量化表征气体敏感材料吸附热（焓变）的谐振悬臂梁实验方法

Nowadays, the lack of quantitative parameters in chemical sensors modeling and design is a big issue. There are urgent needs for quantitative sensing modeling and sensing material evaluation. This project focuses on developing integrated resonant cantilever sensor with pico-gram level resolution and sensing materials uploading technique. A novel micro-gravimetric experimental approach is proposed for obtaining a series of adsorption isotherm curves at different temperatures. According to the thermodynamic theory, the heat of reaction (ΔH°) can be calculated by using the Clausius-Clapeyron Equation from two isotherms. It is suitable for comprehensive evaluation, design, preparation and optimization of gas sensing materials by enthalpy changes. Characterizations and analysis will be carried out to verify the model. Broad applicability of the modeling method to other sensing materials and target gases is also experimentally confirmed, In addition to sensing materials, the gravimetric experiment based modeling method can be expanded to other functional materials. Therefore, the analytical modeling technique can be used for developing and evaluating new adsorbing materials for low concentration gas sensing. The quantification model will pave a way for the breakthrough in gas sensing material research as well as gas sensors application.

目前化学气体传感器发展面临缺乏定量设计模型的问题，迫切需要建立量化的敏感性能模型与评估方法。本项目将研发具有亚皮克质量分辨力的集成谐振微悬臂梁传感器，研究在传感器表面上载敏感材料的方法，建立一种创新的气体吸附变温微称重实验方法，通过实验获得不同温度下的吸附平衡状态参数，绘制一系列等温吸附曲线。研究热力学理论，使用克-克方程建立从等温吸附曲线中定量提取吸附反应热（即焓变）的模型，进而依据热力学参数对敏感材料特性进行评估、筛选并指导敏感材料的优化设计与制备。研究将利用多种表征和分析手段对模型和评估方法进行验证。该定量化焓变表征方法可适用于对痕量气体敏感的各类敏感材料，为突破气体敏感材料研究瓶颈和推进气体传感器的产品化应用进程提供一种先进研究方法，打下坚实的科学基础。

目前化学气体传感器发展面临缺乏定量设计模型的问题，传统方法都是通过试错法来验证材料性能，效率低下。因此亟需一种从本质上能够指导敏感材料评估与筛选的方法。.本研究以集成谐振微悬臂梁传感器为平台，开发了一套变温称重实验方法获取吸附等温线，建立了对敏感材料进行量化性能评估的模型与方法。本研究从热力学角度厘清了吸附材料的性能指标与其背后的热力学参数之间的具体关系，揭示了焓变正是决定材料性能的“基因”。基于热力学理论体系，建立了求解这类材料“基因”的详细方法。系统研究了以三种形貌相似的介孔纳米颗粒对三甲胺气体的吸附特性，并成功提取了热力学参数焓变。其中羧基功能化介孔纳米颗粒、磺酸功能化介孔纳米颗粒、未修饰介孔纳米颗粒对TMA的吸附焓变H分别为-63.4kJ/mol、-149.6kJ/mol、-23.0kJ/mol。研究还开发了一项全新的自对准式敏感材料上载技术。利用在传感器表面构筑的图案化疏水疏油自组装单分子层，引导含有敏感材料的溶液或浆料自发地流入敏感区域并停留，在其他疏水输油区域不会残留，实现自对准上载。利用新型的类剥离工艺，解决了微制造与自组装SAM的工艺兼容性问题。.研究进一步据此从材料“基因”角度，尝试提出了各种材料具体的适用场合。该定量化焓变表征方法可适用于对痕量气体敏感的各类敏感材料研究，为突破气体敏感材料研究瓶颈和推进气体传感器的产品化应用进程提供了一种先进研究方法。上载技术解决了悬空微结构表面特定区域上载敏感材料一致性差、均匀性差、设备昂贵的关键问题，且与微纳制造工艺、敏感材料构筑工艺相兼容，制造成本低，操作简易，适用范围广，具有良好的应用潜力。.本项目共发表SCI论文4篇，国际会议论文5篇，申请发明专利3项。