一维有机纳米材料的化学自掺杂在化学电阻感测气体或蒸气中的高电导率应用制造技术

本发明专利技术提供了一种用于检测目标蒸气的化学电阻蒸气传感器化合物，所述化合物可包括根据结构(I)的苝‑四羧酸二酰亚胺(PTCDI)核心。

Application of chemical self doping of one-dimensional organic nanomaterials in chemical resistance sensing gas or vapor

The present invention provides a chemical resistance vapor sensor compound for detecting target vapor, the compound may include a perylene four carboxylic two imide (PTCDI) core based on a structure (I).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一维有机纳米材料的化学自掺杂在化学电阻感测气体或蒸气中的高电导率应用相关专利申请本申请要求2016年8月11日提交的美国临时申请62/373,750以及2015年12月2日提交的美国临时申请62/386,489的权益，以上申请各自以引用方式并入本文。政府利益本专利技术是在美国国土安全部授予的2009-ST-108-LR0005以及国家科学基金会授予的拨款CHE0931466和拨款CBET1502433这些政府支持下完成的。政府对本专利技术享有某些权利。
本专利技术涉及使用基于苝-四羧酸二酰亚胺的化合物进行蒸气或气体检测的领域。因此，本专利技术涉及有机化学、化学工程和纳米

技术介绍
包括TATP、DADP和HMTD在内的过氧化物爆炸物代表了一类最难以捉摸的爆炸物，其可以在家由可商购获得的产品轻松制造。容易制备以及爆炸力巨大和容易启动这些特点使恐怖分子和叛乱分子首选过氧化物爆炸物来制造简易爆炸装置(IED)。简易爆炸装置是美国国土安全部特别感兴趣的三种主要爆炸物类型之一。目前的技术无法以检查点安全所要求的速度、特异性和距离来检测所有需要的爆炸物。此外，目前的检测系统较为昂贵。因此，急需开发一种便宜但高效的用于过氧化物爆炸物检测的方法。H2O2常用作过氧化物爆炸物的化学标记物，其通常从有机过氧化物中作为合成杂质泄漏，或者可由过氧化物爆炸物的化学分解产生。因此，对H2O2具有高灵敏度和选择性的传感材料将有利于过氧化物爆炸物检测。开发可提供便宜且简单的过氧化物检测的低功率传感器装置可以用可靠且经济的传感器代替当前昂贵的爆炸物检测设备。大多数氧化剂气体或蒸气都是危险化学品，需要对其进行控制和监测。H2O2是广泛用于应用诸如废水处理、造纸、漂白、牙膏和染发中的工业化学品。如果摄入、吸入H2O2或者H2O2接触皮肤或眼睛，则H2O2可能是有毒的。吸入户内强度的H2O2(3％)会引起呼吸道刺激。暴露于户内强度的H2O2会引起轻微的眼部刺激。NO2是一种众所周知的氧化剂气体，由化石燃料的燃烧过程产生，是最危险的空气污染物之一。NO2在臭氧和酸雨的形成中起主要作用。持续或频繁暴露于高于空气质量标准的NO2可能导致急性呼吸道疾病的发病率增加。用于实时监测危险氧化剂气体的高效、较小、轻型和低功率氧化剂蒸气传感器将是有利的。
技术实现思路
用于检测目标蒸气的化学电阻蒸气传感器化合物可包括根据结构(I)的苝-四羧酸二酰亚胺(PTCDI)核心：其中R可为形态控制基团或-A'-D'，A和A'可独立地为连接基团，D和D'可独立地为强电子供体，其将足以形成PTCDI核心的阴离子PTCDI自由基的电子转移到PTCDI核心，并且R1至R8可独立地为侧基。用于检测目标化合物的化学电阻蒸气传感器可包括由化学电阻传感器化合物形成的纳米纤维的组件以及围绕该纳米纤维的组件可操作地取向的一对电极，以允许电流从该电极对中的第一电极通过该纳米纤维的组件传递到该电极对中的第二电极。在一个方面，检测目标化合物的方法可包括将纳米纤维的组件暴露于可疑目标化合物源，测量该纳米纤维的组件的电响应，并且基于该电响应显示检测度量。因此，已对本专利技术的较重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本专利技术的具体实施方式，并且更好地认识本专利技术对本领域的贡献。通过本专利技术的以下具体实施方式结合附图和权利要求，本专利技术的其它特征将变得更清晰，或者可通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1是根据本公开的一些示例的PTCDI纳米带的电导率增强的示意图。图2是根据本公开的一些示例的由沉积在叉指式电极(IDE)上的化学电阻蒸气传感器化合物形成的纳米纤维的示意图。图3是测量的通过三种PTCDI纳米带的电流的比较。电流值是在10V的偏压下测量的。图4描绘了根据本公开的一些示例的1-甲基哌啶取代的苝-四羧酸二酰亚胺(MP-PTCDI)的合成路线。图5A是MP-PTCDI纳米带的SEM图像。图5B是MP-PTCDI纳米带的AFM图像。图5C是图5B所示的AFM图像的选定区域的近距离视图。图5D是在选定位置处的单个MP-PTCDI纳米带的线扫描轮廓。图6A是MP-PTCDI和CH-PTCDI的氯仿溶液(10μmolL-1)的紫外-可见吸收光谱。图6B是MP-PTCDI和CH-PTCDI的氯仿溶液(10μmolL-1)的荧光光谱。图6C是CH-PTCDI纳米带在用2μmol1-甲基哌啶(MP)进行表面涂覆之前和之后的I-V曲线的图形显示。4μmol的纯1-甲基哌啶薄膜滴落涂布物略具导电性。图7A是沉积在石英玻片上的MP-PTCDI纳米带的明场显微图像。图7B是沉积在石英玻片上的MP-PTCDI纳米带的荧光光学显微图像。图7C是图7B的选定区域(白圈)中MP-PTCDI纳米带的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱。图7D是沉积在石英玻片上的CH-PTCDI纳米带的明场显微图像。图7E是沉积在石英玻片上的CH-PTCDI纳米带的荧光光学显微图像。图7F是图7E的选定区域(白圈)中CH-PTCDI纳米带的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱。图8A是CH-PTCDI的氯仿溶液(10μmolL-1)在加入不同浓度的1-甲基哌啶时的荧光光谱。图8B是图8A所示的荧光猝灭的Stern-Volmer曲线。图9A是CH-PTCDI纳米带在用0.5μmol的不同胺(1-甲基哌啶、苯胺、己胺、三乙胺)和甲醇(用作这些胺的溶剂，同时作为对照进行测试)进行表面涂覆时的电流增强比的直方图。图9B是CH-PTCDI纳米带在用更大量的胺(苯胺12μmol、三乙胺8μmol和己胺8μmol)进行表面涂覆时的电流增强比的直方图。直方图中的所有电流值均在10V的偏压下获得。图10A是CH-PTCDI的脱氧DMSO溶液(10μmolL-1)在加入过量的1-甲基哌啶(MP，0.1mol/L-1)之前和之后以及同一溶液分别暴露于空气中5分钟和10分钟之后的紫外-可见吸收光谱描绘。图10B是图10A在600nm至1000nm波长范围内的放大紫外-可见吸收光谱。图11A是CH-PTCDI的脱氧DMSO溶液(10μmolL-1)在存在过量胺(0.1molL-1)(己胺、三乙胺、苯胺)时的紫外-可见吸收光谱。图11B是图11A在600nm至1000nm波长范围内的放大紫外-可见吸收光谱。图12是展示如何响应于H2O2蒸气来计算MP-PTCDI纳米带的电流减小的曲线。图13A描绘了当用不同摩尔量的1-甲基哌啶进行涂覆时在CH-PTCDI纳米带上测量的电流增强比(I-I0)/I0，其中I0是原始CH-PTCDI纳米带的电流，并且I是在用1-甲基哌啶进行涂覆之后在同一纳米带上测量的电流。所有电流值均在10V的偏压下获得。图13B至图13C是CH-PTCDI纳米带在用1-甲基哌啶进行表面涂覆之前(图13B)和之后(图13C)的SEM图像。图14是根据本公开的一些示例的蒸气感测测量系统的示意图。图15是由交织纳米带形成的多孔MP-PTCDI纳米带膜在滴落涂布在涂覆有300nmSiO2层的硅基底上时的SEM图像。图16A是响应于H2O2蒸气(18.5ppm)在MP-PTCDI纳米带上测量的电流。图16B是作为H2O2蒸气浓度的函数的相对电流变化[(I0-I)/I0(％)]，其中I和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测目标蒸气的化学电阻蒸气传感器化合物，包括根据结构I的苝‑四羧酸二酰亚胺(PTCDI)核心：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.02 US 62/386,489;2016.08.11 US 62/373,7501.一种用于检测目标蒸气的化学电阻蒸气传感器化合物，包括根据结构I的苝-四羧酸二酰亚胺(PTCDI)核心：其中R为形态控制基团或-A'-D'，A和A'独立地为连接基团，D和D'独立地为强电子供体，其将足以形成所述PTCDI核心的阴离子PTCDI自由基的电子转移到所述PTCDI核心，并且R1至R8独立地为侧基。2.根据权利要求1所述的化学电阻传感器化合物，其中R为直链C2-C18烷基或支链C8-C50烷基基团。3.根据权利要求1所述的化学电阻传感器化合物，其中A、A'或两者是基于碳的连接基团。4.根据权利要求1所述的化学电阻传感器化合物，其中A、A'或两者包括C1-C8亚烷基基团、C3-C8亚环烷基基团和亚苯基基团中的至少一者。5.根据权利要求1所述的化学电阻传感器化合物，其中通过碳-碳单键长度测量，A、A'或两者的长度为0.8nm至2nm或另选地为5个碳至12个碳。6.根据权利要求1所述的化学电阻蒸气传感器化合物，其中D、D'或两者产生ΔG<0以形成所述阴离子PTCDI自由基。7.根据权利要求1所述的化学电阻蒸气传感器化合物，其中D、D'或两者包括以下项中的至少一者：其中R’-R14’为不会消除D和D'的供电子能力的取代基团，并且其中所述R’-R14’独立地选自由以下项组成的组：氢、C1-C5烷基基团、C1-C5烷基醚基团、C6-C9苯基基团以及它们的组合。8.根据权利要求1所述的化学电阻蒸气传感器化合物，其中D、D'或两者包括以下项中的至少一者：，其中R”-R5”为不会消除D和D’的供电子能力的取代基团，并且选自由以下项组成的组：氢、C1-C5烷基基团、C1-C5烷基醚基团、C6-C9苯基基团以及它们的组合。9.根据权利要求1所述的化学电阻蒸气传感器化合物，其中-A-D、-A’-D’或两者包括从而形成1-甲基哌啶取代的苝-四羧酸二酰亚胺(MP-PTCDI)...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·臧，N·吴，P·斯拉图姆，
申请(专利权)人：犹他大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US