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• 实际上,气敏材料的敏感机理极为复杂,不仅涉及各种气敏 机理模型,而且在同一反应中往往存在多种机理的相互作 用。目前,人们对气敏材料敏感机理的研究正在探索与发 展中,其研究工作远落后于实际应用,然而,随着研究的不断 深入,人们对气敏机理的探索必将获得新的突破。
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WO3基气敏传感器
• WO3基气敏传感器是检测H2S、NOx、O3和NH3等气体 最有前景的新型氧化物气敏传感器之一。 • WO3基气敏传感器最早报道于1967年,当时美国Shaver[1] 等采用真空蒸发钨薄膜经600—700℃加热氧化制得WO3 薄膜,并用喷涂少量Pt的方法来增强WO3对H2及含氢气体 ( N (如N2H4、NH3和H2S等)的灵敏度,使气敏传感器的灵敏度 NH H S ) , 显著提高,从而为半导体气敏传感器的实用化奠定了坚实 的基础。近几年的研究表明,氧化钨基气敏材料不仅对氧 化性气体而且对还原性气体也表现出很好的敏感特性。
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• 原理：通过在光纤末端固定一些NO 敏感材料, 分析时将 此端插入待测溶液, 敏感材料与待测组分相互作用, 引起敏 感材料的光学特性(如吸光度、反射率、荧光强度、化学 发光强度或光谱学其它特性)发生改变, 通过一定的方法来 检测这些特性的变化反映NO 的含量。 按敏感材料分类：1)化学发光型NO光纤传感器 ,2)吸收型 NO 光纤传感器,3)荧光型NO 光纤传感器. • 几种新型的NO检测方法:近年来, 科学家们已研究出了一 大批可适用于光纤传感器的新型NO 探针和检测方法, 如 臭氧( O3 )氧化化学发光测定法、2, 7- 二氯氢化荧光素NO 探针、金属配合物类NO荧光探针和芳香邻二氨类NO荧光 探针等, 其中金属配合物类和芳香邻二氨类是最近几年研 究的热点。
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NO光纤传感器
• 一氧化氮( NO)是生物体内一种重要的信使分子和效应分 子, 在生理和病理过程中起着重要作用,在神经、免疫、血 液、内分泌、呼吸、消化等系统具有重要的生理功能, 同 时也是心脑血管、糖尿病、肿瘤、肥胖等多种疾病病理过 程的重要因素实现对生物体内NO快速、准确的检测, 具有 重要的意义, 将光纤传感技术应用到对NO的检测中是目前 最有前景的方法之一。 • 检测方法： 一种是直接测量法, 即直接利用NO 本身或 NO 与其他试剂产生的信号进行测定, 如鲁米诺化学发光 法、N - 乙酰半胱氨酸(NACNO )荧光法、流式细胞术法、 高铁血红蛋白(M eHb)法等 • 另一种方法：间接测量法, 即测定其代谢终产物NO2- 或 NO3- .
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• 步骤：1）质粒构建 • 2）MCF-7 细胞培养与转染 • 3）嗅觉受体的生物鉴定 • 4）嗅觉受体蛋白的粗提取 • 5）传感器的构建与检测 • 表面声波检测原理： 采用双通道延迟线型声表面波器件作为换能器， 通过检测嗅觉受体与气体结合过程中的质量变化情况，实现气体的特 异性检测。声表面波器件采用旋转128°Y 切X 传播的LiNbO3 • 基片。其中，一个通道作为参比通道，中心频率为120. 1 MHz;另一 • 个通道作为检测通道，中心频率为119. 6 MHz。传感器带宽为0. 9 MHz，Q 值为133. 5，传感器结构如图1 所示。在双通道SAW 延迟线 振荡器结构中，一个通道的SAW 传播路径被气敏薄膜所覆盖而用于 • 测量，另一通道未覆盖薄膜而用于参考。两个振荡器的频率经混频取 差额输出，以实现对共模干扰自补偿。
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光纤CO检测 光纤CO检测
• CO是一种无色、无臭、无味的有毒气体,很小的体积分数就可以对身 体造成致命伤害,而且,它也是煤矿井下爆炸气体之一,它的爆炸范围为 12. 5 %～74. 2 %。因此,实现对CO体积分数的检测,及时发现事故隐 患,尽早采取补救措施是非常重要的。 • 原理：在分析CO气体红外吸收光谱特性的基础上,将差动吸收型光纤 传感技术和计算机数据处理技术相结合,研制了一种高准确度的CO气 体体积分数检测系统。采用双光源双探测器的光路模型消除光源发光 功率不稳定和探测器灵敏度不稳定等因素给检测系统带来的误差。 • 设计参比气室消除了CO检测环境潮湿、粉尘严重和杂质气体干扰等 因素给测量结果带来的影响本系统克服了以往检测方法的不足,具有选 择性好、灵敏度高、响应速度快等优点,除了能适应地面气体检测外, 更能适用于矿井气体的检测
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光纤传感器
• 定义与优点：是利用光纤元件的传感器，具有敏感度高、 抗电磁干扰、 耐腐蚀、 电绝缘性好 ,便于与计算机和被测 实物连接 ,结构简单、 体积小、 重量轻、 耗电少、适合 于有毒有害、 防火防爆环境及远程分布场合应用等优点 • 分类：按照工作原理不同可分为功能型和非功能型。 • 功能型光纤传感器：利用光纤作敏感元件 ,基于光纤的物 理效应 ,被测量调制光纤参数 ,再调制光纤中的光波参数 , 故也称为传感型或全光型光纤传感器。 • 非功能型传感器：利用其它敏感元件感受被测量的变化 , 且敏感元件参数调制光波参数 ,光纤只作为传输介质 ,传输 来自远处或难以接近场所的光信号 ,故也称为传光型或混 合型光纤传感器。
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• 生物体内NO 是由L- 精氨酸( L- A rg) 通过一氧化氮合酶 ( NOS)的作用而产生的, 其化学性质非常活泼, 在有氧条件 下极不稳定( t1 /2 < 6s), 易氧化成亚硝基葎( nitrosonium) • 阳离子( NO+ ), 亚硝酸盐(NO2- )、硝酸盐( NO3- )是NO 主 要而稳定的代谢产物。NO 在水溶液中中等程度稳定, 但 可与亲核试剂或其他氮氧化物强烈反应.在生命体系中, 平 . , 均每个细胞仅释放1~200attomo l( 1attomo l= 10- 18mo l) 的NO, 故要实现对生物体内NO 含量的直接测定难度很大。 • 目前常用的NO 测定方法多为间接法, 如Griess比色法、催 化光度法、高效液相色谱法等, 化学发光法和荧光分析法 中大部分也属于这种类型.
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二氧化碳光纤传感器
• 光纤二氧化碳(CO 2 )传感器：被测的 CO 2通过渗透膜 M CO 2,并与碳酸氢负离子(HCO3 -)小室相连的pH敏感膜M pH的荧光物质作用。光纤的出射光照射 M pH后产生荧光, 并被出射光纤收集。 HCO3 -的作用是增强荧光效率，CO2 的浓度调制荧光强度。因此,测量荧光强度便测得CO2浓度。
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二氧化氮光纤传感器
• 光纤二氧化氮(NO2 ) 传感气按原理不同分为两类： 弹光型光纤 NO2 传感器和光谱吸收型 NO2 传感器。 • 弹光型光纤 NO2 传感器：基于光声效应和弹光效应 ,光 声效应是光通过光声材料时产生声波的现象。具体的说 , 开关调制的光波(波长是 496. 5 nm)通过充有 NO2 气体的 光声元件时 ,由于NO2 对该光谱(496. 5 nm)有最大吸收 量 ,于是光声元件产生周期声波 ,该声波压力使绕有光纤的 弹光元件产生弹性形变 ,进而导致光纤中传输的光波相位 变化。因此 ,测量光纤中光波相位变化便可测量 NO2 浓度。
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• 目前主要有NO 电化学传感器和NO 光纤传感器两大类. • NO 电化学传感器研究较早, 种类也很多, 如卟啉NO 传感 器、铂铱合金NO电极、化学修饰的氧电极、热变性的Cyt C 电极和C- PTIO电极等。尽管电化学方法测定NO 误差 小, 结果准确, 但不适用于生物体特别是人体的在体实时检 测。 • 光纤传感技术是近十几年来兴起的一种高灵敏度、可进行 远距离实时分析的微量分析技术。该技术由于具有信息传 输容量大、抗电磁干扰、抗震、多组分传感集成化、可微 型化、可进行遥测和原位在线监测等方面独特的优点, 代 表了新一代传感器的发展趋势, 在医疗、水质监测、食品 卫生检测、生物试剂检测等方面有着巨大的应用潜力利用 光纤传感技术研制的NO传感器, 灵敏度高, 信号传输快, 对 环境的适应性好,易微型化, 是目前科学家们研究的热点。
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WO3气敏传感器的气敏机理
• 金属氧化物半导体气敏材料的气敏特性,是指在一定温度 下材料跟所接触的氧化或还原型气体发生反应,从而导致 材料的电阻值发生变化的现象。现有的半导体氧化物的气 敏机理模型主要有吸、脱附模型,晶界势垒模型,氧化还原 模型,半导体能级模型,催化燃烧模型,固体电解质模型和气 固分配平衡模型等。化学吸、脱附模型是利用气体在气敏 材料上的化学吸、脱附进行检测的。 • 目前应用最为广泛的气敏机理模型:化学吸、脱附模型 • 检测气体：H2S、NOX、NH3、H2、CO、O3等
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吸、脱附模型WO 吸、脱附模型WO3基气敏材料气敏机理
• WO3属于过渡金属氧化物,化学计量的WO3经高温加热会脱去少量晶 格氧,形成WO3-x(x=0·02—0·28)的非化学计量化合物,成为n型半导 • 体。在一定温度下,空气中的氧在WO3气敏材料表面会发生化学吸附 形成O2ads-、Oads-或Oads2-。当环境温度高于450K时,吸附氧以 Oads-的形式占优势。此时,当环境气氛中存在还原性气体R时, • 吸附氧与其在气敏材料表面发生如下反应(式1): • R+Oads-ROads+e-(1) • 还原性气体与化学吸附态的氧离子反应向导带释放出电子,使WO3基 气敏材料的电导升高,从而实现对待测气体的灵敏检测。当环境气氛中 存在氧化性气体时,氧化性气体在吸附过程中捕获半导体导带上的电子, 形成束缚电子,导致WO3基体材料电导率迅速降低,从而实现对氧化型 气体的灵敏检测。