近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)化、城市化水平的提高，環(huán)境空氣中的有機(jī)物污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。這些有機(jī)污染物主要是VOCs，即揮發(fā)性有機(jī)化合物，按照化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為烷烴類、鹵代烴類、芳香烴類、烯烴類、有機(jī)酮類、胺類、醇類、醚類、酯類、醛類和石油烴化物等。
VOCs在室內(nèi)外的環(huán)境空氣中普遍存在，在室外主要來(lái)源于石油化工、交通運(yùn)輸、自然燃料燃燒等產(chǎn)生的工業(yè)廢氣、溶劑揮發(fā)、汽車尾氣、光化學(xué)污染以及二次反應(yīng)產(chǎn)物等；而室內(nèi)則主要來(lái)源于建筑和家居裝飾裝修材料如乳膠漆、墻紙、粘結(jié)劑等，以及家用電器、自燃煤氣和烹調(diào)等。這些VOCs污染物在室外太陽(yáng)光和熱的作用下會(huì)參與氧化氮反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧并破壞大氣空氣質(zhì)量，是夏季煙霧污染物的主要成分。VOCs污染物本身具有一定的毒性，刺激性和特殊的氣味，在室內(nèi)空氣中達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生巨大的影響，并被喻為人類的"隱形殺手"。VOCs污染物會(huì)對(duì)人的感官、呼吸道系統(tǒng)、皮膚以及神經(jīng)系統(tǒng)等會(huì)造成一定的影響。
因此人們對(duì)周遭空氣質(zhì)量的好壞越來(lái)越關(guān)注，這種關(guān)注從室外宏觀的大氣質(zhì)量延伸到了室內(nèi)微觀小環(huán)境中的空氣質(zhì)量。在評(píng)估室內(nèi)空氣質(zhì)量時(shí)，有一個(gè)重要的指標(biāo)VOC，即揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds)。美國(guó)環(huán)境署(EPA)對(duì)VOC的定義是：除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、碳酸鹽以及碳酸銨外，任何參與大氣中光化學(xué)反應(yīng)的含碳化合物。百度百科對(duì)VOC的描述是：“在常溫下可以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味性，會(huì)影響皮膚和黏膜，對(duì)人體產(chǎn)生急性損害……是一類重要的空氣污染物。”
因此人們對(duì)于VOC的認(rèn)識(shí)越充分，就會(huì)越“緊張”于它的存在?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)估中，對(duì)VOC監(jiān)測(cè)的需求也會(huì)越來(lái)越多。這無(wú)疑會(huì)給VOC傳感器帶來(lái)更多的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
不過(guò)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相類似，室內(nèi)空氣質(zhì)監(jiān)測(cè)市場(chǎng)需求，也呈現(xiàn)出碎片化、多樣化的特點(diǎn)。如何根據(jù)市場(chǎng)環(huán)境的需求和變化進(jìn)化出有生存競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，是傳感器廠商的必答題。今天工采網(wǎng)小編給大家介紹幾款VOC傳感器。
PID光離子氣體傳感器(小量程) - PID-AH
光離子氣體傳感器PID-AH最低可以檢測(cè)1ppb的VOC氣體，可以檢測(cè)2000多種不同的VOC氣體,許多有害物質(zhì)原料都含有VOC，PID由于其對(duì)VOC的高靈敏度，成為有害物質(zhì)早期危險(xiǎn)報(bào)警、泄漏監(jiān)測(cè)等不可缺少的實(shí)用工具。非常適合環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和儀器。
大量程光離子PID氣體傳感器 - PID-A1
PID氣體傳感器PID-A1是大量程的PID傳感器，是VOC檢測(cè)專用氣體傳感器，最高可以檢測(cè)6000ppm的VOC氣體，4系大小，非常適合化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
空氣質(zhì)量傳感器（甲醛傳感器）- TGS2602
空氣質(zhì)量傳感器TGS2602對(duì)低濃度氣味的氣體具有很高的靈敏度，這樣還可以對(duì)辦公室與家庭環(huán)境中的廢棄物所產(chǎn)生的氨、硫化氫等氣體進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器還對(duì)木材精加工與建材產(chǎn)品中的VOC揮發(fā)性氣體如甲苯有很高的靈敏度。由于實(shí)現(xiàn)了小型化，加熱器電流僅需56mA，外殼采用標(biāo)準(zhǔn)的TO-5金屬封裝。
P型半導(dǎo)體VOC傳感器 - VOC-MF1,VOC-PF1,VOC-AF1
VOC傳感器VOC-MF1，VOC-PF1，VOC-AF1為寬帶總揮發(fā)性有機(jī)物（Total VOC）探測(cè)器。當(dāng)考慮到PID的成本問(wèn)題時(shí)，可用本傳感器來(lái)檢測(cè)10~50ppb的VOC，具體取決于VOC種類，例如甲醛，甲苯等VOC氣體。與常見(jiàn)的n型傳感器不同，本金屬氧化物傳感器的動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)可重復(fù)、受濕度影響小，并且遇大多數(shù)VOC電阻會(huì)上升。通過(guò)簡(jiǎn)單的電氣線路可將電阻的改變轉(zhuǎn)換成輸出電壓。盡管傳感器可在恒溫/恒壓模式下運(yùn)行，但傳感器在400℃（感應(yīng)溫度）~525℃（重置溫度）之間循環(huán)時(shí)響應(yīng)最佳
英國(guó)alphasense可揮發(fā)性有機(jī)物(ETO)傳感器 - ETO-A1
ETO傳感器 ETO-A1主要特性:測(cè)量范圍：100ppm ;靈敏度：1600～3200nA/ppm ;響應(yīng)時(shí)間：< 75s
英國(guó)alphasense 環(huán)氧乙烷傳感器(ETO傳感器) - ETO-B1
環(huán)氧乙烷傳感器 ETO傳感器 ETO-B1主要特性:測(cè)量范圍：100ppm ;靈敏度：2000～3200nA/ppm ;響應(yīng)時(shí)間：< 200s
氣體傳感器是一種能感知環(huán)境中某種氣體的種類和濃度的裝置或者器件，并能夠?qū)⑵湎嚓P(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以便于對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析及報(bào)警。伴隨著人們對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量要求的提高，對(duì)于性能優(yōu)良的便攜式在線氣體傳感器檢測(cè)儀的需求和要求也越來(lái)越高，一個(gè)完美的氣體傳感器應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)選擇性好，能夠在多種氣體共存的環(huán)境中對(duì)被測(cè)氣體有明顯的響應(yīng)特征；
(2)靈敏度高，具有寬的檢測(cè)范圍和低的檢出限；
(3)信號(hào)響應(yīng)和恢復(fù)速度快，且可逆性好；
(4)抗電磁等干擾能力強(qiáng)，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，具有較長(zhǎng)的保存和使用壽命；
(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低耗價(jià)廉，使用和維修方便；
(6)小型便攜，智能化和多功能化，便于在線現(xiàn)場(chǎng)分析。
常見(jiàn)VOC氣體傳感器根據(jù)其工作原理主要分為三大類：電化學(xué)氣體傳感器(如電阻、電流、阻抗、電位等)、光學(xué)類傳感器(包括光譜吸收型、熒光法、可視化法等)以及質(zhì)量型氣體傳感器(例如石英晶體微天平和表面聲波氣體傳感器)等。按照氣敏材料可以分為半導(dǎo)體金屬氧化物材料、有機(jī)聚合物材料、無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料等。近年來(lái)，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化。深入了解掌握各類氣體傳感器的氣敏機(jī)理，靈活研制運(yùn)用新材料，新機(jī)制以及新技術(shù)，使傳感器的性能達(dá)到最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。
1 電化學(xué)VOC傳感器
電化學(xué)VOC傳感器的檢測(cè)原理為VOC氣體與氣敏材料的表面產(chǎn)生吸附或者反應(yīng)(物理吸附或者化學(xué)吸附)，從而引起其電學(xué)性質(zhì)(如電阻、電流、阻抗、電位等)的變化。其中基于半導(dǎo)體金屬氧化物的電導(dǎo)型VOC傳感器應(yīng)用最為廣泛，在當(dāng)前的氣體傳感領(lǐng)域中占有重要的地位。按照其對(duì)氣體電學(xué)檢測(cè)裝置來(lái)分，可分為常見(jiàn)的雙電極電導(dǎo)型檢測(cè)系統(tǒng)和三電極場(chǎng)效應(yīng)管檢測(cè)系統(tǒng)。按照VOC電學(xué)氣敏材料可以分為半導(dǎo)體金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、納米材料(典型的納米材料如零維金納米簇、一維碳納米管或硅納米線以及多維石墨烯等)以及多孔材料等。
(1)半導(dǎo)體金屬氧化物電導(dǎo)型傳感器
半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)電阻或者功函數(shù)發(fā)生變化這一特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。半導(dǎo)體式傳感器是研究最早和比較成熟的氣體傳感器。早在1936年時(shí)P.Braue[1]就發(fā)現(xiàn)Cu20吸附水蒸氣后導(dǎo)電率發(fā)生變化。到目前半導(dǎo)體氣體傳感器由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快速靈敏、低廉穩(wěn)定以及電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)已發(fā)展為一個(gè)大體系，其中以ZnO和Sn02的研究最為成熟。1967年，日本Figaro公司首先將Sn02半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器進(jìn)行商品化。但是半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的不足之處是工作溫度較高，對(duì)氣體的選擇性較差，而且容易中毒。所以一些新型的金屬有機(jī)復(fù)合物、重金屬摻雜型半導(dǎo)體氣體傳感器得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。Sn02是金紅石結(jié)構(gòu)，N型半導(dǎo)體，表面電阻控制型的氣敏材料?？諝庵械难醴肿游降狡浔砻鏁r(shí)，會(huì)從半導(dǎo)體的表面獲得電子而形成氧的負(fù)離子吸附，使得半導(dǎo)體的電子密度降低，表面電阻增大。與VOC氣體接觸產(chǎn)生表面吸附或者反應(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)VOC氣體的測(cè)定。Zhang Tianshu等[2]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向Sn02中摻入10％的cd后可以大大提高對(duì)乙醇?xì)怏w的響應(yīng)靈敏度和選擇性，檢測(cè)限達(dá)到ppm級(jí)，可用作呼吸氣體中的酒精檢測(cè)儀。這主要是因?yàn)镃dO摻雜可以降低Sn02的晶粒大小，增加德拜長(zhǎng)度，促進(jìn)乙醇的脫氫反應(yīng)，使得表面化學(xué)吸附的氧負(fù)離子密度降低，電導(dǎo)率增強(qiáng)。
(2)零維納米材料電導(dǎo)型傳感器
眾所周知，納米結(jié)構(gòu)對(duì)化學(xué)環(huán)境非常敏感，可以用做超高靈敏度的氣體傳感材料。零維金納米簇由于其自身特殊的物理化學(xué)性質(zhì)而在傳感領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[3]。金納米簇不僅具有零維納米尺寸金屬芯的量子點(diǎn)行為，還可以與配體間發(fā)生表面相互作用。Wohltjen和Snow首次將單層保護(hù)的金納米簇用于VOC電學(xué)傳感領(lǐng)域。內(nèi)核金提供電子的導(dǎo)電通道，外層有機(jī)殼作為絕緣層，提供對(duì)VOC的選擇性吸附界面。吸附VOC后使得單層金納米簇發(fā)生膨脹，增大金核間的距離，從而引起電導(dǎo)率下降，電阻值增大。通常采用噴涂方法來(lái)將單層金納米簇沉積到集成電極上。Chia-Jung Lu等[4]指出單層金納米簇對(duì)VOC的電學(xué)響應(yīng)特性，不僅與吸附VOC后引起金核間電子傳導(dǎo)能力變化有關(guān)，同時(shí)與活化能有關(guān)?；罨荜P(guān)系到金納米簇間的充電過(guò)程，并與VOC的介電常數(shù)密切相關(guān)。根據(jù)不同官能團(tuán)化的金納米簇與VOC間的相互作用力，設(shè)計(jì)選擇有機(jī)硫醇的種類與結(jié)構(gòu)，例如范德華力(烷基硫醇)、極化誘導(dǎo)力(富馬酸二甲酯)、極性(甲氧基)以及氫鍵(苯并噻唑)，并根據(jù)不同金納米簇對(duì)VOC的選擇性交叉響應(yīng)特點(diǎn)構(gòu)建VOC傳感陣列。
(3)基于納米多孔材料的電導(dǎo)型氣體傳感器
多孔材料由于其自身的結(jié)構(gòu)特性使其往往具有良好的氣體吸附能力。例如納米多孔硅光子晶體由于自身巨大的比表面積和微納尺寸效應(yīng)，對(duì)VOC氣體有很好的吸附能力，同時(shí)多孔硅具有良好的光學(xué)和電學(xué)特性，在VOC傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
(4)基于聚合物材料的電導(dǎo)型傳感器
導(dǎo)電聚合物材料不僅具有金屬和半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)特性，而且具有有機(jī)聚合物的柔韌機(jī)械性，以及電化學(xué)氧化還原特性因此常作為氣敏材料應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。導(dǎo)電聚合物氣敏材料主要有酞菁聚合物，聚吡咯，聚苯胺，卟啉及金屬卟啉類絡(luò)合物等共軛聚合物材料，與吸附氣體分子之間可以產(chǎn)生得失電子關(guān)系并引起其摻雜水平和物理性質(zhì)的變化，使得導(dǎo)電聚合物氣敏材料的電阻或功函數(shù)對(duì)吸附氣體產(chǎn)生響應(yīng)。但是對(duì)于大部分VOC氣體而言，與導(dǎo)電聚合物氣敏材料間難以發(fā)生基于電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)，而是弱的物理相互作用力。David N．Lambeth等利用噴墨打印系統(tǒng)將多種具有不同取代側(cè)鏈和末端基團(tuán)的聚噻吩類聚合物沉積到微陣列電極上，制備成電導(dǎo)型VOC傳感陣列。該導(dǎo)電聚合物對(duì)VOC的響應(yīng)靈敏度和選擇性取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)。聚噻吩類聚合物與VOC氣體分子間存在偶極作用和范德華力等多種相互作用力，吸附同一種VOC氣體后所引起的聚合物的電荷密度和分布變化不同，導(dǎo)致其電導(dǎo)率的變化有增有減。利用主成分分析法對(duì)這種交叉響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)VOC的識(shí)別區(qū)分。
2.光學(xué)voc傳感囂
基于光學(xué)信號(hào)的氣體傳感器具有抗電磁場(chǎng)干擾性強(qiáng)，快速靈敏，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)氣體的在線監(jiān)測(cè)模式等優(yōu)點(diǎn)。按照工作原理來(lái)分，光學(xué)傳感器的種類有反射干涉法、紫外可見(jiàn)吸光光度法、基于顏色變化的可視化法、熒光法、表面等離子共振法以及光纖傳感技術(shù)等。光學(xué)氣敏材料有傳統(tǒng)的卟啉及金屬卟啉類、熒光染料分子、pH指示劑以及新型的仿生光子晶體等。
(1)基于光吸收原理的傳感器
光譜吸收型氣體傳感器是依據(jù)氣敏材料吸附氣體后其吸收光譜的強(qiáng)度或位移變化來(lái)對(duì)V0C氣體進(jìn)行檢測(cè)。展常見(jiàn)的氣敏材料有pH指示劑、溶致變色染料以及金屬卟啉類等。卟啉類化合物是生物體內(nèi)的的一種具有大共軛環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物，其基本骨架是由四個(gè)吡咯類亞基的a-碳原子通過(guò)次甲基橋(=CH-)互聯(lián)而形成的大分子雜環(huán)化合物，即卟吩。卟吩的閉合環(huán)內(nèi)含有18個(gè)π電子形成大環(huán)共軛結(jié)構(gòu)，具有一定的芳香性，是天然存在的葉綠素和血紅素等多種卟啉類四吡咯化合物的結(jié)構(gòu)骨架。卟吩環(huán)上的氫原子均可以被其他基團(tuán)取代生成各種卟吩衍生物，即卟啉。卟吩環(huán)中心處吡咯氮原子上的氫原子可以被不同金屬離子取代，并與氮原子形成共價(jià)鍵。另外兩個(gè)氮原子易于與金屬離子配位生成穩(wěn)定的晶體狀金屬卟啉絡(luò)合物[5]。卟啉環(huán)上取代基的位置和方向可以較好的得到控制，可以使其與客體分子間的相互作用力達(dá)到最優(yōu)化。同時(shí)，卟啉分子的表面較大，通過(guò)改變配位中心的金屬可以調(diào)節(jié)其軸向配體周圍空間大小和相互作用的方向，因此對(duì)客體分子的大小、形狀、手性異構(gòu)體等具有顯著地識(shí)別效果。
(2)基于顏色變化的可視化傳感器
可視化氣體傳感器是一種新型的光學(xué)傳感技術(shù)，也是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。將氣味的特征信息以圖像的形式表征出來(lái)，也稱為可視化嗅覺(jué)。相比于傳統(tǒng)的電化學(xué)、熒光等傳感信號(hào)，這種比色法信號(hào)輸出模式對(duì)于發(fā)展裸眼檢測(cè)技術(shù)是最簡(jiǎn)便的傳感平臺(tái)，最大限度地減少了對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備模塊的需求?？梢詾榉羌夹g(shù)人員或終端用戶提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)。目前己報(bào)道的用于VOC可視化的傳感材料有聚二乙炔紙芯片、甲基黃尼龍6納米纖維㈣、法布里干涉型微孔隙聚合物以及超分子主客體絡(luò)合物等。
可視化氣體傳感器是模擬哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的仿生技術(shù)，早在1978年時(shí)Crabtree教授發(fā)現(xiàn)有機(jī)氣味分子易與金屬離子配位結(jié)合，并預(yù)測(cè)哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)細(xì)胞膜中可能含有金屬蛋白[6]。在哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)中，當(dāng)氣味分子吸附到嗅覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞膜上時(shí)并與膜上的金屬鍵合，引起細(xì)胞膜電位發(fā)生變化從而產(chǎn)生響應(yīng)。這些響應(yīng)信號(hào)通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦嗅覺(jué)中樞對(duì)氣體進(jìn)行解釋識(shí)別。2000年，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的Kenneth S．Suslick教授的課題組首次采用一種簡(jiǎn)單的金屬卟啉光化學(xué)傳感方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣味分子的嗅覺(jué)可視化檢測(cè)技術(shù)，并證實(shí)了金屬離子與有機(jī)氣味分子間的配位鍵合作用力。采用一系列具有不同化學(xué)選擇性的金屬卟啉染料作為氣敏單元，根據(jù)其與氣味分子鍵合作用所引起的顏色變化來(lái)唯一地表征某一氣味的特征信息，又被稱為顏色指紋信息。對(duì)于同一種金屬卟啉而言，不同的氣體分子與之配位鍵合力的大小和取向不一樣，接觸金屬卟啉后所引起的光譜吸收位置和顏色變化也各不相同。對(duì)于同一種氣體而言，不同金屬配位的卟啉分子具有不同的氧化還原電位，與氣體分子鍵合所引起卟吩環(huán)共軛電子體系的變化不同，其光譜吸收位置和顏色的改變也各不相同。因而，金屬卟啉可視化傳感陣列的顏色指紋信息與氣體分子間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即唯一性，在此機(jī)理之上，可視化陣列可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中有機(jī)氣體分子的識(shí)別。檢測(cè)系統(tǒng)利用CMOS圖像傳感器設(shè)備采集可視化傳感器與被測(cè)氣體反應(yīng)前后的光譜變化的圖像信息，在經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理、特征提取和對(duì)照匹配等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度和種類的識(shí)別。卟啉以及金屬卟啉氣敏材料極大的促進(jìn)了可視化VOC傳感器的發(fā)展。
(3)基于光干涉原理的VOC傳感器
光子晶體(簡(jiǎn)稱CP)是一種折射率在空間呈周期性變化的電介質(zhì)材料，其變化周期與光的波長(zhǎng)為同一個(gè)數(shù)量級(jí)。光子晶體的主要特征是在它的能帶譜中存在光子導(dǎo)帶和光子禁帶，也稱為具有光子帶隙(簡(jiǎn)稱PBG)特性的周期性人工微結(jié)構(gòu)。當(dāng)半導(dǎo)體材料中的電子在晶格的周期性的勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間會(huì)出現(xiàn)帶隙。如果電子波的能量落在帶隙中則傳播被禁止。與半導(dǎo)體晶格中對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子晶體中光的折射率呈周期性變化，當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)也會(huì)出現(xiàn)光的帶隙結(jié)構(gòu)。能量處在光子帶隙中的光波被禁止傳播。原則上，人們可以通過(guò)對(duì)光子晶體及其器件的設(shè)計(jì)制造來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子運(yùn)動(dòng)行為的控制，在各類光學(xué)器件、光導(dǎo)纖維通信以及光子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域等的發(fā)展具有很重要的意義。其實(shí)，自然界中存在許多美麗神奇的光子晶體結(jié)構(gòu)，如蝴蝶翅膀、澳洲蛋白石、孔雀的羽毛，金龜子的殼等具有可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光子晶體結(jié)構(gòu)。其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)，而是由于不同頻率的光在不同的方向被反射、散射或透射而呈現(xiàn)出現(xiàn)象。簡(jiǎn)單而言，光子晶體具有濾波的功能，可以選擇性的讓某個(gè)波段的光通過(guò)而阻止其余波長(zhǎng)的光。
(4)基于熒光發(fā)射原理的VOC傳感器
熒光氣體傳感器是分析化學(xué)的重大發(fā)展，具有靈敏度高、選擇性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但是往往存在標(biāo)記難、重復(fù)性差等問(wèn)題。熒光分子所處的外界環(huán)境如濕度、極性、pH等都會(huì)影響其結(jié)構(gòu)、立體構(gòu)象及熒光效率，從而影響其熒光光譜的形狀和強(qiáng)度。例如，一般情況下，當(dāng)熒光分子所處的溶劑極性增大，兀一兀術(shù)躍遷所需能差較小，躍遷幾率增大，使激發(fā)波長(zhǎng)和熒光波長(zhǎng)均紅移，強(qiáng)度增大。熒光傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)機(jī)理為，氣敏薄膜接觸氣體后引起其熒光參數(shù)(熒光的發(fā)射波長(zhǎng)、強(qiáng)度或者熒光壽命等)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體的檢測(cè)。熒光氣體傳感器的選擇性識(shí)別主要是依靠熒光指示劑與分析對(duì)象間的選擇性相互作用。Jonathan M．Cooper等人[7]將溶致變色染料尼羅紅固定在聚合物基底中制成對(duì)氣體敏感的薄膜材料，通過(guò)對(duì)薄膜的熒光發(fā)射光譜的變化來(lái)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)。并考察了聚合物基底的物理性質(zhì)對(duì)有機(jī)氣體(丁醇、正己烷、甲醇等)響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)采用微結(jié)構(gòu)玻璃作為基底所制備的熒光氣敏薄膜，在響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間方面都優(yōu)于SU-8基底。這種現(xiàn)象可以歸于聚合物／染料分子絡(luò)合物與氣體分子間的相互作用，以及基底的物理結(jié)構(gòu)等影響周圍環(huán)境的極性，引起尼羅紅染料的熒光發(fā)射光譜發(fā)生變化。
(5)基于表面等離子體共振原理的VOC傳感器
表面等離子體共振(簡(jiǎn)稱SPR)，是一種消逝場(chǎng)的物理光學(xué)現(xiàn)象。它是由光在玻璃與金屬薄膜的界面處發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，穿透到金屬膜內(nèi)的消逝波，可以引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子波。在入射角或者波長(zhǎng)為某一適當(dāng)值的條件下，表面等離子波與消逝波的頻率和波數(shù)發(fā)生共振，入射光被吸收，在反射光譜上出現(xiàn)共振峰。氣體吸附到金屬薄膜表面改變其厚度或折射率，從而其共振峰(共振角或者共振波長(zhǎng))發(fā)生變化。表面等離子體共振技術(shù)(SPR)是一種新型的氣體檢測(cè)手段，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、檢測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。Bryan C．Sih等[8]采用Kretschmann型棱鏡耦合式SPR檢測(cè)器，以電沉積的聚噻吩薄膜和金納米粒子作為氣敏薄膜實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同有機(jī)氣體的選擇性檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚噻吩氣敏薄膜對(duì)醇類(甲醇或乙醇)和甲苯氣體的響應(yīng)可逆且穩(wěn)定性好，而對(duì)正己烷和水則基本沒(méi)有響應(yīng)。金納米粒子氣敏薄膜則只對(duì)醇類氣體有響應(yīng)。這兩種薄膜吸附有機(jī)蒸汽后其厚度以及介電常數(shù)都發(fā)生變化，從而引起共振角和強(qiáng)度的變化。返回搜狐，查看更多
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