基于电导率对相对介电常数补偿的土壤含水率电容传感器标定方法

针对土壤含水率电容传感器检测精度低,标定模型对盐渍土壤的适用性不高等问题,提出基于电导率对相对介电常数补偿的含水率电容传感器标定法。在标准溶液中建立相对介电常数与传感器输出电压关系对数模型(R^(2)=0.983),进一步基于二元二次回归分析法,建立标准溶液电导率对相对介电常数补偿的相对介电常数与传感器输出电压及电导率的回归标定模型(R^(2)=0.979)。对传感器进行土壤含水率标定,建立土壤体积含水率与相对介电常数关系的三阶多项式标定模型(R^(2)=0.996)。对两步标定模型进行实测,结果表明:土壤电导率为0~2 dS/m时,体积含水率检测最大误差从未电导率补偿时0.0383 m^(3)/m^(3)降至电导率补偿后0.0127m^(3)/m^(3),最大相对误差从12.0200%降至6.2241%。结果表明,在不同电导率的同类土壤中,使用基于电导率对相对介电常数补偿的含水率传感器标定法能明显提高土壤含水率检测精度和对不同电导率土壤(黄土)的适用性。

面向汗液的可穿戴柔性电化学传感器研究进展

汗液中含有人体诸多生理信息,如电解质、代谢物、激素、温度等。基于汗液的可穿戴式传感器可对多模态生物指标实现分子层面上的实时、连续、非侵入式监测,在运动感知、疾病预防以及健康管理等领域具有重大发展潜力,而被广泛研究。本文阐述了可穿戴汗液传感器集成结构中基底、集汗、传感、电源和决策五大模块,着重强调了纳米结构(如金属基、碳基等材料)在电化学传感敏感材料中表现出的优异性能及应用,最后讨论了可穿戴汗液传感器在微量汗液收集及多参数传感中物理化学变量的可变性等方面存在的挑战。针对汗液收集和实时校准两个关键问题,提出可穿戴汗液传感未来发展方向包括仿生微流控技术和多参数反馈调控方法,实现微量汗液高效收集及精确检测,将有效推动汗液传感在慢性重大疾病实时预警的应用和发展。

静电纺丝法制备高熵合金及其蔬果中重金属离子电化学传感应用

采用静电纺丝结合高温石墨化技术,以静电纺丝碳纳米纤维(carbon nanofibers,CNFs)串联多金属,再通过高温石墨化技术成功在碳纳米纤维上原位合成了均一的高熵合金纳米颗粒(high-entropy alloy nanoparticles,HEA NPs)。基于FeCoNiCrCe/CNFs构建的重金属离子电化学传感器能实现同时对3种重金属离子的灵敏检测。在pH 5的0.1 mol/L醋酸-醋酸钠缓冲液中,沉积电压和时间分别为-1.3 V和300 s条件下,本研究所构建的电化学传感器对Cd^(2+)、Pb^(2+)和Cu^(2+)的检测限分别为0.06、0.005μmol/L和0.005μmol/L(信噪比=3)。分析认为其优异的性能归因于特定的HEANPs提供了良好的导电性和催化活性,以及CNFs较高的比表面积暴露出更多活性位点,二者的协同作用有利于重金属离子的吸附和脱附,促进了重金属离子的氧化还原反应以及电荷转移。本研究所制备的FeCoNiCrCe/CNFs/GCE电化学传感器在蔬果中检测重金属离子领域具有一定应用前景。

非接触点胶打印用ZnO-SnO_(2)复合气敏墨水的制备及气敏性能研究

非接触点胶打印是一种新型、高精度、无模板、低成本的成膜技术,墨水的理化性质是决定打印薄膜质量的关键,对微电子器件性能有着重要影响。本文采用聚乙二醇400(PEG400)作为分散剂取代传统的高分子量分散剂,以乙二醇和丙三醇为溶剂、ZnO-SnO_(2)复合气敏材料为功能相制备高性能气敏墨水,并利用非接触点胶技术在基于微电子机械系统(MEMS)的微热板上打印ZnO-SnO_(2)复合气敏薄膜。根据墨水的黏度及悬浮稳定性,分析了PEG400含量和固含量对墨水理化性质的影响,通过SEM观察薄膜的微观形貌,研究结果表明,当固含量为15%(质量分数,下同)、PEG400含量为6%时,复合气敏墨水具备可打印性及低温烧结成膜特性,制备的复合气敏薄膜厚度均匀,表面平整,边缘规整,对丙酮气体有良好的响应。

基于BaZr_(0.8)Y_(0.2)O_(3-δ)电解质的电流型NO_(x)传感器

氮氧化物(NO_(x))传感器是选择性催化还原(SCR)系统的重要组件之一。为了降低传统NO_(x)传感器的工作温度,使用2%质量分数的NiO作为烧结助剂制备了质子导体BaZr_(0.8)Y_(0.2)O_(3-δ)(BZY)电解质,研究了NiO烧结助剂对BZY电解质的相结构、微观形貌的影响。制备了基于BZY电解质的电流型NO_(x)传感器。实验结果表明:该传感器在400℃时,对体积分数范围在10×10^(-6)~250×10^(-6)的NO_(2)显示出良好的线性响应。同时,也表现出较高的灵敏度、良好的选择性和重复性。

电子洁净室空气化学污染物检测研究进展

随着芯片制程的降低,对于生产芯片的电子洁净室提出了更高的环境要求,其中检测痕量气态化学污染物是重要的一个环节。对国际标准、国家标准、半导体线路图当中对于电子洁净室的环境要求以及不同污染物对芯片制造会有哪些危害进行阐述。论述了当前电子洁净室中对于痕量气体主要的测量方法原理,并针对最低检测限、灵敏度几个方面阐述前人研究。总结了当前用于测量的不同公司的仪器标称性能,并提出不同测量方法针对检测下限和灵敏度提升的主要改进措施。提出了未来可以将传感器阵列与深度学习相结合,在软件和算法层面提高对痕量气体的测量准确度。

糖皮质激素纳米电化学传感器研究简述

糖皮质激素具有重要的临床价值及潜在的巨大副作用,同时也属于兴奋剂,竞技赛场严禁使用。因此,如何对其进行有效检测一直是研究热点。近年,纳米电化学传感器由于具有较高的检测效能,广泛用于此类药物的分析检验,效果极佳。本研究以我国目前临床一线使用及市面正常销售的主流糖皮质激素为考察对象,按药物属性类别各自简述最近十年该领域的研究进展。指出整个领域具有“材料种类多样、传感器类型多样、研究手段多样”的特点,并揭示其存在“分析对象单一、研究模式单一”等不足。基于药品安全、食品安全、兴奋剂管控等现实问题,未来相关研究将聚焦于实现双模式检测及构建纸基微芯片分析系统两个方面。

铕修饰硅纳米颗粒可视化检测铜离子

为了实现对水中铜离子(Cu^(2+))的检测,设计开发了比率荧光探针铕修饰硅纳米颗粒(Eu-DPA@SiNPs)。在探针中,SiNPs作为参比信号,Eu^(3+)为响应信号,而2,6-吡啶二羧酸(DPA)作为“天线”敏化Eu^(3+)。采用透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射图谱(XRD)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)对探针进行形貌和结构的表征,用荧光光谱测试其检测性能。结果表明:当DPA与Eu^(3+)的摩尔比为0.5∶1时,探针具有最大淬灭效率;探针为均匀分散的球形颗粒,平均直径为26.15 nm;探针中加入Cu^(2+)后,10 s即反应完全,在0.2~13.0μmol/L范围呈现良好的线性关系,检出限(LOD)为0.41μmol/L,远低于美国环境保护署所规定的饮用水中Cu^(2+)含量最大允许限值,并成功将探针应用到实际水样中检测Cu^(2+);进一步制备了荧光检测试纸,实现了对Cu^(2+)的便携、可视化和半定量检测。

铈钛共掺杂氧化锆致密扩散层极限电流型氧传感器

采用固相法制备铈钛共掺杂氧化锆Ce_(0.2-x)Ti_(x)Zr_(0.8)O_(2)(CTZ)(x=0.05,0.1,0.15)混合导体材料,以铈钛共掺杂氧化锆作为致密障碍层,10ScSZ作为固体电解质,制备了极限电流氧传感器。结果表示:Ce_(0.2-x)Ti_(x)Zr_(0.8)O_(2)(CTZ)在x=0.05,x=0.1时主晶相为四方相结构,x=0.15时大量单斜相存在;随着Ti掺杂量x的增加晶粒逐渐增大,在x=0.05时,Ce_(0.2-x)Ti_(x)Zr_(0.8)O_(2)材料的电导率最大;在测试范围内,氧传感器具有良好的极限电流平台。在810℃时,极限电流与氧浓度呈线性关系:IL(mA)=0.778+0.451x(O_(2))(mol%)R=0.997。在恒温810℃,含氧量在6%和16%之间来回切换时,测得传感器的响应时间曲线,得出氧传感器呈现良好的重复性。

基于ZnO/CuO敏感电极的NO_(2)传感器性能

二氧化氮(NO_(2))是最常见的空气污染物之一,主要来源于化石燃料的燃烧,需要研制性能优良的NO_(2)气体传感器来对其体积分数进行实时监测。采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质、ZnO/CuO为敏感电极,制备了阻抗型NO_(2)传感器。采用分步浸渍法将敏感材料原位引入到YSZ多孔骨架中,通过调整敏感材料ZnO/CuO摩尔比来优化传感器的敏感性能。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的组成和微观结构进行了表征。结果表明,ZnO/CuO颗粒均匀分散在YSZ多孔层中。以相角(Θ)作为响应信号来评价传感器敏感性能。实验结果表明,与单一氧化物ZnO相比,ZnO和CuO摩尔比为8∶2制备的传感器对NO_(2)气体具有更好的敏感性能。在400~500℃,Θ响应值与5×10^(-5)~5×10^(-4)NO_(2)体积分数呈良好的线性关系。450℃时,传感器有最低检测下限5×10^(-5)。此外,该传感器表现出最大响应值(5×10^(-4)NO_(2)的Θ响应值为18°)、最佳灵敏度(0.039°/10^(-6))、良好的稳定性以及对其他气体的抗干扰能力。

超声膨胀纳米团簇束流沉积SnO2薄膜的氢敏性能研究

氢能源发展如火如荼,氢燃料电池、高压储氢等技术蓬勃发展,但氢气传感器发展却相对落后,主要原因是现有制备手段难以获得兼具小晶粒尺寸和高疏松度的敏感薄膜。论文采用超声膨胀团簇束沉积技术制备了高度疏松的氧化锡薄膜,并研究了退火温度对其表面形貌、结晶度、晶粒尺寸以及化学组分的影响。结果表明,未退火样品氧含量低对氢气没有响应。250℃退火样品为非晶薄膜且保持了较高的疏松度,因此对氢气响应最快且幅值最高,但电阻过高难以实用。500℃退火样品表面吸附氧物种过多导致氢敏性能较差。750℃退火样品具有最佳的综合性能,且在高湿度下氢敏性能可进一步提升,因此,特别适合在氢燃料电池汽车中作为氢气安全传感器使用。

Co_(3)O_(4)纳米棒的制备及其室温气敏性能研究

以Co(NO)_(3)·6H_(2)O为钴源,CO(NH_(2))_(2)为沉降剂,聚乙烯吡咯烷酮为分散剂,NH4F为前驱体氟源,通过水热法制备了Co_(3)O_(4)纳米棒,并以此制备旁热式气敏元件。X射线衍射和场发射扫描电子显微镜对材料的晶体结构特征、晶粒尺寸、形貌的表征结果显示,Co_(3)O_(4)为多孔纳米棒,其晶粒尺寸为22.2 nm,颗粒尺寸在35~69 nm之间,长约4.7μm,直径范围为220~300 nm,长径比为15.7~21.4。气敏测试结果表明,在80℃下,Co_(3)O_(4)纳米棒气敏元件对0.1 g/L乙醇的灵敏度为465.43,在25℃下仅为2.14。引入0.02 g/L臭氧(O_(3))作为环境气体时,在80℃下气敏元件灵敏度提高到923.16,在25℃下提高到7.64。该气敏元件的恢复过程可采用交替切换O_(3)与测试气体的方式在3 min内完成,实现了室温下元件气敏检测的可重复性。O_(3)的引入,在室温下实现了Co_(3)O_(4)气敏元件对乙醇的气敏检测。

环境检测中电化学传感器的运用

电化学检测技术是医学、物理学、电子学、化学和生物学等学科交叉融合而成的一门新学科。电化学传感器灵敏度高、能进行实时、快速的检测、检测设备的设备造价较低,因此被广泛用于环境检测。为此,文章对近年来兴起的电化学传感技术及其在环境保护中的应用做了简单的概述,为进一步开展相关研究提供了有益的参考。

基于生物质Sm/SnO_(2)的异丙醇气体传感器实验研究

本研究采用溶剂热法通过脱脂棉生物模板的限制效应合成了多孔Sm/SnO_(2)多通道材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对材料的成分和形貌进行了表征分析观测。多孔Sm/SnO_(2)多通道复合物和不同Sm含量制备的传感器对异丙醇传感特性也进行了测试。测试结果表明:基于多孔2 mol%Sm/SnO_(2)多通道材料制备的传感器在200℃下对50 ppm异丙醇的最佳灵敏度为71,与纯SnO_(2)相比具有更好的气敏性能。本文对传感机理也进行了详细的分析,结果表明利用生物模板和稀土Sm掺杂协同效应制备气敏材料是一种提升异丙醇气敏性能的可行方案。

基于金属有机框架材料的VOCs传感器应用进展

采用传感器对挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)进行实时监测对人体健康和环境保护具有重要意义。金属有机框架材料(MOFs)可调的孔径和开放的金属位点有利于气体的选择性吸附,被证明是提升气体传感性能的理想材料。本文综述了基于MOF材料的VOCs传感器的主要进展,分析了MOF材料在化学电阻和化学电容传感器中发挥的作用及作用机理,并对该领域面临的主要挑战和前景进行了展望。

一种气体电化学传感器补偿电路的研究与应用

为了改善电化学传感器在测量高精度场合存在的误差,本文提出了一种基于差分检测的补偿测量方式,利用电流偏置电路、流压转换电路,调零电路,消除运放本身所产生的失调误差。利用增加补偿零点电流电化学传感器与传统地电极电化学传感器进行对比实验,实验表明通过补偿电路也可以有效地解决了电路本身所产生的偏差,保证电化学传感器能正常且迅速地工作,保证信号检测的稳定性。

碲基金修饰场效应管型二氧化氮传感器

NO_(2)作为机动车尾气和工业排放中最常见的污染物之一,其预警监测对于环境与人体健康有着重要意义。工业生产与人民生活的智能化趋势对传感器在高性能、微型化、集成化等方面提出了更高要求。场效应管作为一种重要的电学器件结构,由于与MEMS工艺兼容,在器件的小型化和集成化方面具有巨大优势,因而基于新结构与新材料开发高性能场效应管型NO_(2)传感器具有重要研究价值。本工作通过水热法合成了碲纳米带沟道材料,通过表征证实了材料的条带状形貌与单晶结构,并在此基础上完成了碲基场效应管的制备。为进一步提升器件的响应特性,对沟道表面进行了金修饰,并对比测试金修饰前后的气敏特性。金修饰后器件响应恢复速率加快,基线漂移得到改善,检测下限拓宽至100ppb,同时传感器表现出良好的选择性与重复性。从载流子迁移、Au与Te的金属-半导体接触、器件比表面积与化学吸附氧的作用几个角度对气敏机理进行分析,建立了碲基场效应管型NO_(2)传感器敏感机理模型。本工作为场效应管型有毒有害气体传感器的设计制备与增敏提供了一种有效策略。

YSZ基极限电流型NO_(x)传感器研究进展

随着汽车尾气排放标准更加严格,NO_(x)传感器作为主要排放处理技术-选择性催化还原系统(SCR)的核心部件成为当下的研究热点。YSZ作为固体电解质的极限电流型传感器在监测精度和控制成本上有着显著作用。综述了近年极限电流型氧传感器和NO_(x)传感器的研究进展。介绍了传感器的历史发展、结构和工作机理。重点阐述了扩散层、电极层的材料选择和结构组成对传感器性能的影响。基于目前集成MEMS气体薄膜传感器的发展以及传感单元结构多腔耦合组合模型的不断完善,提出未来亟待解决的问题,预测可能的发展方向。

二维碳化钛/氧化锌纳米颗粒的制备及其乙醇气敏性能研究

通过水热法和液相化学刻蚀法分别制备氧化锌纳米颗粒(ZnO NPS)和二维层状碳化钛(Ti_(3)C_(2)T_(x)),采用静电自组装技术得到不同质量比的碳化钛/氧化锌(Ti_(3)C_(2)T_(x)/Zn O)复合材料,通过丝网印刷得到气敏传感膜,并研究了其气敏特性。通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对合成材料进行了结构表征。结果表明,Zn O NPs均匀分布在具有二维手风琴状的Ti_(3)C_(2)T_(x)表面并穿插在层间。在复合材料对乙醇、丙酮、甲醇、甲醛、甲苯等5种典型的挥发性有机物(VOCs)气体的检测中,发现其对乙醇气体表现出优异的传感性能。在最佳工作温度(250℃)下,样品M/ZNPS1(Ti_(3)C_(2)T_(x)质量分数为6.25%)对体积分数为0.01%的乙醇灵敏度(R_(a)/R_(g)=11.27)比纯Ti_(3)C_(2)T_(x)(R_(a)/R_(g)=1.28)高约8.8倍,且具有出色的响应/恢复时间(4 s/8 s)和优异的选择性、长期稳定性。着重从载流子在电极间的输运行为角度对Ti_(3)C_(2)T_(x)/Zn O复合材料的气敏机理进行了讨论,该材料对低浓度乙醇气体的检测有着潜在的应用前景。

NiCo_(2)O_(4)@PANI复合材料的制备及其电化学性能研究

通过水热处理及电化学沉积,在集流体泡沫镍上原位生长出NiCo_(2)O_(4)@PANI复合材料.通过扫描电镜观察到泡沫镍上均匀分布着表面粗糙的纳米棒阵列,这种结构有利于电极材料与电解液的充分接触与反应;PANI(聚苯胺)的包覆增加了NiCo_(2)O_(4)的导电性,降低了载流子传输的活化能,因而表现出优异的电化学性能.在1 mA·cm^(-2)的电流密度下,复合材料的比电容为2307.15 F·g^(-1).当电流密度提升到20 mA·cm^(-2)后,比电容的保留率为78.13%.在10 mA·cm^(-2)电流密度下,循环2000次后,比电容保留率为85.46%.测试结果证明该复合材料作为电极材料,在超级电容器的应用中有着巨大的潜力.