[发明专利]一种低浓度一氧化碳气体的检测方法

说明书

技术领域：

本发明属于导电聚合物纳米纤维气体传感技术领域，涉及一种静电纺丝技术制备的导电聚合物纳米纤维作为敏感材料、利用石英晶体微天平（QCM）原理来探测一氧化碳气体的工艺步骤，特别是一种低浓度一氧化碳气体的检测方法。

背景技术：

与众多传统的分析系统相比，气敏传感器逐渐成为各种有机和无机气体的主要检测工具，气敏传感器包括针对检测气体的敏感材料和信号转换传输系统，敏感材料与被测气体发生反应，将得到的电学、热学或光学信号经过转换变成数字信号，再进行后续研究，敏感材料的选择与合成对气敏传感器的有效性、可靠性以及稳定性至关重要。近几年来，由于纳米材料具有尺寸小、比表面积较大的优点，人们逐渐致力于制备合成纳米结构的敏感材料，并将其应用于气敏传感器中，以提高其气敏特性，纳米结构的金属氧化物和聚合物，具有尺寸可控、生物相容性、安全性、化学稳定性等优点，在气敏传感器方面具有诸多潜在应用。纳米薄膜、纳米颗粒、纳米棒、纳米线、空心结构等纳米结构的金属氧化物，例如ZnO、SnO₂和TiO₂是常用的气敏材料，其研究和制备方法已比较成熟，ZnO检测一氧化碳（CO）、氨气（NH₃）和乙醇，SnO₂检测NO_x、NH₃和有机气体，TiO₂检测CO、NH₃和甲醛等都已有报道。为了提高金属氧化物气敏传感器的敏感性和稳定性，多采用导体与半导体结合的方法，如Au、Ag、Pt、碳纳米管等与金属氧化物结合，可缩短传感器的响应时间，虽然基于金属氧化物的气敏传感器响应时间很短，稳定性较好，但仍存在着很大的制约因素——测试过程需要一定的高温来保证测试性能，这限制了金属氧化物气敏传感器的应用。而敏感材料为功能聚合物的气敏传感器恰恰解决了这个问题，可以在室温下进行气体检测，但其响应时间和恢复时间通常比金属氧化物要长些。

近年来，由于导电聚合物所表现出可调控的导电性、掺杂—脱掺杂过程可逆、优良的柔韧性、多样性、稳定性和生物相容性等优点，在科研和工业领域有着广阔的发展前景，导电聚合物在传感器方面也得到人们越来越多的关注，聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物是比较典型的导电聚合物，其气敏特性方面的研究报道越来越多。除了聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩，现在比较关注的一种导电聚合物是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT-PSS），它是水溶性的，可用于有机薄膜太阳能电池，其气敏特性最近也得到广泛关注。目前PEDOT-PSS薄膜和纳米结构的气敏特性研究多是采用阻抗测试的方法，如Choi等人（Synth.Metals,160(2010)1415-1421）用静电纺丝法制备了PEDOT-PSS纳米纤维，测试了其对乙醇、甲醇和丙酮等有机气体的气敏特性；最近，也有报道指出PEDOT-PSS可与金属氧化物结合（例如在ZnO（J.Alloy.Compd.,515(2012)80-85）或TiO₂（Sensor Actuat.B-Chem.,176(2013)390-398）纳米纤维表面涂覆一层PEDOT-PSS）后的纳米复合结构可用于在室温下探测液化石油气和NO₂，并对其气敏阻抗特性进行了测试。石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）的基本原理是利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，理论研究表明，石英晶体微天平（QCM）的谐振频率变化与外加质量成正比，QCM是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级（10^-9克），可用于气体、液体的成分分析、微质量的测量以及薄膜厚度的检测等。例如，中国专利（201220085010.6）公开了一种聚苯胺薄膜涂覆石英晶体微天平（QCM）晶振的痕量氨气检测装置。气敏传感器的测试一般采用阻抗测试法，该方法需要在敏感材料上制作金属电极，对于某些细小、量少的纳米材料，还需要微加工技术加工金属微电极，比较麻烦。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种低浓度一氧化碳气体的检测方法，将静电纺丝技术和石英晶体微天平（QCM）技术相结合，利用静电纺丝技术制备少量的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT-PSS）纳米纤维作为敏感材料，利用自主搭建的一氧化碳气体测试装置来探测低浓度一氧化碳（CO）气体，不用在敏感材料上制作金属电极，具有简便、快捷和灵敏度高的优点。