一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器及其制备方法和应用。所述石英晶体微天平传感器是在石英晶体微天平晶振的电极表面修饰有氧化石墨烯材料。本发明专利技术采用氧化石墨烯材料(GO)，分别对石英晶体微天平晶振的电极的两个表面进行修饰，得到氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平晶振，从而得到对甲醛有着响应信号的石英晶体微天平传感器。所述传感器对甲醛气体有着灵敏响应信号，对不同浓度的甲醛气体有着良好的线性响应关系；并且在1分钟之内，即有较大的响应信号，可以对甲醛实现快速的检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体传感
更具体地，涉及一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器。
技术介绍
对于生活在现代城市中的大多数人来说，每天平均大约有80％以上的时间在室内度过。因此，室内空气质量与人体健康的关系就显得更加密切更加重要。虽然室内污染气体的浓度往往较低，但由于接触时间很长，故其累积接触量很高。尤其是老、幼、病、残等体弱人群、机体抵抗力较低、户外活动机会更少，室内空气质量的好坏与他们的关系更为重要。在众多的室内污染气体中，甲醛是一种主要的污染物(民用建筑工程室内环境污染控制规范GB50325-2010中要求：居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.08mg/m3)。甲醛对人体危害极大，主要体现在以下几个方面：(1)刺激作用，可刺激皮肤、眼睛和呼吸道，引起水肿，头痛等症状；(2)致敏作用，引起过敏性皮炎、色斑、坏死，诱发支气管哮喘；(3)致突变作用，孕妇长期吸入可能导致胎儿畸形，甚至死亡，男子长期吸入可导致精子畸形、死亡；(4)可引起鼻咽肿瘤，白血病等恶性疾病。为了广大人民群众的身体健康，就需要室内中的甲醛的浓度在安全范围之内，因此，对甲醛的实时检测就尤为重要。石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobalance,QCM)是一种以质量变化为依据的传感器，具有特异性好、灵敏度高、成本低廉和操作简单等优点(Ko,W.；Jung,N.；Lee,M.；Yun,M.；Jeon,S.,ACSNano2013,7(8),6685-6690)。气相中，压电晶体表面所负载质量与谐振频移之间存在一Sauerbrey方程式，即ΔF＝-2.26×10-6F02ΔM/A，其中ΔF:压电晶体的频率变化值；F0:压电晶体的固有振动频率(Hz)；ΔM:压电晶体表面负载物质的质量(g)；A:接触面积(cm2)。由此方程式可知,要选择性地检测某气体成分时,首先在石英晶体电极表面上修饰一层具有特异性的敏感材料，然后置于含有待测气体的测试环境之中,使敏感膜与待测气体成分相互作用,由石英晶体振动频率的变化就可以检测出待测气体。由此可以看出，特异性敏感材料对传感器有着极其重要的作用。石墨烯材料自发现以来，以其独特的物理化学性质，巨大的比表面积，引起了世界范围的广泛关注。其中氧化石墨烯(GrapheneOxide，GO)在表面及边缘上有大量的羧基、羟基和环氧等活性基团，可以作为一种性能优良的敏感材料应用于传感器上。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器。本专利技术的第二个目的在于提供一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器的制备方法。本专利技术的第三个目的在于提供一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器的应用。现有检测甲醛气体的仪器，主要是采用电化学原理，检测时间一般要用30分钟，检测时间相对较长。本专利技术选择选择氧化石墨烯材料检测甲醛气体，是由于氧化石墨烯材料具有大的比表面积，在表面及边缘上有大量的羧基、羟基和环氧等活性基团，可以与甲醛分子形成分子间氢键；再将其与石英晶体微天平相结合，所述传感器对甲醛气体，在1分钟之内，即有较大的响应信号，可以对甲醛实现快速的检测。本专利技术的对甲醛气体有着响应信号的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平(QCM)传感器主要是针对QCM晶振的银电极进行加工处理。本专利技术通过Hummers法(Hummers,W.S.；Offeman,R.E.,J.Am.Chem.Soc.1958,80(6),1339-1339)制备出氧化石墨烯粉末，然后将得到的氧化石墨烯粉末分散于纯水中形成悬浊液后，采用滴涂的方法修饰到QCM晶振的银电极的表面，从而得到用于检测甲醛气体的石英晶体微天平传感器；所得到的QCM晶振置于气体检测室中以检测低浓度的甲醛气体，具有良好的灵敏度和快速的响应。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，所述石英晶体微天平传感器是在石英晶体微天平晶振的电极表面修饰有氧化石墨烯材料。优选地，所述石英晶体微天平晶振的电极为银电极。优选地，所述电极的两个表面均修饰有氧化石墨烯材料，两个表面的修饰量均为3.5～12.5微克。优选地，所述石英晶体微天平晶振的电极面积为0.126～0.283平方厘米。更优选地，所述电极面积为0.196平方厘米。优选地，所述氧化石墨烯材料是由Hummers法制备得到。为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种如上所述的检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器的制备方法，包括如下步骤：1)取5～15毫克氧化石墨烯材料分散于4～6毫升的纯水中，超声分散形成均一分散的悬浊液；2)取4～8微升步骤1)得到的均一分散的悬浊液，滴涂在石英晶体微天平晶振的电极一侧表面；3)将步骤2)得到的石英晶体微天平晶振置入干燥箱中进行干燥，再取4～8微升步骤1)所得均一分散的悬浊液，滴涂于石英晶体微天平晶振的电极的另一侧表面；4)将步骤3)得到的石英晶体微天平晶振置入干燥箱中进行干燥，即得到在石英晶体微天平晶振的电极的两个表面均修饰有氧化石墨烯材料的石英晶体微天平传感器。优选地，步骤1)中，超声分散的时间为20～30分钟。优选地，步骤3)中，干燥的温度为50～70摄氏度，干燥时间为1～2小时。优选地，步骤4)中，干燥的温度为50～70摄氏度，干燥时间为10～15小时。优选地，所述纯水是电阻率为15～18.2MΩ·cm的超纯水。更优选地，所述纯水是电阻率为18.2MΩ·cm的超纯水。本专利技术的对甲醛气体有着响应信号的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，是采用氧化石墨烯材料，分别对QCM晶振的银电极的两个表面进行修饰，得到氧化石墨烯修饰的QCM晶振，从而得到对甲醛气体有着响应信号的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，为达到上述第三个目的，本专利技术公开一种如上所述的检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器在检测甲醛气体中的应用。优选地，所述应用包括如下检测步骤：1)将所述石英晶体微天平传感器，置于石英晶体微天平检测系统中的气体检测室中，然后向气体检测室中以400mL/min的流量通入空气，同时通过配有信号采集系统的电脑来记录由气体检测室中的石英晶体微天平晶振传感的、由频率计采集的银电极的振动频率变化产生的频率的响应信号；2)向步骤1)所述的气体检测室中以400mL/min的流量通入不同浓度的甲醛气体，同时通过配有信号采集系统的电脑来记录由气体检测室中的石英晶体微天平晶振传感的、由频率计采集的银电极的振动频率变化产生的频率的响应信号；3)整理步骤2)的石英晶体微天平晶振的银电极的振动频率变化值，分析比较步骤1)和步骤2)中的石英晶体微天平晶振的银电极的振动频率变化。具体地，本专利技术的对甲醛气体有着响应信号的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平(QCM)传感器(晶振)，在用于检测低浓度的甲醛气体的检测方法之一为：1)将本专利技术的石英晶体微天平传感器，置于石英晶体微天平(QCM)的检测系统中的气体检测室中，然后向气体检测室中以400mL/min的流量通入空气，同时通过配有信号采集系统的电脑来记录由气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，其特征在于：所述石英晶体微天平传感器是在石英晶体微天平晶振的电极表面修饰有氧化石墨烯材料。

【技术特征摘要】
1.一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，其特征在于：所述石英晶体微天平传感器是在石英晶体微天平晶振的电极表面修饰有氧化石墨烯材料。2.根据权利要求1所述的一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，其特征在于：所述石英晶体微天平晶振的电极为银电极。3.根据权利要求1所述的一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，其特征在于：所述电极的两个表面均修饰有氧化石墨烯材料，两个表面的修饰量均为3.5～12.5微克。4.根据权利要求1所述的一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，其特征在于：所述石英晶体微天平晶振的电极面积为0.126～0.283平方厘米；优选地，所述电极面积为0.196平方厘米。5.根据权利要求1所述的一种检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器，其特征在于：所述氧化石墨烯材料是由Hummers法制备得到。6.一种如权利要求1～5任一所述的检测甲醛气体的氧化石墨烯修饰的石英晶体微天平传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)取5～15毫克氧化石墨烯材料分散于4～6毫升的纯水中，超声分散形成均一分散的悬浊液；2)取4～8微升步骤1)得到的均一分散的悬浊液，滴涂在石英晶体微天平晶振的电极一侧表面；3)将步骤2)得到的石英晶体微天平晶振置入干燥箱中进行干燥，再取4～8微升步骤1)所得均一分散的悬浊液，滴涂于石英晶体微天平晶振的电极的另一侧表面；4)将步骤3)得到的石英晶体微天平晶振置入干燥箱中进行干燥，即得到在石英晶体微天平晶振的电极的两个表面均修饰有氧化石墨烯材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺军辉，杨明庆，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11