基于质量敏感器件的二苯砜基分子探针的设计、原位生长、空气污染物敏感性能与机理研究

In recent years,air pollution caused by emission of interior decoration,automobile exhaust and industrial activity has an increasing trend,resulting in bad effect on health and enviroment.An easy operating,selective and portable gas sensor is required urgently to real-time detect these pollutants sensitively and accurately.Compared with standard method which utilized GC/MS analysis combined with thermal desorption,mass sensing devices have some advantages including high sensitivity,easy operation, and can be miniaturized, integrated and intelligentized facilely,meaning they can play a key role in air quality detection.But, poor gas selectivity and high humidity response limit their application. To achieve the target mentioned above, we will employ microminiature piezocrystal as a transducer. We design molecular probes of diphenylsulfone derivatives for sensing gaseous formaldehyde,benzene and its homolog as well as chemical warfare agent base on calculation of the first principle and simulation of molecular dynamics.The molecular probe could be in-situ grown on the electrode of mass sensing device to construct a portable gas sensor with high sensitivity and selectivity. The gas sensor has a potential for in-situ detecting air pollutants sensitively.Based on in-depth research on the effect of functional group and its quantity,working condition,piezocrystal cut-type and different transducer on gas sensing properties, we will reveal the sensing mechanism of gas sensor so as to pave the way for materials design and application of gas sensors.

近年来，由于室内装饰、汽车尾气和工业活动排放的污染物而造成的空气污染有愈演愈烈的趋势，给人身健康和生存环境造成了不良影响。对这些污染物进行实时、灵敏而准确的分析迫切需要操作简单、选择性好、携带方便的气体传感器。质量敏感器件因其灵敏度高、容易小型化、集成化和智能化等优点，在空气质量检测方面可以发挥重要的作用；但其气体选择性差、湿度影响大的缺点限制了它们的推广应用。 本课题以小型化的压电晶体为换能器，在第一性原理计算和分子动力学模拟的指导下，设计合成对环境气体（如甲醛、苯系物、化学战剂等）敏感的二苯砜基分子探针，并将其原位生长在换能器电极上，构建出选择性好、灵敏度高的便携式气体传感器，满足空气质量灵敏而实时的检测要求；在深入研究表面官能团及其数量、环境条件、晶体切型、换能器类型等与气敏性能关系的基础上，揭示气体传感器的敏感机理，为进一步的气体传感器材料设计和应用奠定基础。

近年来，由于室内装饰、汽车尾气和工业活动排放的污染物而造成的空气污染有愈演愈烈的趋势，给人身健康和生存环境造成了不良影响。对这些污染物进行实时、灵近年来，由于室内装饰、汽车尾气和工业活动排放的污染物而造成的空气污染有愈演愈烈的趋势，给人身健康和生存环境造成了不良影响。对这些污染物进行实时、灵敏而准确的检测迫切需要操作简单、选择性好、携带方便的气体传感器。半导体气体传感器虽然可以满足上述要求，但由于需要在高温工作，导致功耗高，本质安全性不足。而质量敏感器件因其灵敏度高、容易小型化、集成化和智能化等优点，在空气质量检测方面有望发挥重要的作用；但其气体选择性差、湿度影响大的缺点限制了推广应用。 .本课题可为质量敏感型气体传感器的分子探针设计提供理论和实验指导,重点开展的工作如下：.1、设计合成了氨基、醛基、氟醇、羧基、氰基、卤素取代基等二苯砜/SBA-15复合物、二氨基二苯砜基的配合物等分子探针，利用热分析、红外光谱、核磁共振等仪器研究了有机官能团的负载情况；利用氮气吸附仪、小角度 XRD 和透射电子显微镜观察了反应前后的比表面和孔结构变化。在此基础上研究了分子探针的官能团、官能团的位置和数量等对气敏性能的影响，通过优化合成工艺获得了孔结构适当、官能团位置和数量可控、负载量高的质量敏感材料。.2、重点研究了分子探针对甲醛、氨气、有机胺、苯系物和有机磷化合物的敏感性能。通过对QCM气体传感器表面的亲疏水性质调控，可以消除湿度对甲醛传感器产生的误报警；也可以实现对苯系物和湿度的选择性检测。.3、利用高斯计算和吸附等温线方法对分子探针和底物的相互作用进行了模拟和特征参数提取，依据吸附焓的大小讨论了分子探针的气敏机理，如希夫碱可逆加成机理；氢键作用机理；亲水疏水作用机理和甲苯的π-π相互作用机理等。.截止2018年1月，受本项目资助发表的SCI论文为37篇，其中一区论文21篇；中文核心期刊3篇；国际会议邀请报告4篇；国内会议邀请报告7篇；申请发明专利8项，授权发明专利4篇；培养博士研究生4名，硕士生15名；获得上海市自然科学二等奖1项；在本课题资助下，气敏机理的研究工作获得国家自然科学基金重大仪器专项资助、半导体气体传感器获得面上基金资助。