一种基于苝四甲酸二酐的检测有机胺挥发性气体的方法与流程

本发明涉及气敏传感技术领域，更具体地涉及一种基于苝四甲酸二酐的检测有机胺挥发性气体的方法。

背景技术：

有机胺是最重要的含氮有机化合物之一，广泛应用于化学化工，橡胶和医药卫生等行业。它们通常具有低的嗅觉阈值。当在空气中达到一定浓度时，它不仅有气味，而且还危害人们的身体健康。随着人们对公共卫生，食品安全，环境监测和其他相关领域的关注不断增加，迫切需要对低浓度的挥发性有机胺气体进行高灵敏度和高选择性的检测。

目前常用的用于检测有机胺挥发性气体的方法主要有气相色谱-质谱连用技术，高效液相色谱-溶出伏安法，电致发光，液晶取向变化和分光光度法等。气相色谱-质谱技术设备比较复杂，显然不适合现场快速检测；高效液相色谱-溶出伏安法设备复杂且繁琐，检测周期长；电致发光方法制备工艺复杂，器件稳定性差；液晶取向变化法的检测限比较高且选择性不高；而分光光度法需要的显色试剂非常难得到，显色反应也十分缓慢，显色条件比较苛刻，更不能满足现场的快速测定。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的有机胺挥发性气体无法实现快速检测等问题，本发明旨在提供一种基于苝四甲酸二酐的检测有机胺挥发性气体的方法。

本发明所述的基于苝四甲酸二酐的检测有机胺挥发性气体的方法，包括步骤：s1，提供以3,4,9,10-苝四甲酸二酐为主体结构的传感化合物；s2，将所述传感化合物非共价修饰到单壁碳纳米管上形成传感材料；s3，将传感材料负载到电极的表面形成传感器件；s4，将传感器件放入含有机胺挥发性气体的氛围中进行检测。

该传感化合物选自以下化合物中的至少一种：

所述传感材料中的传感化合物与单壁碳纳米管的质量比为8-10:1。优选地，该质量比为9:1。实验结果表明，该比例的传感材料对有机胺挥发性气体具有较高的灵敏度。

传感化合物和单壁碳纳米管在有机溶剂中结合得到均一的悬浊液，该悬浊液被涂布干燥形成传感材料。

所述步骤s2具体为：将单壁碳纳米管分散于四氢呋喃中，然后加入传感化合物后超声以使得传感化合物非共价修饰到单壁碳纳米管上，得到传感材料的悬浊液。

所述步骤s3具体为：将传感材料的悬浊液转移到叉指电极的表面风干干燥，直到叉指电极的电阻达到1-10mω级别，得到传感器件，该传感器件包括负载在叉指电极上的基于单壁碳纳米管的传感材料。

该叉指电极具有玻璃基底和钛钨金，其中，钛钨金沉积在玻璃基底上。

该有机胺挥发性气体包括正丙胺、二乙胺、三乙胺、苯胺和氨气中的至少一种。

本发明的传感化合物通过非共价相互作用吸附在单壁碳纳米管的表面上，由于传感化合物可以与有机胺挥发性气体结合，从而可以将传感化合物的相关电荷转移信号传递给单壁碳纳米管，从而利用单壁碳纳米管在发生电荷转移时能够发生电阻变化的性能而进行有机胺挥发性气体的检测。具体地，传感化合物的主体结构3,4,9,10-苝四甲酸二酐具有平面的大共轭环结构，其与单壁碳纳米管发生强烈的π-π相互作用，而且，由于传感化合物的主体结构3,4,9,10-苝四甲酸二酐具有多个吸电子官能团，其强吸电子效应与有机胺气体形成强烈的非共价相互作用，据此增强碳纳米管对有机胺挥发性气体的灵敏度，从而实现对低溶度的挥发性有机胺气体的测定。特别地，由于该电荷转移和相应的电阻变化在几分钟之内即可显现，非常快捷，因此可以满足现场测定的要求。另外，通过在传感化合物的主体结构3,4,9,10-苝四甲酸二酐上的不同位点修饰不同的基团，本发明提供的传感化合物可以针对不同的有机胺产生不同的传感信号，从而进一步提高信号的强弱调控传感性能。

附图说明

图1是根据本发明的传感器件的叉指电极的结构图；

图2是根据本发明的实施例1的传感器件对不同胺蒸汽下的灵敏度随时间变化的曲线；

图3是根据本发明的实施例2的传感器件对不同胺蒸汽下的灵敏度随时间变化的曲线；

图4是根据本发明的实施例3的传感器件对不同胺蒸汽下的灵敏度随时间变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1

(1)传感化合物3的合成

取400mg3,4,9,10-苝四甲酸二酐(化合物1)和1g辛胺(化合物2)溶于50ml甲醇溶液中。回流反应5个小时，冷却至室温。用20ml饱和盐酸酸化反应溶液，搅拌过夜。用0.45μm过滤膜抽滤产物。将得到的固体用甲醇与去离子清洗至中性，60度干燥即得酰胺产物(化合物3，9-octyl-1h-isochromeno[6',5',4':10,5,6]anthra[2,1,9-def]isoquinoline-1,3,8,10(9h)-tetraon)，其化学方程式如下：

(2)传感材料的制备

将10组1mg单壁碳纳米管加入15ml四氢呋喃中，超声30min以使得单壁碳纳米管分散于四氢呋喃中；在单壁碳纳米管的四氢呋喃溶液中加入9mg的化合物3，超声30min以使得化合物3非共价键修饰单壁碳纳米管，得到均一的悬浊液。

(3)传感器件的制备

用移液枪将各组悬浊液按每次10μl的量转移到叉指电极的表面，待自然风干之后重复几次，直到叉指电极的电阻达到1-10mω级别，干燥10分钟之后在叉指电极表面形成对有机胺挥发性气体具有高灵敏度和特异性的薄膜，最终得到纳米传感器件。在本实施例中，该叉指电极为如图1所示的在玻璃基底a上沉积有钛钨金b的叉指电极。

(4)传感性能评价

配置饱和正丙胺与空气的混合物为待测气体；将各纳米传感器件分别放置在三通容器，接上电路装置以及电阻采集器，放置两分钟观察电阻的稳定情况；通入待测气体，以通气的开始时间定义为响应开始时间，以电阻不再变化的时间定义为结束时间；灵敏度(响应强度)s＝△g/g0(s为灵敏度，g0为开始时间时的电阻，△g为结束时间时的电阻值减去开始时间时的电阻值)

(5)有机胺挥发性气体的选择性曲线测试

配置饱和不同胺蒸汽为各组待测气体，将各组待测气体注入三通容器中，测定纳米传感器件对待测气体的灵敏度值，得到该纳米传感器件对相类似浓度的不同有机胺挥发性气体的响应曲线。如图2所示，纳米传感器件对正丙胺具有最高的灵敏度，而且是其他有机胺挥发性气体的数倍，该曲线显示了基于化合物3的传感材料对正丙胺的非常好的选择性。

实施例2

(1)传感化合物5的合成

混合koh(50％aq，40ml)、tbab(0.40g)、1,6-二溴代芴(化合物4)2.00g，常温搅拌25min，反应结束后用100ml水洗，chcl2萃取(20ml×3)。有机相用1mhcl洗，再用水洗，无水mgso4干燥，除去溶剂，柱色谱分离得到淡黄色固体。将1.6g产物加入0.33gnan3的10mldmso溶液在60度搅拌2h。反应结束后用水洗，乙醚萃取，有机相水洗，无水mgso4干燥，除去溶剂后，柱色谱分离得到淡黄色油状液体。产物(2mmol)加入三苯基膦钯(1.572g，6mmol)溶于四氢呋喃和水(21ml/3ml)的溶液中室温搅拌12个小时。产物(100mg，0.19mmol)加入zn(ch3coo)2(1mg，2％)放入50ml反应瓶中，加入5ml喹啉和400mg3,4,9,10-苝四甲酸二酐(化合物1)，180℃搅拌3h。反应结束后，将溶液倒入100ml1mhcl中，抽滤，固体分别用水，甲醇洗3次，最后将固体溶于少量的二氯甲烷中，滴入200ml甲醇中，得到红色固体，即得酰胺产物(化合物5，5,6,12,13-tetrakis(3,5-difluorophenoxy)-2,9-dioctylanthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f']diisoquinoline-1,3,8,10(2h,9h)-tetraon)，其化学方程式如下：

(2)其余步骤与实施例1相同。

如图3所示，其与化合物3的效果相比，三种胺的响应差值由于非键合作用强弱的差别被均匀的拉开，在使用检测过程中能够清晰的利用响应程度的多少来区别不同种类的胺。

实施例3

(1)传感化合物7的合成

将3,4,9,10-苝四甲酸二酐(5g，12.7mmol，化合物1)，氯磺酸(57.2g，0.5mol)和碘(0.9g，3.45mmol)的搅拌混合物加热至60-70℃，搅拌20个小时。在室温下，将混合物用冰水处理。过滤固体，用冰水洗涤并真空干燥。将产物(3.3g，6.27mmol)，正辛胺(3.2g，13.28mmol，化合物2)加入25mlnmp(n-甲基吡咯烷酮)混合，悬浮液在110℃加热回流24h，冷却至室温，过滤分离生成的化合物，得到深红色结晶产物，用甲醇，乙酸，甲醇分别洗涤，最后用乙醚洗涤，50度真空干燥24h。将上述产物(0.72mmol，541.8mg)与3,5-二氟苯酚(6.75mmol，878.1mg，化合物6)和碳酸钾(7.25mmol，1g)加入20mln-甲基吡咯烷酮溶液在90℃加热过夜。将冷却的混合物倒入20ml10％hcl溶液中并抽滤，用水洗涤三次。通过硅胶柱色谱法纯化得到酰胺产物(化合物7，9,9'-((2,7-dibromo-9h-fluorene-9,9-diyl)bis(hexane-6,1-diyl))bis(1h-isochromeno[6',5',4':10,5,6]anthra[2,1,9-def]isoquinoline-1,3,8,10(9h)-tetraone)，其化学方程式如下：

(2)其余步骤与实例1相同。

如图4所示，三乙胺的性能被降低到可忽略的程度，能够很好地区分正丙胺，二乙胺与三乙胺。在实际使用时可以通过不同的需求来组合不同的传感单元，来实现高特异性的识别不同种类的胺类。

从上述三个实例可以看出，具有苝酐主体的传感材料均对有机胺气体拥有一定的响应程度，不同位点取代的传感材料对有机胺气体的响应程度不同。可以说明苝酐在传感中起到的作用，以及通过调控取代基团可以调控传感的灵敏度以及选择性。

本发明通过将以3,4,9,10-苝四甲酸二酐为主体结构的传感化合物非共价修饰在单壁碳纳米管的表面得到传感材料。本发明采用单壁碳纳米管，该单壁碳纳米管与分子发生电荷转移时能非常灵敏的发生电阻的变化，同时利用3,4,9,10-苝四甲酸二酐的多个吸电子官能团(羰基)具有的强吸电子效应，使其与有机胺气体相互作用，从而增加传感材料的灵敏度；3,4,9,10-苝四甲酸二酐的位点可以利用不同官能团取代，来调控与有机胺气体之间的相互作用从而调控对有机胺气体的传感性能。3,4,9,10-苝四甲酸二酐具有大共轭体系能与碳管表面形成很强的ππ相互作用，从而允许电荷向传感化合物传递。不同种类的胺能与苝酐有不同强度的相互作用，使其接触有机胺挥发气体前后能产生电阻的显著差异，接触不同气体的差异程度不同，从而通过不同的机制选择性地检测伯胺，仲胺，芳胺和氨气，提高了该传感材料的特异性，实现对不同种胺蒸汽检测的同时还能有效的区分不同类型的胺。通过不同位点取代能调控对不同胺的响应差值，可以有目的性的调控传感。换个角度来说，本发明通过的传感材料解决了碳纳米管对有机胺挥发性气体的特异性和灵敏度低的问题。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。