詹姆士 化学分析方法杂志CHINESE 2090-8873 2090-8865 后瓦 10.1155/2020/5205724 5205724 研究文章 基于纳米SM的高敏感和选择性的异丁醛传感器2O3.粒子 阳ydF4y2Ba 玉果 成ydF4y2Ba 亚非 https://orcid.org/0000-0002-6199-3021 迁春 Buccolieri. 爱丽丝 生物与化学学院 贵州省化学合成与环境污染控制修复技术重点实验室 兴义民族师范学院 形意拳562400 中国 xynun.edu.cn 2020 1 4 2020 2020 09 01 2020 29 02 2020 09 03 2020 1 4 2020 2020 版权所有©2020 Li Jiang等。 这是一篇根据知识共享署名许可证发布的开放获取文章,允许在任何媒体中不受限制地使用、分发和复制,前提是原创作品被正确引用。

基于纳米Sm表面强烈的催化发光(CTL)发射,设计了一种高灵敏度、高选择性的异丁醛(IBD)传感器2O3.详细研究了CTL传感器的特性和最佳条件,包括工作温度、波长和流速。在优化的实验条件下,CTL强度在0.015–3.9两个数量级范围内随IBD浓度呈线性变化  μg / ml,具有相关系数( r)在信噪比(S/N)下,检测限(LOD)为0.99991 = 3) 第4.6节 ng/mL。该传感器非常特异:丁醛、甲醇、乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、苯、乙苯和异丙苯不能产生显著的CTL强度;具体而言,丁醛、乙醇、丙酮和乙醛产生的CTL强度较低,分别为IBD的3.8%、2.8%、0.60%和0.57%。作为传感器稳定性测试,我们发现在IBD浓度为1.6时,30次CTL测量的相对标准偏差(RSD)为  μ72小时内的g/mL h为2.2%,表明传感器稳定性好,使用寿命长。用含有IBD的加标样品测试传感器,回收率在89.7%至97.4%之间,RSD为6.1%–8.6%。该传感器的性能表明其在实际样品分析中的实用性。

中国国家自然科学基金 21505115. 贵州省高校优秀科技人才 KY2018078 贵州省高等教育改善项目 201714年 贵州省教育厅青年科技人才成长项目 KY2019222 黔西南州科技局项目 2019-2-53
1.介绍

异丁醛(IBD)是一种重要的有机化工原料。从IBD开始,可以合成许多高附加值的化工产品,如异丁醇、异丁酸、缩醛、肟和亚胺[ 1].这些产品在许多领域具有巨大的市场潜力。例如,异丁醇可以代替汽油或用作化学原料[ 2].IBD是一种挥发性有机化合物(VOC),也具有刺激性和过敏的特征。IBD可以在低浓度下刺激人体的眼睛,鼻子和呼吸道,并且可以在高浓度下产生麻醉效果。IBD气体有些危险,因为它是易燃的并且与氧化剂强烈反应。IBD蒸汽比空气重,导致它集中在凹陷中;此外,它具有高扩散率,这提高了在火灾的情况下快速和重新划散的风险。因此,从环境保护和人性安全的角度出现了IBD的检测和识别。尽管用于测量IBD浓度的传统方法,例如气相色谱,质谱和光谱光谱仪,但具有高灵敏度的优点,这些仪器通常昂贵,麻烦和耗时 3. 4].自Breysse等人以来。[ 5]首次提出催化发光(CTL),基于CTL的气体传感器得到了广泛的研究[ 6- - - - - - 8].

由于在固体催化剂的表面上发生的催化反应,CTL是化学发光,其中反应伴随化学发光排放。CTL具有高灵敏度,快速响应,简单仪器和低背景信号电平的优点[ 9].到目前为止,许多不同的材料已经被用于开发基于ctl的传感器。示例包括基于pt活化的铈的用于检测甲醛和一氧化碳的传感器4洛杉矶6O17纳米复合材料[ 10],一种基于PdO-ZnO p-n异质结纳米结构的乙醛气体传感器[ 11],一种基于介孔掺镁SnO的丙酮气体传感器2结构[ 12],基于TiO纳米颗粒的二乙醚传感器2 13], 一个 n-基于SrCO复合材料的丙醇气体传感器3./石墨烯( 14],h2基于封闭式空心管ZnO的S气体传感器[ 15],一种基于纳米Pr的苯乙酮气体传感器6O11 16],一种基于TiO 2的苯和甲苯传感器2/ sno.2 17[基于纳米TI的甲醛和氨气传感器3.SnLa2O11 18]传感材料显然在传感器系统中起着关键作用,因为它直接影响传感器的灵敏度、选择性和稳定性。

钐(III)氧化物(SM2O3.)由于其强烈的催化潜力研究了重要的稀土氧化物。sm2O3.是p型半导体[ 19],其行为与 n型半导体。这种材料在高温下具有较低的导电性,并且很容易与空气中的氧交换晶格氧。这些优点不仅对保持传感器的长期稳定性很重要,而且对延长其寿命也很重要[ 20].但是,使用纳米SM2O3.由于没有关于CTL气体传感器的报告,到目前为止,只有少数关于Sm的研究报告2O3.对于其他传感器,例如Renganathan等人。[ 21]报告了Sm的发展2O3.氨、甲醇和乙醇的光纤传感器;周[ 22]报告使用sno2用sm装饰2O3.作为乙炔化学传感器;和jamnani等。[ 20]关于Sm的报告2O3.电导传感器用于乙醇和丙酮。我们还没有找到关于IBD传感器的任何相应报告。

在这项工作中,我们利用纳米Sm开发了一种基于CTL的新型IBD传感器2O3..当IBD通过纳米SM的颗粒表面通过时,观察到强烈的CTL排放2O3.进一步的测试结果表明,该CTL传感器不仅具有高度的灵敏度,而且具有高度的选择性,能够检测低浓度的IBD,具有响应速度快、稳定性好的优点。本研究开发的气体传感器通过将其应用于加标样品中IBD的测定进行了测试s

2.实验 2.1。仪器和试剂

采用中国科学院生物物理研究所研制的BPCL-2型超弱发光分析仪,对CTL强度进行检测和处理;我们使用的YZ1515x微型气泵由保定创瑞精密泵有限公司生产,提供动力和氧气;陶瓷棒的加热器由中国浙江中强电气有限公司购买的TDGC 2稳压器提供,用GC/MS (Shimadzu QP-2010)验证CTL方法的结果。

我们实验所用的试剂都是分析级的。六水硝酸钐3.3.·6H2O) ,3-硝基苯甲酸(C7H5O4N),IBD,丁醛,甲醇,乙醇,丙酮,甲醛和乙醛购自Aladdin Chemical Co.,Ltd。(中国上海);苯,乙苯和异丙烯是从J&K Scientific,Inc。(中国北京)获得。

2.2。实验设备

CTL实验设置如图所示 1这些是它的主要部件:(1)动力装置:一个微型空气泵用于提供动力和氧气;(2)样品注射装置:一个不锈钢三通阀作为注射阀;(3)CTL反应室:由一个带有纳米Sm的陶瓷加热棒组成2O3.表面烧结,石英管带进气口和排气口。将陶瓷加热棒置于石英管中;(4) 温控装置:通过调节陶瓷加热棒的工作电压,实现对陶瓷加热棒表面温度的控制;(5) 光谱设备:使用波长为412到520的干涉滤光片 纳米(412425440475490505和520 纳米)。选择合适的分析波长以消除背景干扰;(6) 光电检测和数据处理系统:由BPCL-2超微弱发光分析仪和计算机组成,用于检测和处理CTL信号。

CTL感应系统装置原理图。

2.3. 检测方法

将陶瓷加热棒的表面温度调节并控制到反应所需的温度;通过电压调节器实现控制,然后选择合适的检测波长和载气流速。我们用气体注射器抽了一个1.00 气体从注入阀注入系统管道后,已知浓度的mL样品。样品由空气载气带入CTL反应室。它与纳米Sm接触2O3.,其在其表面上通过氧氧化并产生CTL信号。通过数据处理系统处理后,计算机直接读取和记录CTL强度信号。

2.4.纳米Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>

纳米钐2O3.合成如下:2.4克SM(不3.3.·6H2o和2.4克c7H5O4每次加入到30ml蒸馏水中,两种溶液将每个超声波超声处理1小时。我们将两种溶液混合在一起,并在磁搅拌下逐滴加入乙醇溶液,以将pH维持在5.然后,将溶液转移到100mL容量的Teflon衬里的高压釜中,密封,并在150℃下保持3小时,并保持在150℃并保持3小时然后冷却至室温。通过离心分离沉淀物,用蒸馏水和乙醇洗涤几次,并在600℃下煅烧2小时。

3.结果和讨论 3.1.纳米Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>

合成SM的形态2O3.采用场发射扫描电子显微镜(SU8020)和透射电子显微镜(JEM-1200EX)对颗粒进行了表征。数字 2(一个)显示该样品的形态,以100,000倍的放大率;合成的样品具有松散而多孔的结构,便于试验气体与传感器表面的接触,并增强了CTL性能。数字 2 (b)结果表明,该样品的典型粒径约为40 nm。数字 2 (c),显示相应的选择区域电子衍射图案,进一步证实了样品的结晶性质[ 23].

(a) 纳米钐的SEM图像2O3.;(b)纳米SM的TEM图像2O3.(c)纳米Sm的SAED2O3.

纳米sm的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)2O3.在4000-500厘米的范围内−1如图所示 3(一个).急剧吸收带出现在3418厘米处−1由于O–H基团的拉伸振动;同时,证实晶体中存在结晶水[ 24 25].1634年的吸收率 厘米−1是水分子弯曲振动和C分子不对称拉伸振动共同作用的结果 = O组[ 26 27].在1484厘米处有明显的吸收带−1是由于C=C的拉伸振动引起的[ 26].在788 cm处观察到的峰值证实了Sm-O的存在−1,作为纳米sm的FT-IR光谱分析2O3.确认存在相关的功能群,如SM-O [ 27].

(a) 纳米钐的红外光谱2O3.;(b)纳米sm的XRD谱图2O3.

用X射线衍射研究了合成样品的微观结构。结果如图所示 3 (b).主要衍射峰存在于2 θ = 28.254°、32.741°、46.978°和55.739°,可分别分配到222、400、440和622°,这些结果与Sm的标准XRD图谱一致2O3.(PDF#42-1461)[ 28].

3.2.催化发光响应性能 3.2.1. 选择性和特异性

材料的灵敏度,即对感兴趣化合物的响应,对传感器起着重要作用。为了选择合适的传感材料来设计IBD传感器,纳米Sm的IBD CTL发射2O3.,纳米sn2O3.,纳米nio,nano-in2O3.,纳米cuo。如图所示 4(a)IBD在纳米sm表面产生最高的CTL反应2O3.;但是,纳米Sn表面上的IBD强度2O3.、纳米NiO和纳米In2O3.分别比纳米sm ?低3.30%、0.89%和0.81%2O3., 分别。纳米CuO的表面没有CTL响应。因此,纳米SM2O3.被选为随后的实验。除了敏感性外,特异性是对物料不受感兴趣的反应,在设计气体传感器时也发挥着重要作用。CTL对IBD,丁醛,甲醇,乙醇,丙酮,甲醛,乙醛,苯,乙苯和异丙酮对纳米SM的排放的反应2O3.研究过。结果如图所示 4(b):丁醛、乙醇、丙酮和乙醛均产生较低的CTL强度,其值分别比IBD低3.8%、2.8%、0.60%和0.57%。其他被测物质均未产生CTL反应。这表明基于纳米Sm的CTL传感器2O3.对IBD具有良好的特异性。

(a)通过不同材料对IBD的CTL响应;(b)通过纳米SM对不同VOC的CTL响应2O3.;(c)CTL响应曲线与纳米SM不同浓度IBD的时间2O3.

3.2.2.响应和恢复时间

我们测量了纳米Sm表面不同浓度IBD的CTL反应曲线2O3.. 六种不同浓度(0.062  μg/mL,0.13  μg/mL,0.58  μ1.2 g / mL, μg/mL,1.8  μg / ml,3.0  μg/mL)对其CTL发射信号进行了研究。结果如图所示 4(c).从这个图中,一项注意到纳米SM表面上IBD的CTL强度2O3.随IBD浓度增加而增加。不同浓度的CTL反应曲线随时间的变化曲线相似。6种浓度IBD均在注射后约1 s信号达到最大值,表明传感器对不同浓度IBD反应迅速。传感器对IBD的恢复时间约为6 s,表明传感器恢复较快。

3.3。优化检测条件

数字 5总结检测条件对CTL强度,噪声和信噪比(S / N)的影响。波长,反应温度和流速在纳米SM表面上的IBD催化氧化反应中起重要作用2O3..每个因素对CTL强度和信噪比都有显著影响。我们研究了浓度为1.6的IBD的CTL强度、噪声和S/N μg/mL,使用纳米Sm2O3.,在波长425处测量响应 载气流速为120 nm时的扭矩 毫升/分钟数字 5(a)显示工作温度对CTL强度、噪声和S/N的影响;图 5(b)显示了波长对CTL强度和信噪比的影响;数字 5(c)显示了空气流量对CTL强度的影响。如图所示 5(a),IBD的CTL强度,噪声和S / N曲线在127-207℃的范围内进行研究;噪音主要来自散热,在较高温度下显然增加。鉴于在177℃下达到最大值的S / N,选择177℃作为最佳反应温度进行IBD。如图所示 5(b)在载气流量为120的情况下,我们研究了几种波长下的CTL强度和S/N mL/min。CTL强度和S/N在440时达到最大值 纳米。因此,440 选择nm作为IBD测定的最佳分析波长。在177°C的反应温度和440°C的检测波长下,研究了载气流速对CTL强度的影响 如图所示 5(c),IBD的CTL强度在较低的流速下相对较低,这可以在低载气流流速下反应反应速率控制步骤;然而,在较高的流速下,CTL强度降低。这可能是因为较高的载气流量导致IBD使催化剂表面与载气使得在催化剂表面上没有有效氧化。由于这种条件下的强大的CTL排放,因此选择了70ml / min的流速作为随后的实验的最佳流速。

检测条件对CTL强度,噪声和S / N的影响。(a)工作温度对CTL强度,噪声和S / N的影响;(b)波长对CTL强度和S / N的影响;(c)空气流速对CTL强度的影响。

3.4.校准曲线和再现性

在最佳条件下,样品的IBD气体浓度为0.015 μg/mL,0.031  μg / ml,0.062  μg/mL,0.62  μ0.77 g / mL, μ1.2 g / mL, μg/mL,1.9  μg/mL,3.1  μg/mL和3.9  μg/mL注入纳米Sm2O3.传感器。绘制了校准曲线,如图所示 6(a)CTL强度与IBD浓度在0.015–3.9范围内呈线性关系  μg / ml。对于图 6(a)线性回归方程的特征为: = 4118.76 C + 17.40 ( r = 0.99991),其中是CTL强度和 C为IBD浓度。LOD为4.6 ng/mL (S/N = 3)。对浓度为1.6的CTL强度进行10次检测的相对标准偏差(RSD) μ在150秒内测量的g / ml为1.7%(图 6(b))为了进一步研究传感器的寿命,我们测量了30次检测浓度为1.6%的CTL强度的RSD  μ72小时内的g / ml。获得的RSD为2.2%表示良好的稳定性和传感器的长寿寿命。

(a) CTL强度与IBD浓度之间的校准曲线;(b)150分钟内10次IBD重复测定的典型结果 s

3.5。样本分析

为了检验新开发的IBD传感器的实际应用,将在实验室试剂柜附近长期储存的空气样本转移到三个1个取样袋中 L体积。传感器和GC/MS未检测到样品的CTL信号。然后,将三个储存的空气样品进一步添加三种不同水平的IBD标准,即0.0310、0.310和3.10  μg/mL。结果如表所示 1,这也识别采样空气中的其他可能污染物。三个样品中IBD的回收率为89.7%至97.4%,RSD为6.1%至8.6%。这些结果表明CTL传感器的潜力在实际样本分析中成功使用。

通过所提出的CTL传感器测量的IBD样品的分析结果。

样品没有。 作文 尖的值( μg/mL) 测量值( μg/mL) 恢复 (%) 相对标准偏差(%)
1 炎症性肠病 0.0310 0.0278 89.7 6.1
甲醛 0.0310
0.0310
2 炎症性肠病 0.310 0.285 91.9 8.5
乙醛 0.310
乙醇 0.310
3. 炎症性肠病 3.10 3.02 97.4 8.6
丙酮 3.10
3.10
4。结论

总之,我们使用合成的纳米Sm颗粒2O3.开发用于检测异丁醛的高性能新型催化传感器。传感器的主要检测参数包括反应温度,检测波长和载气流速;这些被系统地优化用于测定异丁醛。该传感器成功地应用于尖刺空气样品中异丁醛的测定。该气体传感器具有快速响应,高灵敏度,令人满意,良好的选择性以及低成本的优点。因此,我们的工作已经开发并证明了一种选择性,敏感,方便的方法,用于快速测定异丁醛。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金(21505115)、贵州省高校科技人才(KY2018078)、贵州省高等教育改进项目(2017014)的支持。,贵州省教育厅青年人才成长科技项目(KY2019222),黔西南州科技局项目(2019-2-53)。

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