[发明专利]离子液体填充型多孔硅光学VOC传感阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器制造及检测技术领域，具体涉及一种离子液体填充型多孔硅光学传感阵列及其制备方法，该传感阵列可用于挥发性有机气体（VOC）的识别和检测。

背景技术

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，简称VOC）是最常见的有毒有害空气污染物之一。美国能源部、EPA总署和加州大学曾进行环境污染物对生命风险的评价，发现VOC对人体健康有巨大的影响。所以对空气中VOC的检测对于保障人的生命健康和安全具有重要的意义。国内外对VOC检测技术的研究越来越重视。目前，对于VOC的分析检测常常使用大型分析仪器，如气相色谱仪或者质谱仪，但是这些仪器普遍昂贵复杂且不方便现场分析。所以研究便携式及价格低廉的气体传感器已成为气体传感器领域的研究热点。但是单一传感元件的气体传感器普遍存在交叉敏感，选择性差的问题。高性能的气体传感器阵列，并与模式识别技术相结合形成电子鼻技术有助于解决现有气体传感器的不足。早在1982年，英国学者Persuad和Dodd等利用3个SnO₂气体传感器对乙醚、乙醇、异茉莉酮等挥发性有机物进行了类别分析，开创了电子鼻研究的先河。随着气体检测应用的新需求和科学技术的发展，国外已经开发出技术较成熟的电子鼻系统，比如以英国的Neotronics System、法国的Alpha MOS系统等。

气体传感阵列是电子鼻技术的核心部件，它是由多个不同的气体传感单元组合构成，或者通过MEMS技术加工制得，具有微型化、便携式，低功耗，集成化等优点。气体传感单元的种类很多，按照其检测信号可以分为电导型，表面声波型，质量型，电化学型，光谱型等。气敏材料有无机金属氧化物、有机聚合物以及无机/有机复合材料等。其中，在已经商业化电子鼻技术的传感阵列中应用最多的是无机金属氧化物半导体式传感阵列和质量型石英晶体微天平传感阵列。无机金属氧化物半导体传感阵列以ZnO和SnO₂为典型代表。其气体传感机理主要是利用金属氧化物的晶界效应，即吸附气体后克服了晶体界面间的位垒，导电性发生变化。无机金属氧化物气敏材料具有灵敏度高，响应速度快等优点，但是也存在有些不足，比如工作温度高、材料的结构可调性差、导致传感单元不够丰富，同时还存在易中毒、检测范围窄等问题。早在1986年，美国华盛顿大学的Kowalski等首次研究了基于聚合物气敏材料的质量型石英晶体微天平传感阵列。在实际应用中，质量型的石英晶体微天平阵列式传感器操作简单，灵敏度高，但是其质量检测精度受石英晶体稳定性，频率测量的精度，振荡电路干扰等多种因素的影响。同时聚合物阵列敏感材料的制备过程难以精确控制，不同批次的聚合物材料对气体响应的重复性较差。相比之下，光学气体传感器具有结构简单，抗电磁等干扰能力强，响应和恢复速度快等优点，但是，有关光学气体传感阵列的研究还比较少。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种具有新型检测原理的VOC光学气敏阵列材料，及其制备方法与应用方法。该光学气敏阵列具有检测速度快，制备简单，材料结构的可控可调性好，成本低，寿命长（稳定性好）等特点，适合规模化生产，与模式识别分析方法相结合，可以快速、准确对气体进行识别。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

本发明是一种离子液体填充型多孔硅光学VOC传感阵列，所述的阵列由多个对VOC  具有交叉敏感响应的气敏单元构成，气敏单元由填充在纳米多孔硅光子晶体的离子液体阵列组成，离子液体占多孔硅层孔隙率的80%以上。

作为一种改进，本发明所述的气体传感阵列所采用的离子液体是咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、哌啶类离子液体、吡咯烷类离子液体、吗啉类离子液体、季铵类离子液体或季鏻类离子液体中的任意一种或多种。

作为一种改进，本发明所述的传感阵列中的气敏单元对VOC的检测原理是，当该气敏材料暴露于含VOC的空气时，填充于孔道内的离子液体可快速捕获VOC，并发生体积膨胀，在纳米多孔硅光子晶体表面形成微液滴，且液滴的密度或大小与VOC的浓度相关，液滴对光具有散射效应使得多孔硅光子晶体的反射或干涉光强度下降。