文摘

近年来,基于大规模的传感器,如石英晶体微量天平(药物)获得了巨大的利益作为潜在的传感器在线检测汞元素(Hg0人为来源)蒸汽由于其高可移植性和健壮的特性使他们能够承受恶劣的工业环境。在这项研究中,我们确定最优Hg0曝光和恢复时间的药物为基础的传感器,以确保其有效运行,同时监测低浓度汞柱0蒸汽(< 400 )。开发的传感器是基于一个,切石英衬底和利用两枚(Au)电影两侧基质的功能同时和选择性电极层。鉴于时间响应机制与质量有关汞传感器为基础,实验涉及Hg的变化0蒸汽接触时间,同时保持每个暴露后的恢复时间常数,反之亦然。结果表明,最佳的曝光和恢复时间的30到90分钟,分别可以利用获得的最高响应大小和回收率对一定浓度的汞柱0蒸汽的同时保持一个准确阅读的时间报告传感器在现实世界的应用程序的要求降到最低水平。

1。介绍

上世纪工业化的快速发展增加了排放有毒金属物种(如大气中的汞元素(1- - - - - -7]。是高度重视控制这些金属的排放的物种从常见的工业来源为了减少广告的效果他们对环境以及人类的健康。最近,新的和更严格的规则已经被全球政府和环境机构引入限制从工业过程排放的汞。例如,平均每日从水泥窑汞排放3.5德国提议是有限的 (8]。为了遵守这些规定,有效去除技术需要有针对性的行业网站上实现。此外,为了评估这些去除技术的效率,高度准确和敏感在线汞蒸气传感器是必需的。

近年来,它已被证明,基于大规模的传感器如石英晶体微量天平(药物)有几大优势其他常用的汞元素(Hg0)蒸汽测量技术,它通常是基于原子吸收光谱(AAS)和原子荧光光谱法(AFS),等等(9- - - - - -20.]。基于药物的汞0蒸汽传感器被发现具有高度的可移植性和选择性,他们不需要样品预处理,使它们非常适合Hg的在线监测0蒸汽在工业应用(10]。此外,基于药物的设计和选择层的传感器可以被修改来实现更高的灵敏度和选择性对低浓度汞柱0蒸汽。我们最近报道说,药物传感器基于黄金nanospikes [21)可以检测汞0蒸汽浓度~ 2.5 ,低于阈值的汞暴露极限为5.6 由世界卫生组织(22]。由于他们可能被用作在线或手持传感器,是非常重要的研究基于药物的汞0蒸汽传感器广泛Hg以达到最好的性能0蒸汽检测。

一个典型的基于药物的气体传感器的示意图如图1。传感器通常由沉积制造两个电极两侧合适的压电衬底(即。在削减石英)。大量声波的应用程序生成一个电势的电极(23- - - - - -26]。传感膜可以沉积在电极或电极本身的材料可以是目标分析物的选择性。晶体特征和衬底的厚度和电极确定共振频率( )的传感器。上的任何扰动传感膜(通常会通过有针对性的分析物的质量负载传感膜)导致共振频率的改变( )的传感器。这种转变 高度依赖的分析物与传感交互可以相关电影和索尔布雷方程(1)[27]: 在哪里 代表共振频率的变化, 是传感表面的质量的变化, 是药物电极的有效面积, 和 是压电晶体的晶体密度和剪切模量,分别。它可以观察到(1)的转变 增加随着传感膜的质量负载增加,这表明的转变 的浓度成正比的物种被发现。


图1
原理图的一个典型的气体传感器为基础的药物。

在目前的研究中,我们集中在Hg0蒸汽检测应用程序的传感器为基础的药物。因此,大量的实验和分析方法来确定最佳曝光和恢复期为了有效地监控使用低浓度的汞柱0蒸汽使用基于药物的传感器。

2。实验

2.1。传感器制造和品质因数的决心

药物的削减在石英衬底上制作了基于传感器的直径和厚度7.5毫米和166年μm,分别。100海里的非盟在10纳米钛层(Ti)粘附层是沉积两岸的石英衬底作为电极,以及同时传感层。使用鲍尔泽沉积进行了电子束(贝克600)蒸发器操作22°C。两个电极循环使用荫罩形状的图案的。电极的直径是4.5毫米。的照片制作的传感器如图2(一个)。

(一)
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(b)
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图2
(a)的照片药物开发基于传感器和(b)网络分析仪响应的传感器2 kHz跨度中心频率。

网络分析仪(安捷伦E5100A)是用来测量频率响应并确定制作传感器的质量因素。图2 (b)显示了传感器的频率响应在2 kHz跨度在中心频率(9.99909兆赫)。传感器的质量因子可以计算使用(28] 在哪里 。制作传感器的质量因子计算为6410(即。> 2500),表明该传感器适用于气相分析。

2.2。汞测试设置

Hg的0蒸汽浓度在不同的实验研究中使用是在365年 。这个特殊的汞的浓度0蒸汽是通过设置生成的温度NIST认证渗透管(VICI)到80°C。Hg的0交付系统也使用高锰酸钾(KMnO现场校准4)捕获的方法。这涉及到捕捉生成的汞0蒸汽蒸汽火车内包含H撞击滤尘器2所以4/ KMnO4和分析解决方案通过电感耦合质谱仪(icp)之后。这样做是为了确保汞的浓度0蒸汽是正确的。室,有药物传感器体积的100毫升,聚四氟乙烯和不锈钢制成的。传感器的恢复是一个一步的过程涉及到传感器的接触对干氮(N2)。恒定的流量200 sccm和操作温度为30°C维持在整个研究。传感器的工作温度室使用积极的PID控制器保持不变。温度波动在±0.5°C观察;然而,这并不影响检测结果,切石英的高温稳定性。一个Maxtek RQCM用于振荡以及监测传感器的谐振频率。

3所示。结果与讨论

3.1。最佳Hg0蒸汽曝光时间

发达Hg的性能0蒸汽传感器对不同曝光时间对365调查暴露了传感器 Hg的0蒸汽的曝光时间从10到120分钟时保持恢复期不变在60分钟。完整的测试的结构如图3(一个)。可以看出,每次Hg0蒸汽曝光时间干N2是刷新到传感器的60分钟。这个过程是为了使解除吸附汞执行的0蒸气分子从非盟表面,从而使传感器频率恢复到基线。图3 (b)显示了整个传感器的动态响应测试。它可以观察到,Hg0暴露导致消极转变共振频率,观察传感器返回它的基准频率在恢复时间。

(一)
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图3
(一)结构的测试来确定最优执行Hg0曝光时间;(b)在完整的测试传感器的动态响应。每个接触/恢复活动的下一个事件开始前循环重复3次。

图4(一)显示了传感器对汞的反应0蒸汽的浓度365 30到120分钟的曝光时间,恢复期在60分钟保持不变。所示的脉冲提取从一组连续的脉冲测量使用固定曝光和恢复时间至少3个周期。这样做是为了获得性能稳定的传感器在最后一个周期。它可以看到从图4(一)传感器响应概要文件之间的两个接触时间不同在考虑第一个30分钟的曝光时间。这主要是由于不同的初始状态(即给出的两个条件之间。,见图3 (b))。这可以进一步合理的数字4 (b)和4 (c)。也就是说,它可以观察到从图4 (b)最后一个脉冲照射30分钟和60分钟恢复时期的周期相同吸附反应形象40分钟的曝光和60分钟恢复时期的第一个脉冲周期由于相同的传感器的初始状态。这是进一步证实了图4 (c),它可以观察到,最后一个脉冲的90分钟的曝光和60分钟恢复期回应同样为120分钟的曝光和60分钟的恢复期。图4 (d)显示了传感器的响应大小对Hg相同0蒸汽浓度(365 )不同的曝光时间从10到120分钟和一个常数恢复期的60分钟。最后一个脉冲的响应大小为每个Hg0蒸汽接触和恢复周期被认为是进行分析。每个周期的最后一个脉冲被选中,因为它允许传感器达到稳定从而导致解吸吸附汞柱0分子从非盟表面,从而减少的影响前Hg后脉冲的特性0曝光周期。它可以看到从图4 (d)传感器的响应大小Hg时迅速增加0蒸汽曝光时间增加到30分钟。然而,它也可以观察到传感器的响应大小Hg时没有显著变化0蒸汽曝光时间增加超过30分钟。这个观察表明Hg-Au融合的过程和汞原子的扩散到非盟表面相对较高的30分钟;然而,他们减少明显超出了30分钟的曝光时间由于非盟表面达到饱和。因此,没有观察到显著增加响应大小Hg的时候0蒸汽被暴露超过30分钟。最初的汞0吸附动力学(图4(一)也观察到发生了变化(减缓)在120分钟的曝光时间由于较高含量的汞表面已经与前两个周期的周期相同的脉冲(即。,有120分钟的曝光和60分钟恢复时间)。

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图4
(一)传感器对汞的动态响应0蒸汽的浓度365 暴露30和120分钟;(b) 30和40分钟;(c) 90分钟和120分钟,都有一个恒定的恢复时间60分钟。(d)传感器的反应对365级 Hg的0暴露10到120分钟恢复时间为60分钟。
3.2。最佳Hg0蒸汽恢复时间

为了确定最优恢复时间的Hg为基础的药物0对Hg传感器,传感器被曝光0蒸汽的浓度365 一段30分钟在恢复期不同范围内的10至90分钟。一段时间的30分钟被选为Hg0蒸汽接触的时间是确定最优时间从以前的测试(部分3.1级)的饱和反应是实现在低周转时间。测试结构来确定最佳恢复期Hg为基础的药物0蒸汽传感器如图5(一个)。

(一)
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图5
(一)结构的测试来确定最优执行Hg0恢复时间;(b)在完整的测试传感器的动态响应。每个接触/恢复活动的下一个事件开始前循环重复3次。

传感器的动态响应测试可以观察到从图5 (b)。它可以观察到每个接触和恢复周期重复了3次之前下一个周期的开始。传感器的动态响应对Hg 30分钟曝光0蒸汽的浓度365 采用三种不同恢复时期的70年,90年,120分钟图中可以看到6(一)。它可以观察到传感器表现出响应的大小当Hg ~ 17.5赫兹0暴露和恢复时间是30到70分钟,分别。也可以观察到传感器的响应级升至~ 19赫兹恢复期时增加到~ 90分钟,同时保持相同的Hg0蒸汽曝光时间。有趣的是,传感器的响应大小没有显著不同恢复期时进一步增加到120分钟。

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图6
对365 (a)传感器的动态响应 Hg的0蒸气暴露与解吸时间30分钟,70年90,120分钟和(b)传感器对30分钟的汞的吸附和解吸级0蒸汽接触而解吸时间不一10至120分钟。每个事件的最后周期的响应大小绘制。

传感器的吸附和解吸的清晰视图大小不同的恢复时间从10到120分钟可以看到从图6 (b)。这里,值得注意的是,传感器的解吸震级从经济复苏时期的结束。这是有趣的观察,观察~ 23赫兹反应级暴露30分钟和60分钟恢复时间脉冲(图4 (d)),而在图6 (b)~ 18赫兹反应是观察到同样的曝光和恢复情况。然而,不同的来自前面的脉冲周期,为每个条件运行。即减少响应大小恢复期试验观察,因为前面的恢复时期(即。,50分钟)还不够有效释放吸附汞的传感器0分子从盟表面而不是时间越长恢复期(60分钟)中使用的所有脉冲曝光测试(图3(一个))。从图可以看出6 (b)传感器的吸附和解吸情况下显著增加即使Hg 90分钟0曝光时间在30分钟内保持不变。它也可以观察到从图6 (b),虽然传感器具有较高的采收率的恢复时间测试了90分钟的恢复期显示有90%以上采收率而表现出对Hg最大响应大小0蒸汽。总的来说,结果表明,至少90分钟的恢复期需要获得尽可能高的响应大小以及采收率传感器同时检测低浓度的汞柱0蒸汽不危害到传感器的响应时间。得到一个更高的响应程度和采收率尤为重要,因为它将使传感器具有灵敏度高,从而导致低浓度汞柱的有效检测0蒸汽在工业过程。

4所示。结论

Hg的0蒸汽传感性能的药物为基础的传感器研究不同的汞0蒸汽接触和恢复时间。开发的传感器是基于一个包含薄,切石英衬底Au-film两边电极。对Hg传感器测试0蒸汽的浓度365 而Hg0蒸汽接触和恢复时期不同10至120分钟。结果表明,30分钟的汞0蒸汽接触和90分钟的恢复时期可以利用来实现传感器的响应大小和采收率最高,同时保持最低水平的周转时间为实际应用。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认微电子和材料技术中心(MMTC) RMIT大学允许使用他们的设备。作者也承认澳大利亚研究理事会(ARC)支持这个项目和塞缪尔·j .使役动词承认的弧APDI奖学金(LP100200859)。