溶胶—凝胶法制备传感膜及性能研究

论文摘要

卟啉类化合物因为光敏性好、性能稳定、易于修饰,采用紫外-可见、红外、荧光、磷光、拉曼等光谱技术和电化学方法都可以检测到它的微小变化等优点成为传感器研究的理想模型化合物。溶胶-凝胶法制备有机硅杂化材料由于具有低表面能、耐高温、良好的化学稳定性、耐水性好、光学透明等优良性能,而引起了国内外许多学者普遍的关注。用溶胶-凝胶法制备卟啉传感膜检测类神经毒剂DMMP具有灵敏度高,响应快等特点。这方面的研究工作为反恐,防恐和现代化战争对类神经毒剂快速检测提供了一条新途径。本文首先简要介绍了溶胶-凝胶理论和本工艺过程及特点,并着重评述了溶胶-凝胶技术在涂层与薄膜和复合材料方面的最新研究进展及其应用,然后介绍了卟啉的相关性质及应用。其次探索了一种能对化学神经类毒气沙林的类似物,甲基磷酸二甲酯（DMMP）快速响应的新型的敏感物质——卟啉,每种卟啉与DMMP作用后都有独特的,唯一的光谱变化信号,根据这些信号可以对DMMP进行定量分析,筛选出一系列对DMMP敏感的金属卟啉。最后,溶胶-凝胶法制备了卟啉传感薄膜,研究了制备薄膜的实验条件,正交设计优化了薄膜制备的工艺参数,对薄膜的光学性质、表面形态、结构等进行了表征,测试了薄膜的敏感性能。在敏感物质筛选中,筛选出对DMMP敏感的七种金属卟啉.根据吸收光谱,研究了锌卟啉与DMMP相互作用,确定反应的结合常数,计算出摩尔焓变（ΔH）32.369 kJ·mol-1和摩尔熵变（ΔS）149.271 J·mol-1·K-1,为探讨两者的作用机理提供了可靠的理论根据。在薄膜制备中,反应条件如温度、盐酸、水对薄膜均匀性有很大的影响.当温度为60℃,四乙氧基硅烷、水和盐酸（1M）体积比为1:0.16:0.12时,成膜比较均匀。在卟啉传感膜的制备中,正交实验结果表明,四乙氧基硅烷与乙醇体积比和转速对薄膜的敏感性影响较大,体积比为1:2,转速为2400r.min-1时制备的传感膜敏感性较好,对体积分数为1x10-7的DMMP在作用前后吸光度变化2﹪以上。对传感膜进行表征,表面较为均匀,锌卟啉分子为平面结构,在薄膜上均匀的分布。卟啉传感膜对浓度为1x10-3—1x10-12范围内的DMMP都有良好敏感响应性,薄膜在加DMMP前后吸收光谱明显发生改变。薄膜吸光度变化.随着DMMP浓度的增大而增加,同一薄膜经反复测试后其敏感响性能几乎完全一致,薄膜重现性较好。用溶胶凝胶法制备的卟啉传感膜,其薄膜疏松多孔,能充分快速响应DMMP,具有良好的敏感性能,是制备传感器薄膜的较优方法。可以制成阵列对识别低浓度的物质和混合物有一定的应用前景,进一步还可以采用微电子加工工艺把微型传感器阵列与信号处理器以及转换电路做在一个芯片上,真正实现传感器的微型化,集成化和智能化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 溶胶-凝胶工艺过程和特点
• 1.2.1 溶胶-凝胶工艺过程
• 1.2.2 溶胶凝胶工艺特点
• 1.3 溶胶-凝胶法在材料制备中的应用
• 1.3.1 溶胶-凝胶法制备薄膜和涂层
• 1.3.2 溶胶-凝胶法制备复合材料
• 1.4 卟啉的结构特点
• 1.4.1 卟啉的结构
• 1.4.2 卟啉的性质
• 1.5 卟啉的应用
• 1.5.1 卟啉在传感方面的应用
• 1.5.2 卟啉在医学方面的应用
• 1.5.3 卟啉在分子器件方面的应用
• 1.6 本文的研究的主要内容
• 2 对类神经毒剂DMMP 敏感的卟啉及衍生物筛选
• 2.1 引言
• 2.2 分光光度法光谱分析的基本原理
• 2.3 实验仪器和药品
• 2.3.1 实验药品
• 2.3.2 实验仪器
• 2.4 实验方法和步骤
• 2.4.1 溶液的配制
• 2.4.2 光谱性能研究
• 2.5 结果和讨论
• 2.5.1 卟啉对DMMP 的敏感性
• 2.5.2 DMMP 的加样回收率
• 2.5.3 卟啉1 对DMMP 的热力学研究
• 2.6 本章小结
• 3 溶胶-凝胶法制备传感膜
• 3.1 引言
• 3.2 反应原理
• 3.3 实验仪器和药品
• 3.3.1 实验药品
• 3.3.2 实验仪器
• 3.4 实验方法与步骤
• 3.4.1 实验前的准备
• 3.4.2 二氧化硅薄膜的制备
• 3.4.3 传感膜的制备
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 各因素对二氧化硅薄膜均匀性的影响
• 3.5.2 卟啉溶液滴加在薄膜上
• 3.5.3 卟啉1 溶液加入到溶胶-凝胶中
• 3.5.4 传感膜表征
• 3.6 本章小结
• 4 传感膜的光谱性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验仪器和药品
• 4.3 实验方法和步骤
• 4.3.1 溶液的配制
• 4.3.2 传感膜制备
• 4.3.3 光谱性能研究
• 4.4 结果和讨论
• 4.4.1 卟啉1 在溶液中与传感膜中的光谱性能研究
• 4.4.2 传感膜对DMMP 敏感性
• 4.4.3 线性关系及检测限
• 4.4.4 DMMP 的加样回收率
• 4.4.5 重现性实验
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录