材加工过程中作为胶合板和木屑板的胶粘剂、在建筑工业中作为绝热体、在纺织工业中用于防皱和易护理整理以及在农业和食品工业中作为防腐剂。甲醛作为消毒剂使用，且此外它包含在化妆品、身体护理品和口腔护理品中以及部分包含在色料、漆料和地毯中(1)。

此外，甲醛在不完全燃烧过程中产生。举例来说，其存在于机动车的内燃机中，铸造车间中，塑料制品的生产或小型燃烧设备中的木材燃烧过程中。在冒烟时也以这种方式产生甲醛，其造成空气的污染(1)。

甲醛是一种气态物质，它会引起健康问题如眼睛酸痛或黏膜刺激。短时间暴露哪怕是低浓度也会引起眼睛和呼吸器官的刺激：自0.01ppm起刺激眼睛，自0.08ppm起刺激眼睛和鼻子，而自0.5ppm起刺激咽喉。超过10ppm的高浓度蒸气会导致严重的黏膜刺激状态，伴随着流泪、咳嗽和鼻子及鼻子和咽喉的灼痛。浓度超过30ppm时会引起中毒性肺水肿和危及生命的肺炎(1)。

甲醛引起的慢性作用有心理障碍(如失眠、疲乏、无精打采(Antriebsverlust)、食欲不振或紧张不安)、眼睛刺激和结膜炎、皮肤刺激、慢性咳嗽、感冒和支气管炎、头疼、抑郁等等。此外，甲醛还会引起过敏，且一段时间来被怀疑可能引起人类的癌症以及遗传基因改变和损害胎儿由于这些原因，德国联邦卫生局提出工作场所的最高浓度(MAK)为0.3ppm(0.375mg/m³)。考虑到长期暴露于其中，室内的标准值甚至仅为0.1ppm(0.125mg/m³)(2)。

由于这些原因，对空气中的甲醛有效且快速的检测和测量具有重要意义。

现有技术中有几种检测空气中甲醛的方法(对已知的方法的综述有例如H．Nishikawa和T.Sakai的出版物(3))。

举例来说，GC和HPLC分析属于分析的标准方法。为了进行工作场所风险的评估，NIOSH(国立职业安全与健康研究所)标准化了几种用于检测空气中甲醛的分析方法。

举例来说，在NIOSH方法2016中使试样空气通过由涂有二硝基苯肼(DNPH)的硅胶制成的媒质。化学反应导致生成腙，其作为稳定的衍生物可以通过HPLC、GC/FID、GC/ECD或二极管阵列检测器来识别和定量测定(4)。

NIOSH方法2541是基于GC/FID分析。在此，使试样空气通过施涂了2-羟甲基哌啶(2-HMP)的小管。样品中的甲醛与2-HM反应产生噁唑烷衍生物，其随后脱附并在气相色谱中进行分析(5)。

NIOSH方法3500是基于光谱测定。在此，在硫酸的存在下甲醛和两个分子的变色酸缩合反应而产生了红色的碳正离子。随后，通过在580nm测定进行光谱检测(6)。

这些分析方法的一个主要缺点是空气样品必须复杂地准备以实现甲醛的衍生化，并且实际的测量仅可以在专用实验室进行。使用这些方法不能进行在线的检测。

除了这些分析方法外，现有技术中还已知一系列的仪器方法。基于甲醛的电离电位为10.87eV，其可以在经氩灯电离后通过光离子化检测器检测。这种方法的主要缺点也在于其复杂性。

另一种检测甲醛的方法是基于电化学电池。该方法的缺点在于测量需要的仪器非常昂贵。此外，测量仪器需要定期重新校准，并且电池的使用寿命被限制为不足一年。

另外，在现有技术中有基于荧光的用于检测甲醛的方法，例如基于Hanzsch反应的检测方法。尽管这种方法具有相对高的选择性，然而其相应的测量仪器非常昂贵。另外一个缺点是空气试样需要复杂地准备，其中为了测量将甲醛相应地衍生化(7)。

为了衍生化和随后分析甲醛，上述提到的检测甲醛的方法要求高的设备投入，因此这些方法只能在大型实验室中进行，并且只有在长时间的准备过程后才能知道结果。

在现有技术中已知一种基于MOX的方法，其能够在线确定甲醛的浓度。在此，试样中的甲醛与金属氧化物传感器反应，由此改变其传导性。由Zn、Ni、Sn、Cd、In和其它金属不同组合的氧化物构成的敏感层用作传感器。表1中给出了迄今已知的用于甲醛检测的金属氧化物的概览，并说明其检测范围和作者。

表1：现有技术中已知的迄今用于甲醛检测的金属氧化物。