基于有机气敏变色材料的传感器系统

0 引言

　　挥发性有机气体的检测在医疗，环保，工业和商业系统中都有广泛的应用，例如环境监测、质量控制以及医疗诊断等，因此发展高灵敏度、高选择性、质量可靠的便携式传感系统用于挥发性有机化合物的检测有很重要的现实意义。近年来，Illinois大学的Kenneth S．Slasliek教授根据一系列在阵列上固定下来的气敏染剂对不同气体的颜色反应，研制出了一种新的气体检测阵列。该阵列对于某一特定的被分析物具有良好的线性响应，对于某一被分析物的混合物也有其相应的响应。这种被其发明者称为“可视嗅觉”的技术很类似于判断石蕊试纸是否从蓝色变到红色，就可判断溶液是否呈酸性一样。因此，该设计基于敏感薄膜阵列的图像识别系统，用于对挥发性有机化合物气体分子的识别。

1敏感阵列响应原理

　　目前电子鼻的检测机理大多是基于相对较弱的化学交互作用(如吸附作用)，包括传导聚合体和聚合体分析物的使用，荧光材料／聚合体系统，锡氧化物传感器和声表面波装置等，并且采用的气敏装置多是金属氧化物，所以只能用于检测带有非配位键的有机气体，对于带有金属键的有机气体就无法识别。另外，金属氧化物传感器存在难以克服的受环境湿度影响大的缺点。由此可见，虽然传统的传感器在某些方面已经取得巨大成就，但是它们在气体检测方面已达到瓶颈，很难有新的突破，其根本原因就在于检测机理的局限性，即检测依靠的敏感材料中的分子与被检测物分子间的作用力单一而且较弱。本文研究的敏感材料有金属卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-盐，用它们做成的阵列组成可视嗅觉电子鼻。金属卟啉分子与特定的易挥发有机气体分子之间的作用力有很多种，不仅包含作用力较强的路易斯酸碱作用，由金属离子与电子组成的配位键的作用，还包含作用力较弱的氢键作用，电偶极矩间的作用，甚至范德华力。当气体与金属卟啉接触时，很短时间内金属卟啉分子便通过以上作用与气体分子结合，由于不同的气味分子与金属离子的键合力大小和张力是不同的，接触后金属卟啉表面的颜色变化也各不相同。后一种材料的颜色变化则靠的是分子间较弱的作用，从加热后该材料颜色很快复原即可看出。因此，由这些材料组成敏感阵列，用其对同一待测气体的共同颜色变化来判别气体，不仅从根本上解决的检测机理的局限性，而且提高了检测精度，增加了可检测气体的种类。

2 实验过程

　　2.1 敏感阵列的制作

　　这里分别用气敏阵列对二甲胺、甲醇、乙醛等14种挥发性有机气体做了颜色反应和后端处理(见图1)，实验证明，它可对这些气体进行有效的识别。

　　首先准备15个大小合适的硅胶板作为敏感材料的载体，14个容量为60 mL的广口瓶作为反应的容器，并分别对它们编号。然后井始制作敏感阵列，选取的敏感材料有铜卟啉，锌卟啉，镍卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-盐共4种，因此可以做成2×2的敏感阵列。取上述种材料各4 mg，使其溶于2 m L的氯仿中，待完全溶解，配成2 mg／mL的溶液，然后用量程为10μL的针管吸取适量的铜卟啉溶液，在15个硅胶板的左上角滴大概3μL溶液，然后把针头放入氯仿中反复吸推清洗针管，按如上方法把锌卟啉溶液滴在硅胶板的右上，镍卟啉溶液滴在左下，剩下的一种滴在右下。最后把15片硅胶板放到60℃的烘箱中烘15 min把氯仿全部驱除即可进行气体的检测。

　　与气体接触前先对15个硅胶板在良好光照条件下拍照，记录初始颜色阵列。在1～14号广口瓶中分别滴入0.1 mL四氢呋喃，二甲胺，三乙胺，二异丙胺，甲醇，乙醇等液体；然后用胶带站在硅胶板背面，把1～14号硅胶板悬于对应广口瓶中(15号用于对比)，盖上瓶盖密封15 min待反应完全，这时可看到各个颜色阵列已有明显的变化。最后，取出硅胶板，拍照记录。可以看到，制作的气敏阵列能对这14种气体产生明显的颜色变化，肉眼即可对其进行分辨。

　　2.2 数据库的建立

　　通过观察个硅胶板通气前后的图像可知，镍卟啉对各气体均无颜色变化反应，所以每幅图像的有用信息只用铜卟啉溶液滴涂的颜色块，锌卟啉溶液滴涂的颜色块和Pt(Me2bzimpy)Cl+的Cl-盐溶液滴涂的颜色块即可表示。对于每一颜色块的信息，可用其所有像素的平均R，G，B值来代表。考虑到具体拍照的光照环境，配制溶液的浓度以及滴涂时溶液在硅胶板上的扩散程度都会对采集到的图像的亮度和色度产生影响，这里用通气后像素块所有像素的平均R，G，B值减通气前的平均R，G，B值来代表敏感阵列对气体的颜色响应，因为用前后的差值不仅能抵消光照环境的影响，而且差值受溶液配制浓度和溶液在硅胶板上扩散程度的影响只有原始图像受这些因素影响的12%。最后可以得到，敏感阵列对每种气体的颜色响应矩阵，即气体的特征矩阵：