基于非共轭聚合物的湿度辅助氨气传感器研究

Human exhale gas detection has greatl significance for the early non-invasive diagnosis of diseases. However, traditional semiconductor gas sensors are difficult to meeting the need of exhale gas detection due to the poor selectivity and high humidity interference. Here, we present a novel gas sensing mechenism, which utilizes the dissolution, ionization and ion trasportation process of target gas at polymer/electrode interface under high humidity (humidity of exhale gas exceeding 97% RH) to realize the slective detection of the target gas. The selectivity of the sensor can be improved by utilizing the differences of solubility, ionization and ion mobility between different gas. In this project, the functional modification of compatible materials for human physiological environment is studied to improve the sensitivity of the device; the paper-based sensor is developed to obtain low-cost flexible room temperature ammonia sensor; the interaction behavior of water molecules and target gases on the surface of polymers is studied, and the sensing mechanism of the gas sensor is revealed. Finally, the high sensitivity and selectivity detection of 1 ppm ammonia in high humidity environment is realized.

人体呼吸气体检测对于疾病的早期无创诊断有重要现实意义。目前用于呼气检测的氧化物半导体气体传感器存在选择性差、灵敏度低和湿度干扰大的瓶颈问题。申请人突破常规的氧化物半导体气体传感材料的构筑策略，提出利用高湿环境下（呼吸气体湿度超过97% RH）特征呼出气体在非共轭聚合物/电极界面的溶解、电离和传导特性，实现对目标气体检测的新方法。利用不同目标气体溶解度、电离度以及离子迁移率的差异，实现传感器选择性和灵敏度的提高。本项目中，研究生物功能型材料的功能化修饰，提高器件的灵敏度；研究纸基呼气传感器的结构设计，获得低成本的柔性室温氨气传感器；研究水分子和目标气体在绝缘聚合物表面的相互作用行为，揭示新原理气体传感器的感知机理。最终实现高湿环境下1 ppm氨气的高灵敏、选择性检测。

呼出气体成分分析对于疾病的早期无创筛查具有重要意义。针对气体传感器面向呼出气体成份分析领域应用时面临的选择性差、湿度干扰大两个关键问题，本项目利用高湿环境中特征呼出气体在非共轭聚合物中水解引起的离子传导增强现象，提出实现对目标气体检测的新方法。设计了非共轭聚合物气体传感器，并围绕传感器的材料性能调控、器件结构优化及传感机理探究开展了深入细致的研究工作。具体包括：（1）选用化学结构简单且清晰的非共轭聚合物体系开展研究，结合敏感膜电导率、复阻抗、吸附质量等测试分析，建立了传感器理论模型，从气体吸附、水解和离子传输的角度初步阐明非共轭聚合物气敏机理，明确了影响非共轭聚合物传感器性能的关键因素；（2）基于对非共轭聚合物传感器传感机制的认识，开发了氨基酸/聚氨基酸复合传感材料体系，显著提高非共轭聚合物氨气传感器灵敏度及选择性；（3）应用原位紫外光交联技术开发了生物质酸/交联聚合物水凝胶材料体系，结合电学、光电、和原位质量测试等分析手段对传感器灵敏度和稳定性影响因素进行了系统研究，得到了生物质酸质子电离能力和交联聚合物水凝胶亲水性阈值，制备出可满足呼出气体氨气检测的室温传感器（80% RH，对1ppm NH3响应值>3）；（4）结合纤维素材料制备了可即用即抛的柔性非共轭聚合物氨气传感器，传感器具有高灵敏度、高选择性、低成本、可批量制备等优势，在呼出气体成分分析应用领域具有明显应用潜力。通过本项目的研究，构建出基于非共轭聚合物的新型传感器体系，拓展了针对高湿环境中可水解气体检测的研究体系与技术途径。上述研究工作取得了多项创新性研究成果，实现了预期技术指标及人才培养、研究成果等目标，项目执行期间，负责人作为第一作者或通讯作者发表学术论文12篇，培养博士研究生4名、硕士研究生1名。