基于锰掺杂硫化锌纳米晶的爆炸物传感器阵列的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及爆炸物检测领域，特别是涉及一种可识别性检测制式与非制式爆炸物 气氛的基于硫化锌纳米晶的爆炸物传感器阵列的制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，在世界范围内、恐怖活动猖獗、恐怖爆炸袭击呈逐年上升趋势。爆炸物分 为两类:第一类为制式爆炸物，如三硝基甲苯、2,4_二硝基甲苯等，近年来针对制式爆炸物 原料的检测虽然取得了一定的进展，然而对其识别检测仍然存在巨大挑战。第二类为非制 式爆炸物，如黑火药等，主要由价格便宜、易于购买的硝酸铵、硝酸钾、氯酸钾、高锰酸钾和 硫磺等构成，其具有蒸气压低的特点，如硝酸铵和高氯酸铵在25°C时的蒸气压分别约为 14.7和0.0000401??13，因此室温下难以实现对非制式爆炸物及其制爆原料的气氛检测。然 而，非制式爆炸物的检测识别对人民的生命财产安全至关重要。少数的检测非制式爆炸物 原料的方法有离子色谱法、离子迀移谱技术等，但其存在检测灵敏度低、设备造价昂贵等不 足。因此，开发具有响应速度快、灵敏度高、检测范围广、识别性能好、功耗低、成本低廉的爆 炸物检测方法尤为必要。
[0003]近年来，基于电阻型气敏传感器的痕量检测技术快速发展，为非制式爆炸物的痕 量检测提供了新的思路和方法。硫化锌纳米晶对表面电性能的变化非常敏感，具有作为高 灵敏电阻型气敏材料的潜力。但是，由于电阻型气敏传感器的工作温度一般在200-500°C之 间，硫化锌在这样的高温下容易发生不可逆的氧化反应。此外，纯金属氧化物或硫化物半导 体材料普遍存在气敏选择性差的问题，而高选择性和低功耗是衡量电阻型气敏传感器性能 的两项重要指标，通过掺杂可以提高硫化锌纳米晶的选择性和灵敏度、降低其工作温度，从 而实现室温下对爆炸物的识别性检测。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，提供一种简单的、可识别检测制式及非制式爆炸物的基于锰 掺杂硫化锌纳米晶的爆炸物传感器阵列的制备方法。该方法中涉及的装置是由8个传感器、 陶瓷基底和16个电极组成，利用锰离子掺杂造成表面态和电子耗尽层的变化，并由此引起 各传感器间检测性能的差异，采用雷达指纹图谱的数据处理方法，在室温下（25°C)可实现 对2种制式爆炸物三硝基甲苯和2，4_二硝基甲苯以及6种非制式爆炸物原料硝酸钾、黑火 药、高锰酸钾、硫磺、农用尿素化肥和尿素的快速(1-7秒)识别检测，弥补了传统传感器无法 识别和误报率高的缺点。
[0005] 本发明所述的一种基于锰掺杂硫化锌纳米晶的爆炸物传感器阵列的制备方法，该 方法中涉及的装置是由第一传感器（1)、第二传感器(2)、第三传感器(3)、第四传感器(4)、 第五传感器(5)、第六传感器(6)、第七传感器(7)、第八传感器(8)、第一电极(9)、第二电极 (10)、第三电极（11)、第四电极（12)、第五电极（13)、第六电极（14)、第七电极（15)、第八电 极（16)、第九电极（17)、第十电极（18)、第^^一电极（19)、第十二电极（20)、第十三电极 (21)、第十四电极(22)、第十五电极(23)、第十六电极(24)和陶瓷基底(25)组成，在陶瓷基 底（25)上分别上下固定第二传感器(2)、第四传感器(4)、第六传感器(6)和第八传感器(8) 及第一传感器（1)、第三传感器(3)、第五传感器(5)和第七传感器(7)，第一传感器（1)通过 上端和下端的连接线分别与第一电极(9)和第二电极(10)连接，第二传感器(2)通过上端和 下端的连接线分别与第三电极（11)和第四电极（12)连接，第三传感器(3)通过上端和下端 的连接线分别与第五电极（13)和第六电极（14)连接，第四传感器(4)通过上端和下端的连 接线分别与第七电极（15)和第八电极（16)连接，第五传感器(5)通过上端和下端的连接线 分别与第九电极（17)和第十电极（18)连接，第六传感器(6)通过上端和下端的连接线分别 与第十一电极（19)和第十二电极(20)连接，第七传感器(7)通过上端和下端的连接线分别 与第十三电极(21)和第十四电极(22)连接，第八传感器(8)通过上端和下端的连接线分别 与第十五电极(23)和第十六电极(24)连接，具体操作按下列步骤进行：
[0006] 气敏材料的制备：
[0007] a、按摩尔比100:0-20将乙酸锌和乙酸锰溶解于40-50mL去离子水中，超声20分钟 得到锌锰混合物溶液，锌离子的浓度为1-1.5mol/L;
[0008] b、将步骤a中得到的混合物通入氮气30分钟后，取与乙酸锌等摩尔量的硫化钠溶 于1 OmL的去离子水中，超声5分钟，保持硫化钠的浓度为4-6mo 1 /L，再将硫化钠溶液逐滴加 入步骤a得到的混合物中，在温度0-30°C条件下持续搅拌反应3-8小时，得到锰离子掺杂浓 度分别为〇%、1%、1.6%、2%、5%、10%、14%和20%的硫化锌纳米晶沉淀；
[0009] C、将步骤b中得到的沉淀使用去离子水超声洗涤，离心分离3-5次，然后将离心后 的沉淀物在温度20-100°C条件下干燥约8-24小时，分别得到8种浓度锰掺杂的硫化锌纳米 晶粉体；
[0010]电阻式气体传感器阵列的制备：
[0011] d、将步骤c中得到的8种浓度锰掺杂的硫化锌纳米晶粉体分别分散在去离子水中 并研磨10分钟，得到8种浓度锰掺杂的硫化锌纳米晶糊状物，再将上述8种浓度糊状物分别 均匀地涂覆在第一传感器（1 )、第二传感器(2)、第三传感器(3)、第四传感器(4)、第五传感 器(5)、第六传感器(6)、第七传感器(7)和第八传感器(8)上，在室温下干燥，组成气体传感 器阵列。
[0012] 步骤b得到的硫化锌纳米晶粒径为2-6纳米。
[0013] 步骤b中温度为25°C，反应时间为5小时。
[0014] 所述方法获得的基于锰掺杂硫化锌纳米晶的爆炸物传感器阵列在检测含有三硝 基甲苯、2,4_二硝基甲苯、黑火药以及制爆原料硝酸钾、高锰酸钾、硫磺、尿素或农用尿素化 肥的爆炸物气氛的用途。
[0015] 本发明所述的一种基于锰掺杂的硫化锌纳米晶爆炸物传感器阵列识别爆炸物的 方法，该方法利用锰离子掺杂造成的表面态和电子耗尽层的变化，并由此造成各传感器间 检测性能的差异，采用雷达指纹图谱数据处理方法，可实现对2种制式爆炸物以及6种非制 式爆炸物原料的快速识别检测，弥补了传统传感器易受干扰、误报率高的缺点。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明中传感器阵列示意图；
[0017] 图2为本发明中纯硫化锌纳米晶的透射电镜图；
[0018] 图3为本发明中掺杂10%锰离子的硫化锌纳米晶的透射电镜图；
[0019] 图4为本发明中所用的掺杂20%锰离子的硫化锌纳米晶的透射电镜图；
[0020] 图5为本发明中传感器阵列对室温下的2,4_二硝基甲苯饱和蒸气的响应曲线图， 其中由左至右所对应的响应曲线分别对应着第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传 感器、第五传感器、第六传感器、第七传感器和第八传感器；
[0021 ]图6为本发明中传感器阵列对室温下的三硝基甲苯饱和蒸气的响应曲线图，其中 由左至右所对应的响应曲线分别对应着第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感 器、第五传感器、第六传感器、第七传感器和第八传感器；
[0022] 图7为本发明中传感器阵列对室温下的尿素饱和蒸气的响应曲线图，其中由左至 右所对应的响应曲线分别对应着第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五 传感器、第六传感器、第七传感器和第八传感器；
[0023] 图8为本发明中传感器阵列对室温下的硫磺饱和蒸气的响应曲线图，其中由左至 右所对应的响应曲线分别对应着第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五 传感器、第六传感器、第七传感器和第八传感器；
[0024] 图9为本发明中传感器阵列对室温下的农用尿素化肥饱和蒸气的响应曲线图，其 中由左至右所对应的响应曲线分别对应着第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感 器、第五传感器、第六传感器、第七传感器和第八传感器；
[0025] 图10为本发明中传感器阵列对室温下的