基于有機氣敏變色材料的傳感器系統

0? 引? 言

　　揮發性有機氣體的檢測在醫療，環保，工業和商業系統中都有廣泛的應用，例如環境監測、質量控制以及醫療診斷等，因此發展高靈敏度、高選擇性、質量可靠的便攜式傳感系統用于揮發性有機化合物的檢測有很重要的現實意義。近年來，Illinois大學的Kenneth S．Slasliek教授根據一系列在陣列上固定下來的氣敏染劑對不同氣體的顏色反應，研制出了一種新的氣體檢測陣列。該陣列對于某一特定的被分析物具有良好的線性響應，對于某一被分析物的混合物也有其相應的響應。這種被其發明者稱為“可視嗅覺”的技術很類似于判斷石蕊試紙是否從藍色變到紅色，就可判斷溶液是否呈酸性一樣。因此，該設計基于敏感薄膜陣列的圖像識別系統，用于對揮發性有機化合物氣體分子的識別。

1敏感陣列響應原理

　　目前電子鼻的檢測機理大多是基于相對較弱的化學交互作用(如吸附作用)，包括傳導聚合體和聚合體分析物的使用，熒光材料／聚合體系統，錫氧化物傳感器和聲表面波裝置等，并且采用的氣敏裝置多是金屬氧化物，所以只能用于檢測帶有非配位鍵的有機氣體，對于帶有金屬鍵的有機氣體就無法識別。另外，金屬氧化物傳感器存在難以克服的受環境濕度影響大的缺點。由此可見，雖然傳統的傳感器在某些方面已經取得巨大成就，但是它們在氣體檢測方面已達到瓶頸，很難有新的突破，其根本原因就在于檢測機理的局限性，即檢測依靠的敏感材料中的分子與被檢測物分子間的作用力單一而且較弱。本文研究的敏感材料有金屬卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-鹽，用它們做成的陣列組成可視嗅覺電子鼻。金屬卟啉分子與特定的易揮發有機氣體分子之間的作用力有很多種，不僅包含作用力較強的路易斯酸堿作用，由金屬離子與電子組成的配位鍵的作用，還包含作用力較弱的氫鍵作用，電偶極矩間的作用，甚至范德華力。當氣體與金屬卟啉接觸時，很短時間內金屬卟啉分子便通過以上作用與氣體分子結合，由于不同的氣味分子與金屬離子的鍵合力大小和張力是不同的，接觸后金屬卟啉表面的顏色變化也各不相同。后一種材料的顏色變化則靠的是分子間較弱的作用，從加熱后該材料顏色很快復原即可看出。因此，由這些材料組成敏感陣列，用其對同一待測氣體的共同顏色變化來判別氣體，不僅從根本上解決的檢測機理的局限性，而且提高了檢測精度，增加了可檢測氣體的種類。

2? 實驗過程

　　2.1? 敏感陣列的制作

　　這里分別用氣敏陣列對二甲胺、甲醇、乙醛等14種揮發性有機氣體做了顏色反應和后端處理(見圖1)，實驗證明，它可對這些氣體進行有效的識別。
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　　首先準備15個大小合適的硅膠板作為敏感材料的載體，14個容量為60 mL的廣口瓶作為反應的容器，并分別對它們編號。然后井始制作敏感陣列，選取的敏感材料有銅卟啉，鋅卟啉，鎳卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-鹽共4種，因此可以做成2×2的敏感陣列。取上述種材料各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，然后用量程為10μL的針管吸取適量的銅卟啉溶液，在15個硅膠板的左上角滴大概3μL溶液，然后把針頭放入氯仿中反復吸推清洗針管，按如上方法把鋅卟啉溶液滴在硅膠板的右上，鎳卟啉溶液滴在左下，剩下的一種滴在右下。最后把15片硅膠板放到60℃的烘箱中烘15 min把氯仿全部驅除即可進行氣體的檢測。

　　與氣體接觸前先對15個硅膠板在良好光照條件下拍照，記錄初始顏色陣列。在1～14號廣口瓶中分別滴入0.1 mL四氫呋喃，二甲胺，三乙胺，二異丙胺，甲醇，乙醇等液體；然后用膠帶站在硅膠板背面，把1～14號硅膠板懸于對應廣口瓶中(15號用于對比)，蓋上瓶蓋密封15 min待反應完全，這時可看到各個顏色陣列已有明顯的變化。最后，取出硅膠板，拍照記錄。可以看到，制作的氣敏陣列能對這14種氣體產生明顯的顏色變化，肉眼即可對其進行分辨。

　　2.2? 數據庫的建立

　　通過觀察個硅膠板通氣前后的圖像可知，鎳卟啉對各氣體均無顏色變化反應，所以每幅圖像的有用信息只用銅卟啉溶液滴涂的顏色塊，鋅卟啉溶液滴涂的顏色塊和Pt(Me2bzimpy)Cl+的Cl-鹽溶液滴涂的顏色塊即可表示。對于每一顏色塊的信息，可用其所有像素的平均R，G，B值來代表。考慮到具體拍照的光照環境，配制溶液的濃度以及滴涂時溶液在硅膠板上的擴散程度都會對采集到的圖像的亮度和色度產生影響，這里用通氣后像素塊所有像素的平均R，G，B值減通氣前的平均R，G，B值來代表敏感陣列對氣體的顏色響應，因為用前后的差值不僅能抵消光照環境的影響，而且差值受溶液配制濃度和溶液在硅膠板上擴散程度的影響只有原始圖像受這些因素影響的12%。最后可以得到，敏感陣列對每種氣體的顏色響應矩陣，即氣體的特征矩陣：