一種揮發性胺類傳感器的製作方法

2023-06-10 18:24:51

專利名稱：一種揮發性胺類傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種表面熱離子化原理的(surface ionization sensor, SIS)揮發性 胺類氣體傳感器。該傳感器可以檢測有毒的胺和肼及其衍生物等，現場檢測空氣中胺類和 肼類化合物的濃度。
背景技術：
胺類及雜環胺類廣泛應用於化學化工、化學製藥等各個行業。工業、農業、藥品及 食品加工等行業排放的廢水、廢氣等都含有胺類。低濃度的胺類就會對人體和動物產生毒 害作用。由於上述樣品都有更高濃度的其它有機物同時存在，能夠選擇性地、靈敏地、快速 地、在線地檢測揮發性胺的濃度對環境保護、工業檢測及食品控制均有重要意義。
表面離子化檢測器(surface ionization detector, SID)能選擇性的檢測胺類， 對叔胺的響應比酮類大105 106倍，對烴類幾乎沒有響應，選擇性極高。同時，SID靈敏度 很高，對叔胺的靈敏度比氮磷檢測器高10 100倍，對於伯胺和仲胺，靈敏度不如氮磷檢測 器(NPD)，但比火焰離子化檢測器(FID)高。 表面離子化檢測器的原理是表面電離。氣體中的原子(或分子)碰撞到熾熱的固 體表面，當它們由於熱解析離開固體表面時，其中一部分原子(或分子)就被電離成正離子 或負離子。 可被表面電離的物質範圍包括1)電離能小的IA族金屬原子，如鈉原子、鉀原子、 鍶原子等；2)過渡金屬、稀土金屬和鈾的氧化物，含硫和含滷的無機化合物；3)含氮和含氧 的有機物，如三乙胺、三甲基肼、苯胺、酚類、一些胺基酸以及醋酸、甲酸等等。有機物中，只 有胺和肼及其衍生物的表面電離效率很高，叔胺類的電離效率甚至高達0. 2 0. 5。
島津公司曾經推出用於氣相色譜儀檢測器的商品化的表面離子化檢測器(專利 號CN86103355、JP61264256、EP26223、W08606836)。這種檢測器能選擇性的檢測胺類，對叔 胺的響應比酮類大105 106倍，選擇性極高。這種SID的靈敏度也很高，SID對叔胺的最 小檢出量約為10—"g。然而，已經報導的SID必須與氣相色譜聯用，且需要載氣和尾吹氣，不 能連續在線地監測空氣中胺的濃度，不適合作為傳感器使用。 因此，如果能讓表面離子化檢測器在空氣中使用而不用載氣，能夠檢測空氣中含 有的有機胺類組分，並且有較高的檢出靈敏度，就會成為現場探測有機胺和肼類組分的傳 感器。

發明內容
本發明的目的在於提供一種表面熱離子化檢測原理的揮發性胺類和肼類傳感器。 該傳感器不需用載氣、尾吹氣和複雜的氣路控制裝置，僅僅依靠空氣擴散將樣品傳輸到發 射極的表面。因而，該傳感器連續在線地監測空氣中胺的濃度，可廣泛用於有毒胺類和肼類 氣體微量洩漏的報警。 為實現上述目的，本發明採用技術方案為
—種揮發性胺類傳感器，包括置於外殼內部的發射極和收集極； 所述發射極為筒狀結構或螺旋狀繞絲，收集極為半圓曲面或圓筒狀，設置於發射
極的外側、且與發射極同軸放置；或者所述發射極和收集極均為平板狀結構，它們平行放
置； 發射極與收集極間的間距小於2mm(通常為0.5-2mm);在外殼上開設有孔洞， 一擴 散膜覆蓋於孔洞表面，擴散膜為一平面氣體擴散膜；收集極通過一收集極引線穿過外殼與 外界微電流放大器電連接。 發射極的加熱可採用自熱式或旁熱式，自熱式為在發射極上通低電壓大電流使溫 度達到所需設定值(工作溫度)，旁熱式為採用加熱棒或加熱絲加熱發射極；
採用加熱棒加熱時，筒狀發射極套設於加熱棒的外側壁上，筒狀或螺旋狀發射極 與半圓曲面或圓筒狀收集極及加熱棒同軸放置。 加熱棒對發射極金屬電極加熱並且承擔支撐發射極，其外層為石英玻璃材質，耐 高溫、絕緣且化學惰性好以避免對有機胺類化合物的吸附；收集極為半圓曲面或圓筒狀，採 用導電材料製成，其捕集從發射極表面電離產生的正離子信號； 採用加熱絲加熱平板狀發射極時，加熱絲設置於平板狀發射極遠離收集極一側的 側壁面上； 發射極材質採用功函數大的為金屬鉬、鉬、銥、銠或者它們的合金，通常採用相對 廉價的鉬或鉑； +30 400V的極化電壓通過導線直接施加在發射極上； 擴散膜固定在外殼上，使空氣和揮發性胺類等透過並進入傳感器內； 外殼的內壁採用石英玻璃、經過惰性化處理的玻璃或聚四氟乙烯等化學惰性良好
的材質，傳感器內腔整體保溫，以減小對胺和肼等樣品的吸附。
本發明和已有的專利設計和商品化的SID相比具有以下優點 1)不需用載氣、尾吹氣和複雜的氣路控制裝置，僅僅依靠空氣擴散將樣品傳輸到 發射極的表面，能連續在線地監測空氣中胺的濃度； 2)外殼內壁採用石英、玻璃或聚四氟乙烯等化學惰性良好的材質，並且傳感器內 腔整體保溫，最大程度的減小了對胺類的吸附，對叔胺的最小檢出量小於2i! g/M3 ;
3)加熱棒的外層為石英玻璃材質以避免對有機胺類化合物的吸附；
4)極化電壓直接施加在發射極上，不需要另外設置單獨的極化極，結構簡單。
所發明的傳感器對叔胺的最小檢出量小於2i! g/M 能連續在線地監測空氣中胺 的濃度，可廣泛用於有毒胺類和肼類氣體微量洩漏的報警。


圖1為本發明揮發性胺類傳感器結構示意圖；
圖2為本發明揮發性胺類分解結構示意圖； 其中，100-發射極；101-導線；200-加熱棒；300-收集極；301-收集極引線； 400-擴散膜;500-外殼; 圖3為本發明的傳感器測量空氣中2 i！ g/m3三乙胺和20 y g/m3三乙胺的響應圖；
實驗條件採用線繞鉬絲作為發射極，發射極表面溫度約37(TC，極化電壓+150V。
具體實施例方式
—種揮發性胺類傳感器，包括發射極、加熱棒、收集極、擴散膜和外殼等組件，
圓筒狀發射極套設於加熱棒的外側壁上，收集極為圓筒狀，與加熱棒同軸放置，與 發射極間距為lmm;發射極、加熱棒和收集極均位於外殼內部中央；擴散膜為一平面氣體擴 散膜，固定在外殼上； 發射極材質採用功函數大的金屬鉬，發射極用加熱棒加熱至工作溫度，+30 400V的極化電壓直接施加在發射極上，不需要另外設置極化極； 加熱棒對發射極金屬電極加熱並且承擔支撐發射極，其外層為石英玻璃材質，耐 高溫、絕緣且化學惰性好以避免對有機胺類化合物的吸附； 收集極負責捕集從發射極表面電離產生的正離子信號，為半圓曲面或圓筒狀，採 用導電材料製成，收集極通過一收集極弓I線穿過外殼與外界微電流放大器電連接；
在外殼上開設有孔洞，擴散膜固定在外殼上覆蓋於孔洞表面，使空氣和揮發性胺 類等透過並進入傳感器內。 外殼的內壁採用石英玻璃、經過惰性化處理的玻璃或聚四氟乙烯等化學惰性良好 的材質，並且，外殼處於一加熱塊內，傳感器整體保溫，以減小對胺和肼等樣品的吸附，加快 擴散速率。 將此傳感器置於含有有毒的胺或肼化合物的空氣中，發射極加熱至其工作溫度
(350 480°C );空氣、胺或肼及其他化合物透過擴散膜進入傳感器內部，碰到熾熱的發射
極，由於表面電離的高選擇性，只有胺或肼發生表面電離，產生正離子；在極化極和收集極
之間電場的作用下，產生的正離子移動到收集極形成微電流信號，微電流信號經外界的微
電流放大器放大後輸出檢測信號。檢測信號的大小與胺或肼的濃度成正比。 本發明的傳感器對叔胺的最小檢出量小於2i! g/M3，能連續在線地監測空氣中胺
的濃度，可廣泛用於有毒胺類和肼類氣體微量洩漏的報警。
權利要求
一種揮發性胺類傳感器，包括置於外殼(500)內部的發射極(100)和收集極(300)，其特徵在於所述發射極(100)為筒狀結構或螺旋狀繞絲，收集極(300)為半圓曲面或圓筒狀，設置於發射極(100)的外側、且與發射極(100)同軸放置；或者所述發射極(100)和收集極(300)均為平板狀結構，它們平行放置；在外殼(500)上開設有孔洞，一擴散膜(400)覆蓋於孔洞表面，擴散膜(400)為一平面氣體擴散膜；收集極(300)通過一收集極引線(301)穿過外殼(500)與外界微電流放大器電連接。
2. 按照權利要求1所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於發射極(100)的加熱可採 用自熱式或旁熱式，自熱式為在發射極(100)上通低電壓大電流使溫度達到所需設定值， 旁熱式為採用加熱棒(200)或加熱絲加熱發射極(100)。
3. 按照權利要求2所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於採用加熱棒(200)加熱時， 筒狀發射極(100)套設於加熱棒(200)的外側壁上，筒狀或螺旋狀發射極(100)與半圓曲 面或圓筒狀收集極(300)及加熱棒(200)同軸放置。
4. 按照權利要求3所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於加熱棒(200)的外層為石 英玻璃材質以避免對有機胺類化合物的吸附；收集極(300)為半圓曲面或圓筒狀，採用導 電材料製成，其捕集從發射極(100)表面電離產生的正離子信號。
5. 按照權利要求2所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於採用加熱絲加熱平板狀發 射極(100)時，加熱絲設置於平板狀發射極(100)遠離收集極(300) —側的側壁面上。
6. 按照權利要求1所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於發射極(100)材質為金屬 鉬、鉬、銥、銠或者它們的合金。
7. 按照權利要求1所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於+30 400V的極化電壓通 過導線(101)直接施加在發射極(100)上。
8. 按照權利要求l所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於擴散膜(400)固定在外殼 (500)上，使空氣和揮發性胺類透過並進入傳感器內；外殼(500)的內壁採用石英玻璃、經 過惰性化處理的玻璃或聚四氟乙烯化學惰性良好的材質，以減小對胺類的吸附。
9. 按照權利要求1所述的揮發性胺類傳感器，其特徵在於所述發射極(100)與收集 極(300)間的間距為0. 5-2mm。
全文摘要
本發明涉及一種採用表面熱離子化原理測量揮發性胺和肼及其衍生物的選擇性傳感器，包括置於外殼內部的發射極和收集極等組件。發射極用鉬或鉑或合金材料製成，為線繞結構或筒狀結構，加熱棒對發射極金屬電極加熱並且承擔支撐發射極；或者發射極和收集極為平行放置的兩平板。當發射極在空氣中被加熱到350～480℃時，空氣、胺或肼及其他化合物擴散進入傳感器內，與發射極的表面碰撞，只有胺或肼發生表面電離產生正離子而被檢測。該傳感器對叔胺的最小檢出量小於2μg/M3，可以用於現場檢測有毒的揮發性胺類和劇毒肼類化合物。
文檔編號G01N27/62GK101769896SQ20081023024
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年12月26日
發明者關亞風, 徐靜, 朱蘊卿, 朱道乾, 李偉偉 申請人:中國科學院大連化學物理研究所