一種高性能酒精檢測儀傳感新材料的開發研究

高震宇

摘 要 我國普遍使用的半導體型酒精檢測儀的測試靈敏度和響應速率亟待提高。受荷花花粉優異的傳輸響應功能的啟發，提出制備荷花花粉結構的二氧化錫（SnO2）傳感元件材料，用于開發高性能酒精檢測儀的構想。以荷花花粉作為生物模板，通過溶膠-凝膠浸漬、水解和煅燒的方法得到的二氧化錫納米材料，表現出對乙醇的高靈敏度和快速響應，對100 ppm酒精，靈敏度響應值相比目前的材料提升了3倍多，響應時間由原來的50s縮短到16s，性能得以大幅提升，是高性能酒精檢測儀傳感元件的優良材料。

關鍵詞 酒精檢測儀；傳感元件材料；納米多孔結構；荷花花粉

中圖分類號 TP216 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0299-02

1 問題提出

我國普遍使用的半導體型酒精檢測儀，具有操作簡單、抗干擾性能好、價格低廉等優點，但也存在靈敏度低，響應速率慢，體積大，攜帶不方便，工作溫度高，材料損耗大，使用壽命短等缺點。

酒精檢測儀的性能取決于其傳感元件，提高傳感元件性能的關鍵是獲得高性能材料。酒精檢測儀使用的傳感元件材料多為二氧化錫（SnO2）。目前制備方法得到的二氧化錫不具備精細有效的多孔結構，限制了傳感性能的發揮。荷花花粉是一種天然的精細多孔材料。這種結構既能夠促進化學物質進入花粉和在花粉內部傳輸，又提供了很大的表面積供生化感應反應來發生，使其擁有良好的生物識別功能，成為優秀的生物傳感器。如果制備出具有荷花花粉結構的精細多孔納米二氧化錫，用作酒精檢測儀的傳感氣敏元件材料，不僅可大大改善傳感材料的性能，提高其靈敏度和響應速率，實現快速高效準確檢測，而且能夠降低反應溫度，減少加熱附件，使元件尺寸變小，體積更小，便于攜帶；材料損耗小、使用壽命長，成本大為降低。

2 研究內容及方法

2.1 試劑和原材料

五水合四氯化錫、無水乙醇、蒸餾水、氨水（25%）、荷花花粉。

2.2 實驗儀器及設備

抽濾裝置、恒溫磁力攪拌器、電熱鼓風干燥箱、電子天平、箱式電阻爐、超聲波清洗機。

2.3 實驗過程

第一步：花粉預處理。

首先稱取天然荷花粉5g，置于100ml燒杯中，加入50ml無水乙醇，洗滌，待溶液顏色變為黃色后進行抽濾，收集黃色固體，干燥。

第二步：前驅體溶液的配制。

以8.0g五水合四氯化錫對應40ml無水乙醇的比例配制。

第三步：花粉的浸漬與清洗。

取四氯化錫無水乙醇前驅體溶液，加入處理后的干燥花粉，超聲浸漬。然后用乙醇清洗，重復上述步驟。

第四步：水解。

用3：2乙醇和水混合液對浸漬液進行水解，之后用乙醇清洗。抽濾后干燥。得到產物標記為花粉復合物。

第五步：煅燒。

對浸漬處理后的花粉復合物進行煅燒處理，收集產物，標記為花粉形貌SnO2。

SnO2參比樣的制備：氨水逐滴滴加到40mL前驅液中，至呈堿性時，收集沉淀物，清洗、干燥、煅燒，得到白色參比樣粉末，標記為SnO2參比樣。

3 研究結果及討論

3.1 熱重分析

利用熱失重儀分析煅燒過程中原始花粉和花粉復合物發生的變化。

在煅燒過程中，發生了很復雜的變化。熱重分析如圖1所示。原始花粉在燒結溫度達到700？C時，質量不再發生變化，剩余質量為原始質量的3.7%左右。花粉復合物在600？C燒結后，其質量保持不變，剩質量為燒結前的11.6%，是未浸漬花粉凈得率的近3倍，這表明在浸漬過程中大量的前驅 Sn（IV）離子吸附在花粉表面。

3.2 通過掃描電子顯微鏡觀察分析

圖像顯示終產物花粉形貌SnO2（如圖a、c）與原始花粉的結構（如圖b、d）是高度相似的。花粉形貌SnO2很好的保持了原始花粉的圓球形整體形貌以及表面的紋路和孔洞，但孔徑有所縮小。表面的三維開放式多孔網絡骨架也得到很好的保留。

由以上表征結果分析可知，我們所制得的樣品的成分既轉變成了SnO2，其結構又較好地保留了荷花粉顆粒的多孔結構。整個顆粒內部都高度連通，SnO2材料因而擁有很大的比表面積。該結構保證氣體分子能繼續快速地擴散。氣體能夠在這樣的一種納米結構中以很高的速度和很大的體積進行移動，并能在其表面上的眾多位置發生氣敏反應。這些成分和結構特點都使得此種材料擁有優異的氣敏性能。

3.3 氣敏測試

3.3.1 氣敏響應值

圖4是花粉形貌SnO2和參比樣在170？C時對不同濃度酒精的氣敏響應值。由圖可知，酒精蒸氣濃度越大，材料的氣敏響應值越大，且花粉形貌SnO2增長的速度比常規SnO2材料更快。在相同的氣體濃度下，兩個樣品的氣敏響應值保持以下變化規律：花粉形貌SnO2材料的氣敏響應值遠高于常規SnO2材料。由此可見，花粉形貌精細多孔結構可以大大增大SnO2材料的氣敏響應值。

3.3.2 響應回復速率

測試表明花粉形貌SnO2具有良好的循環測試性能。保持連貫回復，且有更高的響應值，而最終能回復到一個比常規SnO2更低的數值。

響應和回復曲線表明花粉形貌多孔結構賦予SnO2材料對酒精氣體極佳的響應和回復速率。

4 研究結論

本文探索了一種全新的制備二氧化錫納米材料的方法。受荷花花粉精細多孔結構和優異傳感性能的啟發，制備出精細多孔納米二氧化錫材料，表現出對乙醇低溫高靈敏度和快速響應，這種二氧化錫材料制備的傳感元件應用在酒精檢測儀上，能夠大幅改善目前所用這類儀器的性能，實現便攜，輕便快速、準確、高效的檢測，而且還具有制備簡單、合成周期短、成本低、使用壽命長等優點。

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