輔仁大學
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記錄編號6275
狀態NC094FJU00065029
助教查核
索書號
學校名稱輔仁大學
系所名稱化學系
舊系所名稱
學號493336288
研究生(中)李季霖
研究生(英)LI,CHI-LIN
論文名稱(中)奈米金氣體感測材料之線性溶合能量關係模式與圖形辨識之研究
論文名稱(英)Linear Solvation Energy Relationship model and pattern recognition studies for gold nanoparticle vapor sensor array.
其他題名
指導教授(中)呂家榮
指導教授(英)LU,CHIA-JUNG
校內全文開放日期不公開
校外全文開放日期不公開
全文不開放理由
電子全文送交國圖.同意
國圖全文開放日期.2007.07.01
檔案說明電子全文
電子全文01
學位類別碩士
畢業學年度94
出版年
語文別中文
關鍵字(中)單層分子膜；奈米金簇；氣體感測；線性溶合能量關係模式
關鍵字(英)Monolayer；Gold nanoclusters；Vapors Sensing；LSER model
摘要(中)本研究利用兩相合成法分別以四種不同之硫醇(thiol)結構來包覆奈米金簇。經由穿透式電子顯微鏡(TEM)量測後得知，其粒徑分布約在2~6 nm之間。在MPC氣體感測特性方面，我們以石英微量天平(QCM)及微小指叉狀電極(micro-interdigit electrode)來研究；經實驗證實，MPC材料可藉由包覆之官能基來決定，以產生不同之選擇性。 當MPC吸附氣體時，QCM呈現的訊號是受到質量改變所影響，我們可經由QCM量測並計算，以得知氣體吸附平衡常數，K(partition coefficient)，進而建立每一種MPC材料之線性溶合能量關係式(LSER model)。溶劑參數(solvation parameters)即代表MPC材料與氣體之間的化學作用，我們發現：偶極-偶極力(s)及氫鍵酸(a)對於MOP-Au材料有顯著的影響；在四種MPC材料中，僅有MBT-Au會受到氫鍵鹼(b)的影響；雖四種MPC材料皆受到凡得瓦力(l)作用，但此作用力則以C8SH-Au有最大之影響力。 此外，我們以四個相同MPC材料進行測試發現：阻抗式化學陣列所呈現之反應與QCM陣列有所差異，主要是MPC吸附氣體時，阻抗的訊號是受到核與核距離改變所影響。另外，我們以馬氏距離(Mahalanobis distance)與費雪法(Fisher method)進行兩種感測陣列之鑑別，就整體鑑別率而言：QCM(75.9%)較阻抗式化學感測陣列(60.7%)來的好；最後，若將兩種陣列合併為一種，此時即有8組感測陣列訊號，鑑別率將提升至86.7%。
摘要(英)Gold nanoclusters capped with four different functional thiolate were synthesized via two phase approach. The diameter of nanoclusters determined by TEM are ranging from 2 to 6 nm. The sensing properties of monolayer protected gold nanoclusters (MPCs) were probed on both QCM and micro-interdigital electrodes. Vapor sensing selectivity which is dominated by the shell ligand structure of MPC was demonstrated. QCM represents the mass change during the sorption of organic vapor into MPCs. The partition coefficient , K , can be estimated by this approach. We have taken further calculations to establish the linear solvation energy relationship model (LSER) for MPCs. The salvation parameters reveal the chemical force behind the selective vapor sorption behavior of MPC: MOP-Au process significant dipole-dipole attraction (s) as well as H-bond acidity (a). Among four MPCs materials, only MBT-Au shows effective H-bond basicity (b). All MPCs rely on Van der Waals force (l), but C8SH-Au has the largest Van der Waals force than other three MPCs. Furthermore, we found that the vapor response patterns of MPC coated QCM array are somehow different than that of same MPC coated chemiresistor. It is because the effectiveness of transferring the sorbed mass into the core-to-core distance change are different from one MPC to another. In addition, we perform statistical analysis using Mahalanobis distance and Fisher's method to determine the recognition of these sensor arrays. We found that QCM array has better recognition rate (75.9%) than that of chemiresistor (60.7%).Finally, if two arrays were joined as one array of eight sensors, the recognition rate increase to 86.7% which is still using four sensing materials only.
論文目次目錄 第一章 緒論……………………………………………………………………………………1 1-1 研究背景………………………………………………………………………………1 1-2 研究目的………………………………………………………………………………2 1-3 奈米材料的介紹………………………………………………………………………3 1-3-1 奈米材料的起源……………………………………………………3 1-3-2 奈米的定義…………………………………………………………3 1-3-3 奈米材料的定義與特性……………………………………………4 1-3-4 奈米元件的製造……………………………………………………9 1-3-5 兩相合成法的………………………………………………………9 1-4 自組性單層薄膜之定義與特性……………………………………………………12 1-4-1 自組性單層薄膜的種類…………………………………………14 1-4-2 自組性單層薄膜之應用…………………………………………15 1-4-3 評估自組性單層薄膜的方法……………………………………15 1-5 化學感測器…………………………………………………………………………16 1-5-1 化學感測器之簡介………………………………………………16 1-5-2 化學感測器陣列…………………………………………………17 1-5-2-1石英微量天平…………………………………………………17 1-5-2-1-1 石英振盪器之壓電性………………………………17 1-5-2-1-2 石英振盪器之介紹與應用…………………………19 1-5-2-1-3 QCM偵測之理論模式介紹…………………………21 1-5-2-1-4 QCM應用於感測之研究……………………………23 1-5-2-1-5 QCM在線性溶合能量關係理論之應用……………24 1-5-2-2 阻抗式化學感測器…………………………………………25 1-5-2-2-1 氣體吸附理論…………………………………………25 1-5-2-2-2 阻抗式化學感測器之氣體感測原理…………………30 1-5-2-2-3 MPC應用於化學感測器之研究………………………32 1-6 　模式辨識技術………………………………………………………………………33 1-7 　迴歸分析……………………………………………………………………………40 第二章 實驗器材及方法…………………………………………………………………………48 2-1 實驗藥品及儀器設備………………………………………………………………48 2-1-1 實驗藥品……………………………………………………………………48 2-1-2 儀器設備……………………………………………………………………49 2-2 儀器分析方法………………………………………………………………………52 2-2-1 氣體生成系統………………………………………………………………52 2-2-2 QCM振盪頻率的量測─計數器法……………………………………………54 2-2-3 系統控制……………………………………………………………………56 2-3 實驗流程……………………………………………………………………………57 2-4 MPC材料之合成步驟………………………………………………………………58 2-5 石英晶片表面處理…………………………………………………………………59 2-6 微小交叉指狀電極表面矽烷化……………………………………………………59 2-7 表面塗佈液配置及鍍膜控制………………………………………………………60 2-7-1 表面塗佈液配製……………………………………………………………60 2-7-2 鍍膜控制……………………………………………………………………60 2-8 資料處理………………………………………………………………………………61 第三章 結果與討論………………………………………………………………………………63 3-1 奈米金粒子之光譜鑑定與TEM量測結果…………………………………………63 3-2 氣體生成系統之性能評估…………………………………………………………65 3-3 有機氣體感測………………………………………………………………………69 3-3-1 石英微量天平與阻抗式化學感測器反應訊號圖之比較─以甲苯氣體為 例……………………………………………………………………………69 3-3-2 四種MPC材料對各類有機氣體感測之靈敏度辨識………………………71 3-3-3 四種MPC材料對各類有機氣體感測之探討………………………………75 3-3-4 線性溶合能量關係(LSER model)式之建立……………………………78 3-3-5 四種MPC材料對各類有機氣體之偵測極限………………………………82 3-3-6 群聚分析(Cluster analysis)………………………………………84 3-3-7 區別分析(Discrimant analysis)……………………………………87 第四章 結論………………………………………………………………………………………97 參考文獻…………………………………………………………………………………………98 圖目錄 圖1-1 四種不同硫醇結構包覆奈米金粒子……………………………………………………2 圖1-2 材料的維度(dimension)………………………………………………………………5 圖1-3 化學氣相沉積法………………………………………………………………………10 圖1-4 溶膠-凝膠(sol-gel)法………………………………………………………………10 圖1-5 奈米金粒子以硫醇保護之結構圖……………………………………………………11 圖1-6 自組性單層薄膜示意圖………………………………………………………………13 圖1-7 化學感測器感測流程示意圖…………………………………………………………16 圖1-8 典型的各種壓電裝置及其分子運動(particle motion)模式……………………18 圖1-9 石英晶體之單體結構…………………………………………………………………19 圖1-10 石英晶體之各種切割方向及角度……………………………………………………19 圖1-11 簡單之QCM 振盪模式…………………………………………………………………22 圖1-12 五種不同的物理吸附形式……………………………………………………………28 圖1-13 位能與原子間距離之關係圖…………………………………………………………30 圖1-14 電子在量子點中的穿隧效應示意圖…………………………………………………30 圖1-15 MPC在阻抗式化學感測器反應機構示意圖…………………………………………31 圖2-1 微小交叉指狀電極設計圖……………………………………………………………50 圖2-2 微小交叉指狀電極嵌在IC底座上的之實體照片……………………………………50 圖2-3 黃金石英晶片…………………………………………………………………………51 圖2-4 動態標準有機氣體生成系統…………………………………………………………53 圖2-5 頻率取樣方法…………………………………………………………………………54 圖2-6 感測器─QCM之系統連接示意圖………………………………………………………55 圖2-7 QCM之振盪電路圖………………………………………………………………………55 圖2-8 Labview之系統程式圖………………………………………………………………56 圖2-9 實驗流程圖……………………………………………………………………………57 圖2-10 石英晶片示意圖………………………………………………………………………59 圖2-11 矽烷化之反應機構……………………………………………………………………59 圖2-12 鍍膜控制與基本量測示意圖…………………………………………………………60 圖2-13 商業統計軟體spss 12.0之操作介面………………………………………………61 圖3-1 合成之奈米金粒子於UV-Vis光譜的吸收波長………………………………………62 圖3-2 奈米金粒子於TEM下之粒徑分佈圖……………………………………………………63 圖3-3 甲苯標準液體配製及氣體生成之檢量線比較………………………………………67 圖3-4 四種MPC材料於石英微量天平上對甲苯氣體之反應訊號圖…………………………69 圖3-4 四種MPC材料於阻抗式化學感測器上對甲苯氣體之反應訊號圖……………………70 圖3-5 C8SH-Au作為MPC外層膜感測有機氣體示意圖………………………………………71 圖3-6 石英微量天平─四種MPC材料對18種有機氣體相對斜率之雷達辨識圖……………73 圖3-7 阻抗式化學感測陣列─四種MPC材料對18種有機氣體之相對斜率辨識圖…………74 圖3-8 MOP-Au作為MPC外層膜感測極性氣體之反應機構…………………………………76 圖3-9 MBT-Au作為MPC外層膜感測極性氣體之反應機構…………………………………77 圖3-10 依據已知18種溶劑參數以華德法進行集群分析之結果……………………………84 圖3-11 QCM對於18種溶劑之斜率值(已標準化)以華德法進行集群分析之結果…………86 圖3-12 阻抗式化學感測陣列對於18種溶劑之斜率值(已標準化)以華德法進行集群分析之 結果……………………………………………………………………………………86 附圖1……………………………………………………………………………………………109 附圖2……………………………………………………………………………………………110 附圖3……………………………………………………………………………………………111 表目錄 表1-1 材料尺度的分類…………………………………………………………………………3 表1-2 奈米晶粒的尺寸大小與表面原子數目及所占比例……………………………………8 表1-3 單層自組裝法之基材、配位體與鍵結後之結構……………………………………14 表1-4 石英微量天平的各種化學塗佈物對特定氣體的感測能力…………………………20 表1-5 物理吸附與化學吸附之比較…………………………………………………………25 表1-6 近期的氣體感測器常用的訊號前處理方式…………………………………………33 表1-7 ANOVA(變異數分析)表………………………………………………………………42 表2-1 校正實驗中GC所設定之最佳化條件…………………………………………………53 表3-1 液體檢量線之配製─以甲苯溶劑為例………………………………………………64 表3-2 生成氣體甲苯之蒸氣壓濃度計算與流量調整………………………………………65 表3-3 氣體檢量線之配製─以甲苯溶劑為例………………………………………………67 表3-4 18種有機氣體生成之誤差計算………………………………………………………68 表3-5 石英微量天平─四種MPC材料對18種有機氣體感測之斜率值………………………72 表3-6 阻抗式化學感測器─四種MPC材料對18種有機氣體感測之斜率值…………………72 表3-7 溶劑參數表……………………………………………………………………………78 表3-8 經QCM測試後所求得之K/ρs值………………………………………………………79 表3-9 四種MPC材料之LSER model係數……………………………………………………80 表3-10 四種MPC材料─線性溶合能量關係式（LSER model)……………………………81 表3-11 石英微量天平─四種MPC材料對18種有機氣體之偵測極限…………………………82 表3-12 阻抗式化學感測器陣列─四種MPC材料對18種有機氣體之偵測極限………………83 表3-13 QCM─以SPSS進行區別分析的輸出結果……………………………………………90 表3-14 阻抗式化學感測陣列─以SPSS進行區別分析的輸出結果…………………………93 表3-15 將兩種感測陣列合併後以SPSS進行區別分析之分類結果…………………………96 附表1……………………………………………………………………………………………102 附表2……………………………………………………………………………………………103 附表3……………………………………………………………………………………………106
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論文頁數111
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