一种高性能酒精检测仪传感新材料的开发研究

高震宇

摘 要 我国普遍使用的半导体型酒精检测仪的测试灵敏度和响应速率亟待提高。受荷花花粉优异的传输响应功能的启发，提出制备荷花花粉结构的二氧化锡（SnO2）传感元件材料，用于开发高性能酒精检测仪的构想。以荷花花粉作为生物模板，通过溶胶-凝胶浸渍、水解和煅烧的方法得到的二氧化锡纳米材料，表现出对乙醇的高灵敏度和快速响应，对100 ppm酒精，灵敏度响应值相比目前的材料提升了3倍多，响应时间由原来的50s缩短到16s，性能得以大幅提升，是高性能酒精检测仪传感元件的优良材料。

关键词 酒精检测仪；传感元件材料；纳米多孔结构；荷花花粉

中图分类号 TP216 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0299-02

1 问题提出

我国普遍使用的半导体型酒精检测仪，具有操作简单、抗干扰性能好、价格低廉等优点，但也存在灵敏度低，响应速率慢，体积大，携带不方便，工作温度高，材料损耗大，使用寿命短等缺点。

酒精检测仪的性能取决于其传感元件，提高传感元件性能的关键是获得高性能材料。酒精检测仪使用的传感元件材料多为二氧化锡（SnO2）。目前制备方法得到的二氧化锡不具备精细有效的多孔结构，限制了传感性能的发挥。荷花花粉是一种天然的精细多孔材料。这种结构既能够促进化学物质进入花粉和在花粉内部传输，又提供了很大的表面积供生化感应反应来发生，使其拥有良好的生物识别功能，成为优秀的生物传感器。如果制备出具有荷花花粉结构的精细多孔纳米二氧化锡，用作酒精检测仪的传感气敏元件材料，不仅可大大改善传感材料的性能，提高其灵敏度和响应速率，实现快速高效准确检测，而且能够降低反应温度，减少加热附件，使元件尺寸变小，体积更小，便于携带；材料损耗小、使用寿命长，成本大为降低。

2 研究内容及方法

2.1 试剂和原材料

五水合四氯化锡、无水乙醇、蒸馏水、氨水（25%）、荷花花粉。

2.2 实验仪器及设备

抽滤装置、恒温磁力搅拌器、电热鼓风干燥箱、电子天平、箱式电阻炉、超声波清洗机。

2.3 实验过程

第一步：花粉预处理。

首先称取天然荷花粉5g，置于100ml烧杯中，加入50ml无水乙醇，洗涤，待溶液颜色变为黄色后进行抽滤，收集黄色固体，干燥。

第二步：前驱体溶液的配制。

以8.0g五水合四氯化锡对应40ml无水乙醇的比例配制。

第三步：花粉的浸渍与清洗。

取四氯化锡无水乙醇前驱体溶液，加入处理后的干燥花粉，超声浸渍。然后用乙醇清洗，重复上述步骤。

第四步：水解。

用3：2乙醇和水混合液对浸渍液进行水解，之后用乙醇清洗。抽滤后干燥。得到产物标记为花粉复合物。

第五步：煅烧。

对浸渍处理后的花粉复合物进行煅烧处理，收集产物，标记为花粉形貌SnO2。

SnO2参比样的制备：氨水逐滴滴加到40mL前驱液中，至呈碱性时，收集沉淀物，清洗、干燥、煅烧，得到白色参比样粉末，标记为SnO2参比样。

3 研究结果及讨论

3.1 热重分析

利用热失重仪分析煅烧过程中原始花粉和花粉复合物发生的变化。

在煅烧过程中，发生了很复杂的变化。热重分析如图1所示。原始花粉在烧结温度达到700？C时，质量不再发生变化，剩余质量为原始质量的3.7%左右。花粉复合物在600？C烧结后，其质量保持不变，剩质量为烧结前的11.6%，是未浸渍花粉净得率的近3倍，这表明在浸渍过程中大量的前驱 Sn（IV）离子吸附在花粉表面。

3.2 通过扫描电子显微镜观察分析

图像显示终产物花粉形貌SnO2（如图a、c）与原始花粉的结构（如图b、d）是高度相似的。花粉形貌SnO2很好的保持了原始花粉的圆球形整体形貌以及表面的纹路和孔洞，但孔径有所缩小。表面的三维开放式多孔网络骨架也得到很好的保留。

由以上表征结果分析可知，我们所制得的样品的成分既转变成了SnO2，其结构又较好地保留了荷花粉颗粒的多孔结构。整个颗粒内部都高度连通，SnO2材料因而拥有很大的比表面积。该结构保证气体分子能继续快速地扩散。气体能够在这样的一种纳米结构中以很高的速度和很大的体积进行移动，并能在其表面上的众多位置发生气敏反应。这些成分和结构特点都使得此种材料拥有优异的气敏性能。

3.3 气敏测试

3.3.1 气敏响应值

图4是花粉形貌SnO2和参比样在170？C时对不同浓度酒精的气敏响应值。由图可知，酒精蒸气浓度越大，材料的气敏响应值越大，且花粉形貌SnO2增长的速度比常规SnO2材料更快。在相同的气体浓度下，两个样品的气敏响应值保持以下变化规律：花粉形貌SnO2材料的气敏响应值远高于常规SnO2材料。由此可见，花粉形貌精细多孔结构可以大大增大SnO2材料的气敏响应值。

3.3.2 响应回复速率

测试表明花粉形貌SnO2具有良好的循环测试性能。保持连贯回复，且有更高的响应值，而最终能回复到一个比常规SnO2更低的数值。

响应和回复曲线表明花粉形貌多孔结构赋予SnO2材料对酒精气体极佳的响应和回复速率。

4 研究结论

本文探索了一种全新的制备二氧化锡纳米材料的方法。受荷花花粉精细多孔结构和优异传感性能的启发，制备出精细多孔纳米二氧化锡材料，表现出对乙醇低温高灵敏度和快速响应，这种二氧化锡材料制备的传感元件应用在酒精检测仪上，能够大幅改善目前所用这类仪器的性能，实现便携，轻便快速、准确、高效的检测，而且还具有制备简单、合成周期短、成本低、使用寿命长等优点。

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