基于分子印迹聚合物修饰的石英音叉传感器的、便携式、挥发性有机化合物检测仪的研发

Air pollution catch people’s more and more concerns today. Volatile organic compounds especially BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) are the major indoor and outdoor air pollutants which are harmful to health and even induce cancer. Available detectors like GC-MS are bulky, expensive, and need proficient operator. While the only portable monitor of PID suffers bad selectivity and cannot monitor BTEX concentration. .To bridge the gap between VOC detectors and people’s requirements, this project will develop a portable, cost-effective, highly selective and sensitive VOC (BTEX) monitor which can also be connected to smartphone wirelessly. .Molecular imprinted polymer (MIP), which is highly selective to adsorb BTEX when using xylene as template in polymerization, are coated on the mass-sensitive and fast responsive tuning fork. The resonant frequency of coated tuning fork, driven and measured by a self-bulid circuit, will decrease when MIP adsorb BTEX. The concentration of BTEX can be read from frequency change of the tuning fork. The circuit can detect frequency change as small as 5 mHz, which means mass detection limit of 10 pg/mm2. The monitor will be connected to smartphone via bluetooth wirelessly for data process and display.

日益严重的环境污染已经引起了人们的广泛关注，挥发性有机物（VOC）是世界卫生组织和各国公认的影响人们身体健康的室内室外主要污染物之一。其中BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯合称）是VOC中的主要成分，也是典型的致癌物。现有检测仪器或笨重、价格昂贵、操作复杂，或者选择性差无法测定BTEX含量； 均无法满足人们的需求。.基于此，本项目将研制出5寸手机大小、高性价比的、和智能手机连接的VOC（BTEX）检测仪。.本项目将使用和BTEX结构相近的二甲苯作为模板分子，合成对BTEX具有高效选择性吸附的分子印迹聚合物；然后将其修饰到对质量变化高度敏感和快速响应的石英音叉表面；通过实时监测石英音叉共振频率的变化，即可反映出BTEX的浓度。自制的驱动和测量石英音叉共振的集成电路板，可以检测到5 mHz的频率变化，对质量变化的检测可低至10pg/mm2. 仪器通过蓝牙和智能手机连接来处理数据和显示结果。

个人健康设备集合了多种可检测人体健康状态以及外界威胁的传感器，气体传感器是个人健康设备中重要的组成部分。本报告旨在研发该类化学气体传感器，小巧便携，低成本。所研发的气体传感器平台如下：.基于石英音叉质量敏感平台的PM2.5 传感器：涂覆高分子得石英音叉可捕捉空气中的PM2.5，引起其质量变化，通过检测其共振频率的变化便可检测PM2.5的浓度。该传感器灵敏度高，线性响应范围宽，检测限低至5 ug/m3。.基于纸基微悬臂的VOC传感器：芯片有三层材料--纸为基底，PE膜为功能层，双面胶为粘合层。PE膜吸收VOC发生溶胀使芯片弯曲。使用摄像头检测这种弯曲， 便可建立和VOC的定量关系。该传感器选择性好，可以区分极性和非极性VOC气体；拓展性好，基底材料和功能层都可以根据实际需要进行更换。 .可配置型比色法阵列传感器： 控制光斑尺寸，使光控反应发生在极小的面积上。通过化学反应的局域化，将单个芯片转变成若干个芯片阵列，从而大大提高芯片的使用寿命。.基于苔藓的二氧化硫传感器：苔藓叶片叶绿素中的镁离子在酸性条件下会脱离从而使其由绿变黄。据此可建立叶片吸光度变化和二氧化硫的浓度关系。该传感器的检测限低至ppm。该传感器使装饰用途的绿植，同时具备了监测环境污染的能力，实现了真正意义上的环保产品。.基于双极性电极电化学和比色法的双传感器混合气体检测平台。通过检测双极性电极一端的金属溶解速度可以定性的检测溶液中的相关物质含量。该传感器的优点包括：不需微电极连接、可视化、可批量化、阵列化、比电化学方法更高的监测灵敏度。同时可将其和比色法传感器合并形成多传感器平台，实现对混合气体的同时监测。.通过以上研究，明晰了传感器的传感机理，性能影响因素，拓展了气体传感器的研究领域和应用范围。这些研发面向应用，在批量生产、重现性、均一性、线性信号等方面均作了较好的处理，获得了很好的效果。.下一步将弥补不足，完成传感器的电路集成、开发出便携式检测设备，并将其商品化，推动个人健康设备的发展。