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掺胺氢化碳膜的特性与应用研究

颜永红  
【摘要】: 掺杂或改变材料组份,是人类改造自然、征服自然的重要手段,也是人 类获得新材料,新特性、新应的重要方法。为了满足某些特殊应用的要求, 人们总是根据需要来设计和研制功能奇异的新材料,或者对材料组份或结构 进行优化,控制材料的性能,从而得到新的应用。 本文详细研究了对氢化碳膜进行胺基团掺杂的方法,工艺条件。采用等 离子体辅助化学气相沉积方法,以碳氢化合物正丁胺(CH_3CH_2CH_2CH_2NH_2) 作为碳源物质,用高纯氢气作为载气,将碳源物质携带进入反应室。在被加 速的电子作用下,碳源物质在反应室中形成等离子体。在等离子体反应体系 中存在着碳膜生存的物质源CH_2和CH_3。还存在着各种活性基团和自由基包 括某种状态的胺基团。因此,在氢化碳膜生长过程中,胺基团就被结合到氢 化碳膜的网络结构中。 文章对所制备的掺胺膜的组成组份,密度,结构等基本性能进行了测试 分析和研究。结果果表明本实验中掺胺碳膜沉积反应为脱氢反应。薄膜由碳、 氢、氮三种元素所组成。随着沉积功率增大,薄膜中碳元素比例增大而氢元 索、氮元素所占比例减少,掺胺碳膜密度在1.280×10~3kg/m~3至1.386×10~3 kg/m~3之间。并且其密度随着沉积功率增大而增加。薄膜样品的红外光谱分 析结果表明,胺基团已被成功掺入薄膜的网络结构中。并且薄膜中胺基团含 量随着沉积功率增大而减少。红外光谱、喇曼光谱分析表明,在低沉积功率 条件下制备的掺胺膜具有完全无序态结构。随着沉积功率增大,掺胺碳膜网 络结构中原子排列的有序度增大而无序度减少。薄膜具有无序状态,石墨状 态和金刚石状态的混合结构即类金刚石结构。 以石英晶体作为转换器,以掺胺碳膜作为敏感物质制成气相质量传感 器。文章研究了掺胺碳对有机蒸气的传感性能。通过对多种有机蒸气的测量 后发现,掺胺碳膜对羧酸类物质具有优良的选择性响应。在羧酸类物质中又 以对甲酸蒸气的响应灵敏度最高。文章详细研究了掺胺碳膜对甲酸蒸气的响 应特性。对工艺条件,沉膜量对掺胺碳膜传感性能影响进行了讨论。同时还 摘 要 对微量甲酸蒸气的响应进行了研究并讨论了掺胺碳膜对甲酸蒸气的检测下 限,其下限达到PPM数量级。研究表明,以掺胺碳膜作为敏感膜的气相质 量传感器对甲酸蒸气具有高的响应灵敏度,良好的重观性,高稳定度,快的 响应速度和长的使用寿命。文章对响应机理作为了初步探讨。认为掺胺碳膜 通过胺基团的碱性氢键同梭酸类物质蒸气分子的酸性氢键相互作用而使蒸气 分子在薄膜表现产生吸附引起转换器产生相应响应。在梭酸类物质中,甲酸 分子的酸性氢键最强。故掺胺碳膜对甲酸蒸气分子具有最高的响应灵敏度。 文章对掺胺碳膜对氢离子响应特性进行了研究。研究表明掺胺碳膜在浓 强酸条件下对氢离于具有良好的选择性响应。在05~3mo卜L浓度的硫酸溶 液中具有线性响应,其响应灵敏度为 66my/pH。薄膜对氢离子的响应对常 见的钠离子,钾离子和硫酸根离子有较好的抗干扰性。薄膜对氢离子的响应 特性受到薄膜制备条件的影响。低功率条件下制备的薄膜对氢离子响应具有 较高的响应灵敏度而高功率下制备薄膜具有较宽的线性响应范围。文章还就 薄膜对氢离子响应机理进行了初步的讨论。 在介绍了生物传感器基本原理的基础上对用掺胺碳膜作为生物分子载体 膜进行了初步探讨。首先将掺胺碳膜沉积到石英晶体振荡器上(QCM人然 后靠静电吸引作用在掺胺碳膜表面自组一层聚苯磺酸钠薄膜。再将抗体或抗 原固定到聚苯磺酸钠薄膜表面。对聚苯磺酸钠薄膜自组条件。抗体固定液PH 值的影响,抗体包被时间以及抗体固定液中抗体浓度的影响分别进行了研究 和讨论。以掺胺碳膜作为载体膜的免疫传感器对转铁蛋白具有优良的选择性 响应。其测量具有良好的重现性。而且这种免疫传感器可以方便地进行再生。 经数十次再生使用后,以掺胺碳膜作为传感膜的免疫传感器的响应特性没有 发生明显变化。


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