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基于石英晶体微天平和功能高分子薄膜的在线检测技术

范潇  
【摘要】:近20年来,粗放式的经济增长带来我国国民经济高速发展的同时也造成了自然环境的严重污染,空气污染、水污染对国民健康的危害性日趋凸显。因此,开发出新一代针对环境中有害物质进行检测的化学或生物传感器成为日趋热门的研究课题。化学或生物传感器主要由电子部件和检测部件两部分组成。我们采用功能性聚合物涂层作为检测部件,对被检测物质具有高度灵敏度的石英晶体微天平作为电子部件,设计并制备出对有机气体和重金属离子具有高度选择性和灵敏性的石英晶体微天平化学传感器。 太阳能电池的背膜生产过程中用到了多种挥发性有机化合物,其中最主要的有甲苯、对二甲苯、丁醇、醋酸丁酯这四种有机溶剂,产生了大量污染性有机气体。我们通过自由基聚合的方法合成了一系列对对二甲苯、丁醇等有机气体有选择性和吸附性的聚合物作为传感器的检测涂层。其中芳香聚合物聚4-乙烯基苄基氯(PVBC)和聚(4-乙烯基苄基氯-co-甲基丙烯酸甲酯)[P(VBC-co-MMA)],由于分子链中具有苯环结构,能与芳香族化合物形成π-π电子供体受体复合物,可以用于检测对二甲苯蒸汽。共单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)的加入有助于PVBC提高对对二甲苯的吸附性能。该涂覆聚合物薄膜的石英晶体微天平传感器对对二甲苯蒸汽的检测限可达54ppm。而我们合成的另外一种聚合物聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯-co-丙烯酸甲酯)[P(HEMA-co-MA)]涂覆于石英晶片上后,得到的石英晶体微天平化学传感器对1-丁醇蒸汽具有高度的选择性、灵敏性和稳定性。该传感器对1-丁醇的检测限为72ppm。此外,上述传感器均可以通过将吸附后的石英晶片放置于真空烘箱24小时来达到活化效果,经活化后的传感器可以重复利用于对有机气体的检测。 研究了一系列有机气体传感器之后,我们将石英晶体微天平应用于水中重金属离子的检测。我们设计并合成的新型共聚物聚(N-乙烯基咪唑-co-甲基丙烯酸2-羟乙酯)[P(HEMA-co-VIM)]侧链中包含众多氮原子和氧原子,可以与水中Cu2+和Cr3+等重金属离子配位络合。将其作为传感材料制备得到的石英晶体微天平化学传感器的测试结果表明,该传感器对水中Cu2+和Cr3+均存在频率响应性,但是对Cr3+的检测灵敏度更高,能对0.5ppm的Cr3+溶液产生响应。但是在低浓度下,频率响应表现为频率增长,即表明共聚物薄膜从实验晶片表面脱离下来,进入到离子溶液中。


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