金属有机骨架MIL-100（Fe）对挥发性有机化合物及有机染料的灵敏检测
发布时间：2021-08-05 01:35
本工作以MIL-100（Fe）为气体敏感材料,制备了一种能够快速、超灵敏拉曼检测空气中挥发性有机化合物（VOCs）的气体传感器。该传感器可以分别实现对甲苯（芳香类VOCs）、氯仿（卤素类VOCs）等的灵敏检测,其性能显著优于传统气体传感器。将金纳米粒子沉积到吸附了甲苯的MIL-100（Fe）基底上,可以实现拉曼增强因子高达1010的增强效果。以MIL-100（Fe）为气敏材料的传感器对肺癌呼出标志物丙酮、异丙醇、4-乙基苯甲醛等也具有强大的检测能力。经过结构调控或改性,MIL-100（Fe）对某一种或几种VOCs的检测灵敏性和特异性均得到了有效提高。辅以DFT理论模拟与计算,我们初步探讨了MIL-100（Fe）对不同VOCs拉曼信号增强的具体机制。结果表明,当MOFs与吸附底物的能级匹配时,在激光的激发下两者之间会发生HOMO-LUMO之间的电子跃迁,使吸附分子的拉曼信号增强。本论文的主要研究内容包括:（1）利用MIL-100（Fe）材料具有的拉曼活性,实现对多种VOCs的快速、超灵敏检测,其中对甲苯的检测限低至2.5 ppm;在体系中引入金纳米粒子,可将甲苯检测...
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
[20]MIL-100结构示意图
广西大学工程硕士学位论文金属有机骨架MIL-100(Fe)对挥发性有机化合物及有机染料的灵敏检测5和拉曼光谱等检测手段结合在一起，或者把MOFs与其他纳米材料复合在一起，通过整合各自的优势，使复合材料的某些性能得到增强。Wang[27]课题组通过各向异性生长方法合成了Au@ZnO@ZIF-8的新型复合结构，通过光诱导作用可以同时检测和去除甲醛，在金纳米棒等离子共振的催化作用下甲醛会被转化为甲酸，同时此过程中释放的电子会使传感器电阻减小，输出的电流信号增大，ZIF-8被则用于对甲醛气体的富集，此传感器对甲醛的检测区间为0.25ppm~100ppm；徐刚[28]课题组将纳米金属氧化物(MOX)在电化学检测中的高灵敏度与ZIF-8的高吸附性能和分子选择性相结合，开发了一种用于丙酮检测的化学电阻传感器，ZIF-8可以排除干扰气体对传感器检测性能的影响，对丙酮检测限可以达到ppb水平。图1-2[28]MOX@ZIF化学电阻传感器示意图Figure.1-2[28]SchematicdiagramofMOX@ZIFchemiresistorSensorZeinali[29]课题组将Cu-BTC作为电容式化学传感器的介电层，根据其吸附不同VOCs造成的介电常数差异来特异性地检测甲苯和丙酮，检测限分别为97ppm和149ppm。Jiri[30]课题组开发了一种5层ZIF-8涂覆的光纤检测平台，通过ZIF-8对于丙酮、乙醇和甲醇的富集能力，将更多气体分子捕捉到光纤LPG表面上，大大提高了光纤检测平台的检测能力，获得了ppm级别的高灵敏度。MOFs也广泛地被应用于液相传感器的构建，在水污染的检测方面也已经有了不错的成效。例如，谭宏亮[31]课题组设计了一种基于镧系金属MOF的荧光传
强拉曼光谱的拉曼散射。这种拉曼增强机制对于被增强的分子并没有选择性，也就是只要分子和“热点”的距离足够近，就会产生拉曼信号的增强。一般来说，待测分子与SERS基底的距离在10nm以内的增强效果是最好的，随着距离的增加，增强能力越来越差[40]。表面增强拉曼光谱的发现是一项历史性的突破，虽然时至今日，对于表面增强拉曼的增强机理仍然没有一个十分确切的定论，但是这一现象的发现对光谱学产生了重大的影响，它使得拉曼检测峰强度低导致的灵敏度差这一固有缺陷得到了改善，从而极大地推动了拉曼光谱学的发展。图1-3[41]SERS“热点”示意图Figure.1-3[41]SchematicdiagramofSERShotspots传统的表面拉曼增强基底以粗糙的贵金属为基底材料，通过基底产生局部表面等离子体共振(LSPR)来增强分子的拉曼信号[41]，这就是电磁增强机制(EM)。金属纳米粒子的尺寸，形状对基底的SERS增强能力起到关键作用[42]。人们利用化学还原法，通过对反应时间、还原剂种类或浓度的控制，制备了贵金属纳米粒子溶胶，包括纳米线、球、棒等形态各异贵金属纳米粒子，但是这类SERS基底的增强效果很难把控。首先，想要得到SERS增强效果需要使贵金属溶胶进行团聚，从而形成“热点”，但是随着团聚的进行又会形成过度团聚，导致增强效果变差，最致命的是这种团聚过程是不可逆的，所以这种SERS基底在检测中的条件难以把控，使得检测效果不佳；利用循环伏安法将金属纳米粒子沉积在电极表面是最经典的SERS基底制备方法，其制作过程虽然简单，但是由于其沉积时的粗糙度很难把控，导致所制造的SERS基底均一性也不易控制；目前使用最广泛效果最好的是基于某种基板并在上面用沉积、旋涂或者刻蚀等方法制备的贵金属SERS基底，但是其制造过程十分复杂，对成本要求较?
本文编号：3322796
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
[20]MIL-100结构示意图
广西大学工程硕士学位论文金属有机骨架MIL-100(Fe)对挥发性有机化合物及有机染料的灵敏检测5和拉曼光谱等检测手段结合在一起，或者把MOFs与其他纳米材料复合在一起，通过整合各自的优势，使复合材料的某些性能得到增强。Wang[27]课题组通过各向异性生长方法合成了Au@ZnO@ZIF-8的新型复合结构，通过光诱导作用可以同时检测和去除甲醛，在金纳米棒等离子共振的催化作用下甲醛会被转化为甲酸，同时此过程中释放的电子会使传感器电阻减小，输出的电流信号增大，ZIF-8被则用于对甲醛气体的富集，此传感器对甲醛的检测区间为0.25ppm~100ppm；徐刚[28]课题组将纳米金属氧化物(MOX)在电化学检测中的高灵敏度与ZIF-8的高吸附性能和分子选择性相结合，开发了一种用于丙酮检测的化学电阻传感器，ZIF-8可以排除干扰气体对传感器检测性能的影响，对丙酮检测限可以达到ppb水平。图1-2[28]MOX@ZIF化学电阻传感器示意图Figure.1-2[28]SchematicdiagramofMOX@ZIFchemiresistorSensorZeinali[29]课题组将Cu-BTC作为电容式化学传感器的介电层，根据其吸附不同VOCs造成的介电常数差异来特异性地检测甲苯和丙酮，检测限分别为97ppm和149ppm。Jiri[30]课题组开发了一种5层ZIF-8涂覆的光纤检测平台，通过ZIF-8对于丙酮、乙醇和甲醇的富集能力，将更多气体分子捕捉到光纤LPG表面上，大大提高了光纤检测平台的检测能力，获得了ppm级别的高灵敏度。MOFs也广泛地被应用于液相传感器的构建，在水污染的检测方面也已经有了不错的成效。例如，谭宏亮[31]课题组设计了一种基于镧系金属MOF的荧光传
强拉曼光谱的拉曼散射。这种拉曼增强机制对于被增强的分子并没有选择性，也就是只要分子和“热点”的距离足够近，就会产生拉曼信号的增强。一般来说，待测分子与SERS基底的距离在10nm以内的增强效果是最好的，随着距离的增加，增强能力越来越差[40]。表面增强拉曼光谱的发现是一项历史性的突破，虽然时至今日，对于表面增强拉曼的增强机理仍然没有一个十分确切的定论，但是这一现象的发现对光谱学产生了重大的影响，它使得拉曼检测峰强度低导致的灵敏度差这一固有缺陷得到了改善，从而极大地推动了拉曼光谱学的发展。图1-3[41]SERS“热点”示意图Figure.1-3[41]SchematicdiagramofSERShotspots传统的表面拉曼增强基底以粗糙的贵金属为基底材料，通过基底产生局部表面等离子体共振(LSPR)来增强分子的拉曼信号[41]，这就是电磁增强机制(EM)。金属纳米粒子的尺寸，形状对基底的SERS增强能力起到关键作用[42]。人们利用化学还原法，通过对反应时间、还原剂种类或浓度的控制，制备了贵金属纳米粒子溶胶，包括纳米线、球、棒等形态各异贵金属纳米粒子，但是这类SERS基底的增强效果很难把控。首先，想要得到SERS增强效果需要使贵金属溶胶进行团聚，从而形成“热点”，但是随着团聚的进行又会形成过度团聚，导致增强效果变差，最致命的是这种团聚过程是不可逆的，所以这种SERS基底在检测中的条件难以把控，使得检测效果不佳；利用循环伏安法将金属纳米粒子沉积在电极表面是最经典的SERS基底制备方法，其制作过程虽然简单，但是由于其沉积时的粗糙度很难把控，导致所制造的SERS基底均一性也不易控制；目前使用最广泛效果最好的是基于某种基板并在上面用沉积、旋涂或者刻蚀等方法制备的贵金属SERS基底，但是其制造过程十分复杂，对成本要求较?
本文编号：3322796
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