基于气敏材料高通量测试平台材料筛查、阵列优化及应用概述

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1、基于气敏材料高通量测试平台材料筛查、阵列优化及应用概述1绪论1.1前言电子鼻是一种模拟人类嗅觉系统设计和研发的智能仪器设备，具有识别和感知一种或多种气味的功能。Gardner和Bartlerr等人早在1994年的时候，就对电子鼻进行了定义：电子鼻是一台能够模拟人类嗅觉系统的仪器设备，能够识别单一成分的气体/蒸汽或其混合物，还能够用于识别单一或复合的气味[1]。电子鼻具有广泛的应用背景，可用于环境监测、公共安全、食品工业、安全保障、临床诊断等等[2-3]。因此研究电子鼻技术在实用和科学方面，都具有非常重大的意义。在电子鼻系统出现以前，用于气体/气味的检测方法主要是化学分析

2、和生物嗅觉两种方法。但是随着科技的进步，传统的分析方法已经不再适用。用于化学分析的仪器主要有色谱仪、毛细电泳管、分光光度计等[4-7]，这些仪器设备的分析过程一般可以分为三个步骤[8]：（1）样本气体/气味的处理（主要是样本的分离和浓缩）；（2）对分离后的样本进行测试；（3）对测试的结果进行分析，得出结论。从上述三个过程可以看出化学分析方法测试周期长、操作复杂（需配备专业人员）等问题，且化学分析的仪器设备都比较昂贵、不易携带。这些设备都是运用化学分析的原理制成，虽然可以精确的测定样本气体/气味化学成分，但是无法模拟嗅觉响应，因而无法应用于许多气味识别领域。生物嗅觉分析主

3、要是训练专门人员的感官，做出客观评价。但是这种分析方法受分析结果测试者的年龄、健康、经验、培训程序等的影响；而且存在生物嗅觉疲劳等问题，不能进行连续分析。如果要测试一些有毒或者爆炸性气体，生物嗅觉也不适用。1.2电子鼻系统概述底层的嗅觉受体细胞感应到电位的变化并将神经冲动传递给嗅小球进行一定的处理，然后传递给神经中枢。大脑对处理过后的信号进行处理判断，闻出味道。嗅觉的传输过程如图1.2所示[14]。电子鼻系统主要由三个部分组成：气体传感器阵列、数据采集和运算电路（信号预处理）、计算机（模式识别），分别对应生物嗅觉系统的嗅觉受体细胞、嗅小球和大脑，如图1.3所示，可以比较

4、发现生物嗅觉与人工嗅觉相似与不同之处[15]。电子鼻系统的工作原理与人类嗅觉形成过程相似：首先气味/气体与气体传感器阵列发生一系列的物理化学反应，产生一定的信号，信号调理模块对信号进行预处理（信号转换和运算放大），计算机对预处理后的信号进行处理和判断[16]。目前国内的电子鼻的技术还不是十分的完善，在分析准确性方面特别是对气体/气味浓度分析方面还达不到化学分析的高度，与生物嗅觉相比，也有一定的差距。因而许多方面的应用都受到一定的限制，大部分的电子鼻系统现主要处于实验室研究阶段，距离实际运用还有一段距离。早在1998年的时候，Pearce和Gardner等人就从样本准备到

5、完成识别全过程中，概括出要完善电子鼻系统需要从十个方面进行优化。2气敏材料高通量测试平台2.1引言采用了一种气敏材料并行制备工艺，设计制造了一台气敏材料高通量测试平台。考察市面上常见的气敏材料测试平台，见图2.1和图2.2。这些测试系统的显著特点是需要将气敏材料制作成元件才可以进行测试，这显然不符合并行制备的要求。这些系统大多采用插试手动换档，或者是手动设置不同档位，当出现负载电阻与气敏材料电阻差异较大时，就需要重新换档进行测试，测试流程相对繁琐。这些系统基本上都是静态测试系统，采样腔和测试腔合为一体，对测试有一定干扰，且恢复速度较慢，测试时间较长。因此本文对市面上测试

6、系统存在的缺陷进行改进，并借鉴前文提到HT-IS测试平台，设计和搭建气敏材料高通量测试平台。2.2气敏材料高通量测试平台气敏材料高通量测试平台主要由计算机、温度控制模块、气路控制模块、信号调理模块、测试腔组成，图2.3是气敏材料测试平台的硬件结构框图。计算机上处理终端软件是基于LabVIEOX薄膜洗去，材料芯片得以重复使用，减少资源浪费。3空气污染物高敏感材料筛选及器件制作3.1引言....213.2实验过程......233.3数据分析及材料筛选......243.4阵列器件的制作....283.5阵列器件的性能....294通用阵列的优化筛选研究4.1引言....3

7、34.2实验过程......344.3数据处理过程与结果......364.4小结....485全文总结与展望5.1全文总结......505.2展望....514通用阵列的优化筛选研究4.1引言电子鼻系统的核心部件是传感器，MOX传感器具有广谱响应的特性，即对多种气体都有响应，在实际复杂环境的应用中，会对目标气体产生干扰。通过金属盐离子掺杂的方式可以提高MOX传感器的选择性，但是离实际运用还是有一段距离。而集成若干个性能各异的传感器阵列，可以有效的提高其在复杂环境中对目标气体的识别能力。本文基于气敏材料高通量测试平台做阵列优化方面的研究