基于分子开关机制的有机氨敏材料的合成、器件制备和机理研究

This proposal present a sensing material based on Diels-Alder reaction of paranaphthalene and cyclopentadiene that can detect ammonia selectively. Ammonia, act as Lewis-base catalyst for the reaction, decided the electric-resistence of the material. In the polymer chain, paranaphthalene or cyclopentadiene unit participate Diels-Alder reaction in which the continuity of π bond is cracked. Like an electric switch in the polymer chain, the Diels-Alder reaction and its reverse reaction act as ON and OFF states of the switch. The resistance of the sensor element related to the concentration of ammonia. Synthesize the materials and use the material to build sensors and machine olfaction system. Building models of the princeples of the Diels-Alder reaction, the stereochemistry of the molecules is studied to enhance the selectivity of the sensors and the system. NH3-N of water is measured using this sensors system.

本项目以蒽和环戊二烯为基础，制备化学敏感材料。利用蒽、环戊二烯与单烯烃发生Diels-Alder 反应，氨以lewis碱催化剂的形式参与这个反应，控制Diels-Alder反应的平衡，进而控制材料的电阻。导电高分子连段中，蒽或环戊二烯单元发生Diels-Alder反应后，整个分子的连续大π键断裂，在分子链中形成一个开/关机制。被测化学物质氨作为催化剂，控制开关的几率，影响反应的平衡，通过检测电阻等确定氨的浓度。合成相关敏感材料，制备敏感器件，尝试制备人工味觉系统。通过对Diels-Alder 反应成环机制的计算和研究，在蒽、环戊二烯上连接适当的侧基，通过空间位阻效应，实现选择性检测的目的。在分子器件立体结构与传感器器件之间性能之间理论模型。利用多芯片协调工作，制备具有氨分析功能的人工味觉系统，并利用这个系统测量环境水中氨氮的含量。

本项目以有机半导体为基础制备氨敏材料，首先制备了含有蒽结构单元的噻吩类有机半导体材料，并以石英基片为基础制备了叉指电极芯片，测试了材料的性能和器件的性能。以硅为基础制备了OFET基础芯片，并在上述基础芯片的基础上，制备了多种OFET敏感器件，主要涉及了F8BT和P3HT等新型半导体材料，测试了器件的性能，并将器件制备成氨气传感器，测试了传感器性能。以上述OFET器件为基础设计了电解质栅极OFET（EGOFET），并将这种器件用于气体传感器信号采出，得到了一种实用性较好的成果。在OFET器件基础上，在有机半导体材料中掺杂了取代蒽类材料，从对取代蒽做了部分Diels-Alder反应处理，相关器件对氨、丙烯氰等具有一定的灵敏度，目前分析认为该反应来自Diels-Alder反应。