一种QCM化学传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石英晶体微天平(QCM)的化学传感器及其制备方法，包括：石英晶体振荡片和涂覆在所述石英晶体振荡片上的敏感层，所述敏感层的材料为量子点或量子线。将胶体量子点或量子线涂覆在石英晶振表面均匀成膜，再利用适当的盐溶液进行配体处理，以去除量子点或量子线表面的长链配体。利用胶体量子点或量子线作为敏感层的QCM化学传感器与现有QCM化学传感器相比，敏感层能够在室温成膜并且结晶性好，工艺简便，能够在器件中保持纳米材料的高比表面积和活性，响应及恢复时间较快，并且响应高。

【技术实现步骤摘要】
一种QCM化学传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器
，更具体地，涉及一种石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobalance，QCM)化学传感器及其制备方法。
技术介绍
QCM化学传感器是基于质量加载效应的一种传感器，当敏感层表面吸附目标气体分子后引起石英晶振表面的质量改变进而使得石英晶振的谐振频率发生变化，将待测目标分子浓度的大小转换成频率信号输出，从而实现目标分子浓度的检测，易于实现数字化传输。QCM化学传感器具有结构简单、成本低廉、灵敏度高、稳定性好等优点，而且工作温度为室温，目前已经成为化学传感器的研究热点之一。到目前为止，已制得的QCM化学传感器的敏感膜大多是有机物或者有机物复合材料，如2016年ZhenYuan等人利用GO/PEI作为敏感膜通过喷雾法制备的湿度传感器，当相对湿度为90％时，响应及恢复时间分别为53s/18s，由于湿敏膜为复合材料制备过程相对较难，并且有机物的热稳定性相对较差。相比于有机物湿敏膜，利用无机物制备的QCM化学传感器响应及恢复较慢，如2013年JuanXie等人利用自组装的方式制备了基于ZnO的QCM湿度传感器，当相对湿度为95％时，响应及恢复时间分别为167.7s/62.2s，响应较慢并且湿滞特性较差。化学传感器2015年张红娣等人(CN105203423A)利用了掺铈氧化锌纳米纤维制备了QCM式化学传感器，材料合成工艺过于复杂，并且制备薄膜时需要800℃的高温烘干，破坏了纳米纤维材料的高比表面积，使得器件的响应恢复特性较差，并且响应值也相对较低。2013年张嘉琪等人(CN103575865A)运用ZnO纳米棒制备了一种用于检测NH3的传感器。综上，现有基于有机物或有机物复合材料的QCM化学传感器制备过程相对复杂，且基于无机物敏感膜的QCM化学传感器响应及恢复较慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的基于有机物或有机物复合材料的QCM化学传感器制备过程相对复杂，且基于无机物敏感膜的QCM化学传感器响应及恢复较慢的缺点的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种QCM化学传感器，包括：石英晶体振荡片和涂覆在所述石英晶体振荡片上的敏感层，所述敏感层的材料为胶体量子点或量子线，所述胶体量子点或量子线对环境中目标气体分子(如H2O，NO2，SO2，NH3等)敏感，一旦环境中目标气体分子成分或浓度发生变化立即引起所述QCM化学传感器的谐振频率发生改变。具体地，采用胶体量子点或量子线作为敏感层，利用了胶体量子点或量子线高的比表面积，因而有着很高的表面活性且对目标气体分子十分敏感，一旦吸附目标气体分子，QCM化学传感器的谐振频率即可立即改变。本专利技术利用了胶体量子线/量子点作为敏感材料，可以在石英晶体表面室温成膜，在器件中保持了其相对较大的比表面积，因而制备的QCM化学传感器有着快速的响应恢复特性，并且响应值相对较高。可选地，所述胶体量子点为PbS胶体量子点、ZnO胶体量子点、WO3胶体量子点或In2O3胶体量子点；所述量子线为SnO2量子线。具体地，PbS胶体量子点、ZnO胶体量子点、WO3胶体量子点、In2O3胶体量子点以及氧化锡SnO2量子线的比表面积较大，因此吸附或脱附目标气体分子所用时间较短，吸附目标气体分子即为响应，脱附目标气体分子即为恢复至正常状态。具体地，通过SnO2量子线的合成时间的选择，使得敏感层为SnO2量子线的QCM化学传感器可以在室温下有响应和恢复特性，使得QCM化学传感器有较好的应用前景。第二方面，本专利技术实施例提供了上述第一方面所述的QCM化学传感器的制备方法，包括：(1)将敏感层涂覆(如旋涂、滴涂、喷涂、刷涂等)在石英晶体振荡片上，使其均匀成膜，所述敏感层的材料为胶体量子点或量子线，所述胶体量子点为PbS胶体量子点、ZnO胶体量子点、WO3胶体量子点或In2O3胶体量子点或所述量子线为SnO2量子线；(2)采用相应的盐溶液处理步骤(1)获得的覆盖有敏感层的石英晶体，以去除所述敏感层表面包覆的长链，对所述敏感层进行改性，便于后续敏感层的再次结合以及敏感层的生长，所述长链为油胺或油酸；(3)采用无水甲醇溶液浸泡步骤(2)获得的产物，以去除残余的盐溶液，并去除所述盐溶液与所述敏感层反应所生成的副产物；(4)重复执行步骤(1)至步骤(3)，直至得到具有所需厚度的敏感层薄膜，以得到所述QCM化学传感器。需要说明的是，步骤(2)和步骤(3)均需要等待上一个步骤后的产物干燥后再执行。可选地，所述胶体量子点为PbS、ZnO、In2O3或WO3的胶体量子点，所述量子线为SnO2量子线。可选地，所述SnO2量子线的制备方法如下：向50ml烧杯中加入0.6g五水氯化锡SnCl4·5H2O粉末、20ml油酸OA、2.5ml油胺OLA以及10ml无水乙醇混合搅拌，使SnCl4·5H2O完全溶解；将溶解SnCl4·5H2O粉末后的混合溶液转移至不锈钢水热釜中，并在180℃保持3-24h，得到SnO2量子线。可选地，当所述敏感层的材料为PbS胶体量子点时，所述盐溶液为亚硝酸钠(NaNO2)甲醇溶液；当所述敏感层的材料为ZnO胶体量子点时，所述盐溶液为氯化锌(ZnCl2)的甲醇溶液；当所述敏感层的材料为SnO2量子线时，所述盐溶液为硝酸铜(Cu(NO3)2)的甲醇溶液，当所述敏感层为In2O3胶体量子点时，所述盐溶液为醋酸铜(Cu(CH3COO)2)的甲醇溶液，当所述敏感层为WO3量子点时，则不需要盐溶液处理。通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、采用胶体量子点或量子线作为敏感层，利用了胶体量子点或量子线巨大的比表面积，因而有着很高的表面活性且对目标气体分子十分敏感，一旦吸附有目标气体分子，QCM的谐振频率即可立即改变。进一步地可从制备工艺中盐溶液的选择和浸泡时间、量子点/量子线合成温度与时间的把控等方面进行调控，以获得显著的室温气敏响应信号。2、QCM胶体量子点或量子线化学传感器简化了器件结构和制备步骤，敏感层能在室温下采用旋涂、喷涂刷涂、滴涂等工艺直接成膜，不需要经过高温处理，器件制作工艺简单，能耗小，成本低。3、本专利技术提供的QCM化学传感器，利用无机物胶体量子点或量子线作为敏感材料，与现有的利用有机物制备的QCM化学传感器相比，稳定性较优。4、本专利技术运用盐溶液处理可有效的去处胶体量子点或量子线表面包裹的油酸油胺长链，利于提升QCM化学传感器的响应速度。附图说明图1为旋涂法制备QCM化学传感器的流程示意图；图2为本专利技术提供的QCM化学传感器在室温下对不同相对湿度的响应曲线示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的目的在于解决现有的基于无机物敏感膜的QCM化学传感器响应及恢复较慢的缺点，故而采用无机物胶体量子点或量子线以提高其响应恢复特性。图1为本专利技术提供的旋涂法制备QCM化学传感器的流程示意图，如图1所示，该流程包括：(1)将敏感层旋涂在石英晶体振荡片上，使其均匀成膜，所述敏感层的材料为胶体量子点或量子线；(2)采用相应的盐溶液处理步骤(1)获得的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种QCM化学传感器，其特征在于，包括：石英晶体振荡片和涂覆在所述石英晶体振荡片上的敏感层，所述敏感层的材料为胶体量子点或量子线，所述胶体量子点或量子线对气体分子敏感，一旦气体成分或浓度改变即可引起QCM化学传感器的谐振频率发生改变。

【技术特征摘要】
1.一种QCM化学传感器，其特征在于，包括：石英晶体振荡片和涂覆在所述石英晶体振荡片上的敏感层，所述敏感层的材料为胶体量子点或量子线，所述胶体量子点或量子线对气体分子敏感，一旦气体成分或浓度改变即可引起QCM化学传感器的谐振频率发生改变。2.根据权利要求1所述的QCM化学传感器，其特征在于，所述胶体量子点为硫化铅(PbS)、氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)或氧化钨(WO3)的胶体量子点，所述量子线为二氧化锡(SnO2)量子线。3.一种如权利要求1或2所述的QCM化学传感器的制备方法，其特征在于，包括：(1)将敏感层涂覆在石英晶体振荡片上，使其均匀成膜，所述敏感层的材料为胶体量子点或量子线；(2)采用盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，张光祖，姜胜林，高乃波，胡志响，黄王满，易飞，成晟民，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42