[发明专利]一种高灵敏度氨类气体传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高灵敏度的氨类气体传感器，以谐振式微悬臂梁为质量型敏感检测平台，以高羧基含量（重量百分比为20%以上）的介孔纳米颗粒材料为敏感材料，依靠酸性基团与具有碱性的氨类气体之间存在的酸碱特异性吸附作用，获得灵敏度为ppb量级的氨类气体传感器。本发明采用共缩聚方法和后嫁接方法相结合制得高羧基含量的氨类气体敏感材料，其具有高羧基含量、高比表面积、短介孔孔道等优点，克服了传统的SBA‑15型介孔粉末类氨气敏感材料存在的羧基含量少、比表面积小以及介孔孔道过长，使得氨类气体分子难以扩散至介孔孔道内部等缺点。本发明实施方案先进，可用于氨气、三甲胺以及甲胺磷等分子的高灵敏度检测，具有现实的应用意义。

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度氨类气体传感器，具体涉及使用高羧基含量的介孔纳米颗粒材料为质量型氨类气体敏感材料，高灵敏检测包括氨气、三甲胺以及甲胺磷在内的氨类气体分子，属于气体传感器领域。

背景技术

以氨气和小分子有机胺(如三甲胺、甲胺磷、苯胺、乙二胺等)等为代表的氨类气体既是重要的化工原料，也是典型的有毒气体，在工业生产或日常生活中都需要对该类气体的浓度进行有效监控。以氨气为例，它是一种应用广泛的工业原料，可用于化肥生产及制碱、制药、塑料、树脂、染料、合成纤维等化学工业生产，也常作冷冻剂使用。此外，氨气还可用于吸收大气中的CO2等温室气体，为发展低碳经济、应对全球气候变化的挑战提供新的思路。但氨气是一种典型的危险化学品，具有对人畜有毒、易燃、易爆、易挥发、具有强腐蚀性等特征，在实际应用中往往由于液氨钢瓶、储罐的爆炸，输氨管道或阀门的破裂，或运输中的意外等发生危险化学品事故，且该类事故率相当高。因此，迫切需要可以对氨气的生产、储存以及运输进行实时现场监控的高灵敏度传感器，尽可能降低发生危险化学品事故的几率。其它氨类气体亦与人们的日常生活密切相关，需要进行高灵敏度检测。例如，三甲胺是鱼类腐败散发出来的典型气体分子，在鱼体表面监测三甲胺的浓度，可以预知鱼肉的新鲜程度。又如，甲胺磷是一种我国已经停止使用的剧毒农药，对蔬菜瓜果等农副产品表面散发的低浓度甲胺磷蒸气进行快速检测，可以保障食品安全。

目前，氨类气体传感器的研究在世界范围内成为热点。2000年美国StanfordUniversity在提出了一种基于单根单壁纳米碳管的氨气传感器，可以检测0.1-1％浓度的氨气(Science,287,2000,622-625)。近年美国University of California,Los Angeles等研究单位相继报道了基于石墨烯为敏感材料的氨气传感器，这类文献包括“Nano Lett.,9(2009)1472-1475”、“ACS Nano,3(2009),301-306”等。这类传感器大多具有高于体积浓度为10-6(ppm)量级浓度的灵敏度，难以检测更低浓度(如ppb量级，ppb＝体积浓度为10-9)的氨气。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明基于谐振式微悬臂梁质量型敏感检测平台，使用具有高羧基含量的介孔纳米颗粒材料为吸附质量型氨类气体敏感材料，依靠酸性基团与具有碱性的氨类气体之间存在的酸碱特异性吸附作用，获得一种可以检测ppb(ppb＝体积浓度为10-9)量级氨类气体的高灵敏度传感器。本发明采用共缩聚方法和后嫁接方法相结合制得高性能的氨类气体敏感材料，该材料具有高羧基含量(重量百分比为20％以上)、高比表面积、短介孔孔道等优点，克服了传统的SBA-15型介孔粉末类氨气敏感材料时存在的羧基含量少、比表面积小以及介孔孔道过长，使得氨类气体分子难以扩散至介孔孔道内部等缺点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种氨类气体传感器，包括质量型敏感检测平台和敏感材料，所述质量型敏感检测平台为谐振式微悬臂梁，所述敏感材料为高羧基含量的介孔纳米颗粒材料。

优选的，所述介孔纳米颗粒材料为介孔二氧化硅。