质量敏感型压电化学传感器的应用

质量型压电传感器QCM 和SAW本身对气体或蒸气不具有选择性,其作为化学传感器的选择性仅仅依赖于表面涂层物质的性质。通常,对压电基片上的SAW传播路径覆盖不同的吸附薄膜,便构成了不同的SAW化学传感器。膜层材料很多,根据感测的对象选择有特异吸附性能的薄膜,对敏感膜的基本要求是可逆性和高稳定性。

质量敏感型压电化学传感器在现场快速检测中的应用广泛,根据其应用对象,目前人们最关心的有以下4 个方面:

第一, 以2 ,4 ,62三硝基甲苯(TNT) 、2 ,42二硝基甲苯(DNT) 、三硝基间甲酚(TNC) 、黑索金(RDX) 等为代表的多硝基爆炸物。这是研究的热点和动力[1 ,15 —21 ,26 —29 ] ,其核心部分是特异敏感薄膜材料的选择与制备。早在1979 年Guilbault 等人[15 ] 就提出了用Carbowax 1000 作为压电石英晶体的涂层材料来实现对TNT 等爆炸物的快速、实时检测,检测范围为ppb —ppm ,响应时间短,选择性和灵敏度好。最近又有文献报道通过Carbowax 1000 检测DNT来实现对爆炸物TNT 的快速实时检测[22 ] ; 美国的Electronic Sensor Technology 公司研制的SAW化学传感器用于如空气、水、土壤等环境检测,尤其是用于毒品、TNT、硝化甘油、饮用水中挥发性有机物的检测[23 ] 。近几年来美国海军实验所(Naval ResearchLaboratory ,NRL) 制备了带六氟异丙醇基功能基的聚硅氧烷, 作为测定爆炸物的选择性特异敏感材料[1 ,4 ,16 —20 ,24 —25 ] , 利用线性溶剂化能对其性能进行评价。这类化合物的选择性主要是通过氢键作用[18 ]实现的,这种作用不仅选择性好、灵敏度高,且快速、可逆性好。Yang 等人[21 ] 用带有环糊精的硅氧烷聚合物作为表面材料分析测定了DNT、o2nitrotoluene 等爆炸物。

第二,化学战剂。塔崩(tabun) 、沙林( sarin) 、索曼( soman) 等神经毒气和芥子气(mustard) 、氮芥气(nitrogen mustard) 、光气(hydrogen cyanide) 、路易士气(Lewisite) 等窒息气,致死量仅10ppb ,这些是恐怖分子或战争狂人看中的武器。早在1990 年代初Nieuwenhuizen[26 ] 以镧系化合物作为SAW 器件的表面材料对化学战剂进行了检测, 近年来NRL 的McGill 等人[27 ] 开发的NRL2 SAWRHINO 用于检测有毒气体沙林、索曼等,线性范围200ppt —400ppm。

第三, 毒品, 如海洛因( heroin ) 、可卡因(cocaine) 、吗啡(morphine) 、冰毒、鸦片(opium) 等。Guibault[7 ]综述了QCM 用作免疫传感器在毒品检测方面的应用,它利用蛋白质G将可卡因抗体固定在石英表面而做成检测毒品的免疫传感器;QCM 涂覆其它抗体敏感材料,作为免疫传感器可分析检测杀虫剂、细菌、病毒以及某些磺胺类药物。

第四类是有毒工业化学品,诸如苯系物、氯化物等许多环境污染或“三废”治理的对象。在这方面的研究相对较多,主要集中在苯类等环境污染物的实时检测上。Finklea 等人[30 ,31 ] 以笼状螯合物Ni(SCN) 2 (42picoline) 4 作为表面涂层材料,通过包合作用来测定苯、甲苯、二甲苯等环境污染物。环糊精作为SAW传感器的表面涂层,通过亲和力和包容力作用,可以快速可逆地分析挥发性有机物苯和甲苯、氯仿、CCl4 等有毒物质, 且灵敏度高[32 ] 。Percival 等人[33 ]以非共价分子印迹聚合物作为表面涂层材料,分析单萜类,可以区分对映体,灵敏度可达200ppb ;后来他们又根据同样的原理在QCM 上测定了水中的多环芳烃[34 ] ,依靠S2Au 间强的相互作用,将带有碳链取代的蒽固定在QCM的金电极上,这样很多蒽分子平行排列形成π2π交叠阵列,通过π2π电子作用与试样基体中的多环芳烃结合,测定待测物的浓度SAW基片表面涂上Fullerene C602Cryptand 22 用作GC 检测器或与气相层析装置相结合,可用于分析各种极性和非极性的有机化合物醇、醛、酮、醚、烷烃、烯烃等[35 ] 。也有人报道了检测可燃性气体(CO、CH4 、H2 ) 、O2 和NO 等的传感器[36 ] 。

除了以上关于国家安全和环境保护上4 大方面的应用外,质量敏感型压电化学传感器在关系国计民生中的食品[37 —41 ] 、化妆品[42 ] 等方面也有很大的应用。将选择性的抗体材料涂在QCM 的电极表面上而制成的免疫传感器,可以实现对各种农药残留的实时检测[37 ] ,也有报道对食品中埃希氏菌属中大肠杆菌的检测[38 ,39 ] ;SAW的传感器阵列用于区分各种不同的植物油以及食品[40 ] 与生物样品中碘含量的测定,而不受各种阴、阳离子的影响[41 ] 。这类传感器在食品加工及食品质量控制方面表现出了相当的应用前景。

QCM和SAW传感器的原理及其在现场检测中的应用