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研究生: 蕭文修
Wen-Hsiu Hsiao
論文名稱: 感測元件偵測胺類氣體及無線傳輸遠距監測周界空氣之研究
Amine Vapors Detection by Sensory Device and Real Time Ambient Odor Monitoring with Wireless Distributed Sensor Array System
指導教授: 凌永健
Yong-Chien Ling
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
中文關鍵詞: 表面聲波元件氣體感測自組裝單分子膜芳杯即時監測無線傳輸
外文關鍵詞: surface acoustic wave device, gas sensing, self-assembled monolayers, calixarenes, real time monitoring, wireless communication
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  • 本論文研究異味物質之偵測與逸散監測之問題。分為兩部分,第一部分是在128° YX-LiNbO3之表面聲波元件(SAW device)上製作感測薄膜,偵測易惡臭之胺類氣體。第二部分是利用具備無線傳輸功能之監測模組Alpha MOS RQBox,連續監測異味的逸散及其來源。
    首先在感測薄膜的製備上,先以11-mercaptoundecanoic acid於元件表面形成自組裝單分子膜,再修飾上芳杯分子p-tert-butyl-calix- [n]arene (CA[n],n=4,6),增加薄膜在吸附分子上的選擇性。所偵測氣體為包括丙胺在內的三種胺類,及甲苯等四種有機溶劑。由感測結果中發現CA[4]與CA[6]均對於丙胺有較佳的感測能力而造成較大的頻率偏移(frequency shift)。CA[4]由於空穴結構之尺寸較小,增加立體因素之影響,導致其頻率偏移均比CA[6]要小,對於大分子的影響較大。元件的反應在丙胺濃度59-1000 ppmv的範圍內呈現良好的線性關係。丙胺之偵測極限為29.5 ppmv。另外,從X光光電子能譜(XPS)分析薄膜結構之熱穩定性的結果中發現,自組裝薄膜會在90-100°C之間開始產生結構上的損壞,即表面分子在加熱後的脫附。
    在第二部分的研究中,於清華大學校園內之一異味逸散地點與其來源處進行9小時之連續監測。由監測結果中可觀察到感測器在短時間內的反應變化,逸散點與上游測點在晚間八點後均有較大的反應且持續時間長,因此可推論異味來源,有利於後續處理動作,如採樣與儀器分析,進行確認與獲得代表性之異味資訊。未來如再加裝自動取樣裝置,於感測器反應較高時自動取樣,則對於不定時的污染排放亦能進行有效的處理。


    This study has focused on odor sensing material and emission problems. The first part involves the fabrication and characterization of sensing films deposited on a 128° YX-LiNbO3 based surface acoustic wave (SAW) device for the detection of organic amines, which can cause odors. The second part utilizes a wireless distributed sensor array system for real time continuous monitoring of ambient odor.
    In the fabrication of sensing films, 11-mercaptoundecanoic acid (11-MUA) has rearranged on the surface of a SAW device as self- assembled monolayer, followed by modification with p-tert-butyl- calix[n]arene (CA[n], n=4,6), in order to enhance the selectivity. The device has been used to sense three amines and five organic solvents, and frequency shifts were recorded. The maximum frequency shift was observed when n-propylamine was introduced. The selectivity from cavity size of calixarenes resulted in smaller frequency shift when sensing compounds with larger molecular volume, like triethylamine. The SAW showed well dynamic range with n-propylamine concentration between 59-1000 ppmv with well linearity. The detection limit was 29.5 ppmv for n-propylamine .In addition, thermal stability of 11-MUA/CA[n] has been examed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The desorption of thiolate was observed by the thermal treatment in 100°C and 110°C.
    As for monitoring ambient odor, a distributed six-sensor-array system with wireless communication capability has been demonstrated. By simultaneous monitoring the suspected site and the affected site, the source of ambient odor can be identified and facilitates the further analysis, such as GC/MS, to investigate the odor-causing substance.

    第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 感測元件偵測胺類氣體 2 1.3 無線傳輸遠距監測周界空氣 4 1.4 參考文獻 6 第二章 感測元件偵測胺類氣體 8 2.1 前言 8 2.1.1 表面聲波感測器 8 2.1.2 自組裝單分子膜 12 2.1.3 芳杯分子Calix[n]arenes 14 2.2 研究動機與方法 20 2.3 實驗方法與流程 21 2.3.1 實驗藥品 21 2.3.2 儀器設備 21 2.3.3 感測元件製作 22 2.3.4 自組裝薄膜製備 23 2.3.5 薄膜分析技術介紹 24 2.3.6 氣體量測系統與流程 25 2.4 結果與討論 28 2.4.1 自組裝薄膜鑑定 28 2.4.2 自組裝薄膜熱穩定性分析 30 2.4.3 氣體感測 32 2.5 結論 39 2.6 參考文獻 40 第三章 無線傳輸遠距監測周界空氣 69 3.1 前言 69 3.1.1 氣體樣品分析方法 69 3.1.2 遠端即時空氣監測系統 71 3.1.3 氣體感測器工作原理 72 3.1.4 電子鼻介紹 73 3.2 研究動機與方法 75 3.3 實驗方法與流程 76 3.3.1 藥品與器材 76 3.3.2 儀器設備 76 3.3.3 實驗方法 78 3.3.4 監測地點介紹 79 3.4 結果與討論 81 3.4.1 異味逸散監測結果 81 3.4.2 電子鼻分析 83 3.4.3 GC/MS分析結果 84 3.5 結論 87 3.6 參考文獻 88

    第一章
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    第二章
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    第三章
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