質(zhì)量敏感型壓電化學(xué)傳感器的應(yīng)用

質(zhì)量敏感型壓電化學(xué)傳感器的應(yīng)用

質(zhì)量型壓電傳感器QCM 和SAW本身對氣體或蒸氣不具有選擇性,其作為化學(xué)傳感器的選擇性僅僅依賴于表面涂層物質(zhì)的性質(zhì)。通常,對壓電基片上的SAW傳播路徑覆蓋不同的吸附薄膜,便構(gòu)成了不同的SAW化學(xué)傳感器。膜層材料很多,根據(jù)感測的對象選擇有特異吸附性能的薄膜,對敏感膜的基本要求是可逆性和高穩(wěn)定性。

質(zhì)量敏感型壓電化學(xué)傳感器在現(xiàn)場快速檢測中的應(yīng)用廣泛,根據(jù)其應(yīng)用對象,目前人們最關(guān)心的有以下4 個方面:

第一, 以2 ,4 ,62三硝基甲苯(TNT) 、2 ,42二硝基甲苯(DNT) 、三硝基間甲酚(TNC) 、黑索金(RDX) 等為代表的多硝基爆炸物。這是研究的熱點和動力[1 ,15 —21 ,26 —29 ] ,其核心部分是特異敏感薄膜材料的選擇與制備。早在1979 年Guilbault 等人[15 ] 就提出了用Carbowax 1000 作為壓電石英晶體的涂層材料來實現(xiàn)對TNT 等爆炸物的快速、實時檢測,檢測范圍為ppb —ppm ,響應(yīng)時間短,選擇性和靈敏度好。最近又有文獻報道通過Carbowax 1000 檢測DNT來實現(xiàn)對爆炸物TNT 的快速實時檢測[22 ] ; 美國的Electronic Sensor Technology 公司研制的SAW化學(xué)傳感器用于如空氣、水、土壤等環(huán)境檢測,尤其是用于毒品、TNT、硝化甘油、飲用水中揮發(fā)性有機物的檢測[23 ] 。近幾年來美國海軍實驗所(Naval ResearchLaboratory ,NRL) 制備了帶六氟異丙醇基功能基的聚硅氧烷, 作為測定爆炸物的選擇性特異敏感材料[1 ,4 ,16 —20 ,24 —25 ] , 利用線性溶劑化能對其性能進行評價。這類化合物的選擇性主要是通過氫鍵作用[18 ]實現(xiàn)的,這種作用不僅選擇性好、靈敏度高,且快速、可逆性好。Yang 等人[21 ] 用帶有環(huán)糊精的硅氧烷聚合物作為表面材料分析測定了DNT、o2nitrotoluene 等爆炸物。

第二,化學(xué)戰(zhàn)劑。塔崩(tabun) 、沙林( sarin) 、索曼( soman) 等神經(jīng)毒氣和芥子氣(mustard) 、氮芥氣(nitrogen mustard) 、光氣(hydrogen cyanide) 、路易士氣(Lewisite) 等窒息氣,致死量僅10ppb ,這些是恐怖分子或戰(zhàn)爭狂人看中的武器。早在1990 年代初Nieuwenhuizen[26 ] 以鑭系化合物作為SAW 器件的表面材料對化學(xué)戰(zhàn)劑進行了檢測, 近年來NRL 的McGill 等人[27 ] 開發(fā)的NRL2 SAWRHINO 用于檢測有毒氣體沙林、索曼等,線性范圍200ppt —400ppm。

第三, 毒品, 如海洛因( heroin ) 、可卡因(cocaine) 、嗎啡(morphine) 、冰毒、鴉片(opium) 等。Guibault[7 ]綜述了QCM 用作免疫傳感器在毒品檢測方面的應(yīng)用,它利用蛋白質(zhì)G將可卡因抗體固定在石英表面而做成檢測毒品的免疫傳感器;QCM 涂覆其它抗體敏感材料,作為免疫傳感器可分析檢測殺蟲劑、細菌、病毒以及某些磺胺類藥物。

第四類是有毒工業(yè)化學(xué)品,諸如苯系物、氯化物等許多環(huán)境污染或“三廢”治理的對象。在這方面的研究相對較多,主要集中在苯類等環(huán)境污染物的實時檢測上。Finklea 等人[30 ,31 ] 以籠狀螯合物Ni(SCN) 2 (42picoline) 4 作為表面涂層材料,通過包合作用來測定苯、甲苯、二甲苯等環(huán)境污染物。環(huán)糊精作為SAW傳感器的表面涂層,通過親和力和包容力作用,可以快速可逆地分析揮發(fā)性有機物苯和甲苯、氯仿、CCl4 等有毒物質(zhì), 且靈敏度高[32 ] 。Percival 等人[33 ]以非共價分子印跡聚合物作為表面涂層材料,分析單萜類,可以區(qū)分對映體,靈敏度可達200ppb ;后來他們又根據(jù)同樣的原理在QCM 上測定了水中的多環(huán)芳烴[34 ] ,依靠S2Au 間強的相互作用,將帶有碳鏈取代的蒽固定在QCM的金電極上,這樣很多蒽分子平行排列形成π2π交疊陣列,通過π2π電子作用與試樣基體中的多環(huán)芳烴結(jié)合,測定待測物的濃度SAW基片表面涂上Fullerene C602Cryptand 22 用作GC 檢測器或與氣相層析裝置相結(jié)合,可用于分析各種極性和非極性的有機化合物醇、醛、酮、醚、烷烴、烯烴等[35 ] 。也有人報道了檢測可燃性氣體(CO、CH4 、H2 ) 、O2 和NO 等的傳感器[36 ] 。

除了以上關(guān)于國家安全和環(huán)境保護上4 大方面的應(yīng)用外,質(zhì)量敏感型壓電化學(xué)傳感器在關(guān)系國計民生中的食品[37 —41 ] 、化妝品[42 ] 等方面也有很大的應(yīng)用。將選擇性的抗體材料涂在QCM 的電極表面上而制成的免疫傳感器,可以實現(xiàn)對各種農(nóng)藥殘留的實時檢測[37 ] ,也有報道對食品中埃希氏菌屬中大腸桿菌的檢測[38 ,39 ] ;SAW的傳感器陣列用于區(qū)分各種不同的植物油以及食品[40 ] 與生物樣品中碘含量的測定,而不受各種陰、陽離子的影響[41 ] 。這類傳感器在食品加工及食品質(zhì)量控制方面表現(xiàn)出了相當?shù)膽?yīng)用前景。

QCM和SAW傳感器的原理及其在現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用