基于氧化锌的表面光电压变化对持久性有机污染物的快速痕量检测

It is very important to develop rapid trace detection with high sensitivity and selectivity toward persistent organic pollutants (POPs). Semiconductor gas sensors can detect hazardous gases rapidly, however, the sensitivity at room temperature and selectivity must be improved. It has been demonstrated that the sensitivity can be enhanced by UV light illumination. It is necessary to develop visible-light-driven semiconductor sensing materials because UV light can hurt our bodies and decompose organic molecules. ZnO possesses intrinsic defects and additional more defects can also be easily obtained by tuning the crystal growth conditions, so it can absorb visible light effectively. The adsorbate can decrease the possibility of surface state electron transfer, resulting in a surface photovoltage response. Firstly, ZnO with more defects will be fabricated. Then it will be treated with plasma for harvesting more surface defects which can improve its visible light adsorption. CuPc and cyclodextrin will be modified on ZnO surface to improve the sensitivity and selectivity of ZnO. On the basis of the above research, multipurpose ZnO composite sensing materials can be synthesized for sensor chip fabrication toward POPs detection. It is very important for environmental protection.

持久性有机污染物(POPs)的高灵敏、选择性快速检测极其重要。半导体气体传感器是快速检测污染物的有效途径，但其灵敏度和选择性不高。虽然紫外光激发可提高灵敏度，但紫外光有害，且易使有机物分解而导致探测误差。因此，研制可见光辅助下的半导体传感材料非常必要。特定生长条件下能在ZnO中产生较多缺陷，从而对可见光有较强的吸收。在可见光下，吸附的污染物会减小ZnO表面态电子转移几率，从而产生表面光电压响应，据此可检测吸附的污染物。本项目拟制备含缺陷的ZnO薄膜；通过等离子体处理和表面修饰酞菁铜结合，优化与提高表面缺陷与表面态电子密度，从而提高检测的灵敏度；通过在ZnO表面修饰能有效俘获POPs的环糊精，提高对POPs的选择性。该项目的实施，有望获得对几类POPs选择性好、灵敏度高的ZnO表面光电压复合传感材料，构建ZnO传感芯片，实现对几种POPs的选择性快速痕量检测，对环境保护具有极其重要的意义。

环境中的持久性有机污染物(POPs)含量虽然很低，但是危害却很大。由于POPs具有很强的化学惰性，目前仍主要使用以色谱-质谱为代表的实验室大型仪器对其进行分析。这些传统方法虽然能够做到痕量分析，但是检测过程复杂、耗时且成本高，难以实现对大量环境样品的快速检测，不能对突发污染事件进行预警和追踪。因此，相关的快速痕量检测技术十分重要。. 为了发展快速、灵敏地检测POPs的新方法和新技术，项目组基于ZnO产生表面光电压(SPV)及其对POPs响应的原理，以提高ZnO基底的敏感性、稳定性和可靠性为目标，在研制对POPs敏感的ZnO功能材料方面取得重要进展。主要包括：发展了两种稳定制备富含缺陷ZnO纳米结构薄膜的技术方法，在FTO导电衬底上原位生长了具有很强SPV信号的ZnO敏感薄膜；找到了通过表面等离子体处理或化学腐蚀来增加表面缺陷的两种有效方法，处理后的ZnO敏感材料的SPV信号得到了进一步增强，SPV信号的增强有利于提高ZnO材料对POPs的响应灵敏度；进一步，在ZnO表面优化修饰了TiOPc，将多氯联苯类POPs的灵敏度又提高了1个数量级，对多氯联苯PCB77的最低响应浓度为10 nM，线性响应范围为10~1000 nM；优化修饰了β-环糊精，提高了检测POPs的选择性，对PCB77的响应强度是六氯苯的4倍。项目组取得的这些研究成果，为发展基于SPV原理的新型检测技术提供了科学依据，建立了相关技术知识基础。