DAS等人以過氧化苯甲醯為引發劑,在QCM電極上發生自由基聚合反應,形成聚合物膜,用於檢測揮發性有機化合物VOCs氣體。 他們系統地研究了感測器對不同濃度的VOC(甲苯、對甲苯酚、鄰二甲苯、苯)的響應,圖1顯示了感測器對濃度為5 25 ppm的VOCs的響應,感測器對對甲酚氣體的靈敏度最高(041Hz ppm),檢測下限達到5ppm;引入氮氣後響應頻率恢復到基值也表明材料具有良好的重複性。 缺點是感測器在實驗中對每個VOC的響應曲線相似,這也說明該材料在吸附的選擇上仍存在不足。 Si等人將噻吩和噻吩衍生物導電聚合物塗覆在QCM電極上,製備了一種新型的QCM氣體感測器,並構建了由8個QCM感測器組成的感測器陣列,這些感測器塗有不同的導電聚合物薄層,因為敏感材料對不同極性的VOCs組分具有不同的靈敏度和選擇性。 結果表明,該感測器陣列具有分離和檢測非極性(弱極性)和極性VOCs混合物中極性VOCs氣體的定性能力。 同時,開展了混合氣體中單一組分濃度的檢測實驗,成功檢測了混合氣體中單一組分的濃度。
圖1 濃度為5 25 ppm時聚合亞麻籽油對VOCs的感測器響應曲線:(a)對甲酚、(b)鄰二甲苯、(c)苯、(d)甲苯。
Fan等將聚(2-羥乙基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯)[P(Hema-Co MA)]作為敏感材料旋塗,製備了一種用於檢測正丁醇的QCM感測器。 他們研究了感測器對不同VOCs氣體(甲苯、對二甲苯、乙酸丁酯和正丁醇)的靈敏度、穩定性和可重複性。 根據實驗結果,QCM感測器對乙酸丁酯和正丁醇具有較高的靈敏度,但對正丁醇具有更好的靈敏度和更好的穩定性,感測器可以在真空下完成正丁醇的24小時解吸,表明其具有可重複性。 他們還使用由共聚物製成的QCM感測器來檢測對二甲苯。 敏感膜P(VBC Co MMA)由聚氯甲基苯乙烯(PVBC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共聚而成,以單一聚合物PVBC為敏感材料,構建QCM感測器進行比較。 從實驗結果可以看出,P(VBC CO MMA)QCM和PVBC QCM對對二甲苯和甲苯均具有更高的靈敏度,對二甲苯的靈敏度更高,PVBC與PMMA增強了對二甲苯的吸附性。 採用厚度為119 nm P的QCM感測器(VBC Co MMA),對二甲苯的檢測下限為54 ppm,頻移為96 Hz(如圖 2 所示)。
圖2 P(VBC Co MMA)改性QCM感測器在不同濃度甲苯和對二甲苯下的頻率變化。 P (vbc co MMA) 薄層厚度為 119 nm
VOCs氣體感測器主要用於監測容易產生VOCs氣體的場所,但環境空氣濕度會降低感測器對目標氣體的靈敏度和選擇性,因此迫切需要能夠在一定空氣濕度下使用的感測器。 Andreeva等人通過微波等離子體增強化學氣相沉積(MPECVD)成功地將超疏水薄層改性到QCM電極上,製備了VOC氣體感測器,該感測器具有較大的比表面積,可以吸附更多的目標氣體分子,提高感測器的靈敏度。 從實驗結果可以看出,超疏水膜能有效抑制水分子的吸附,更能選擇甲醛和甲苯分子的吸附。 當引入N2進行解吸實驗時,發現響應頻率迅速恢復到初始頻率值,表明具有良好的重現性。 然而,這項研究工作選擇的目標分析物較少,需要測試更多的VOC來解釋其選擇性。 此外,超疏水膜微孔可以改性以增加其比表面積,從而可以將其用作檢測VOCs氣體的優良敏感材料。
Bachar等人展示了一種以多環芳烴衍生物為敏感材料構建的QCM感測器陣列,該感測器敏感膜由雙層膜、單壁碳奈米管作為緩衝層和一層具有不同側鏈結構的PAH衍生物薄層作為外部結構組成。 從醇類、烷烴類、醚類和芳烴類中選取極性和非極性VOCs作為檢測物件,在不同濕度範圍(5%80%RH)下進行實驗,實驗結果表明,非極性側鏈PAH衍生物的檢測限低於極性側鏈PAH衍生物。 當從單個感測器組合到感測器陣列中時,非極性側鏈多環芳烴衍生物在VOC氣體極性、化學分類和混合氣體分離方面具有出色的分類能力。 在環境濕度方面,具有疏水末端的敏感薄層對寬濕度範圍內的頻率變化沒有顯著影響。 因此,由PAH衍生物改性的QCM感測器陣列有望作為檢測VOCs氣體的通用感測平台。 為了能夠在實踐中更廣泛地應用,需要對感測機理有深刻的認識,有必要對相關方面進行研究,例如對PAH分子側鏈的長度和末端基團的功能化進行綜合研究。
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