一种PEI修饰的多壁碳纳米管气体传感器及其制备与应用

一种pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器及其制备与应用
技术领域
1.本发明属于传感器技术领域。更具体地，涉及一种pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器及其制备与应用。


背景技术：

2.柑橘黄龙病(hlb)被称为全球柑橘产业的“癌症”，hlb的蔓延导致了柑橘的种植面积水平跌至世界近现代历史上的最低点，约为峰值的一半，如果没有足够的应对措施，柑橘产业将面临水果产量的快速下降和随之而来的巨大经济影响。目前治疗hlb的方法仍未成熟，所以及时检测hlb已成为一个关键问题，让树木在感染hlb的初期就被发现并进行有效处理是目前来说更为有效的防控方法。
3.研究发现，对比健康柑橘树来说，柑橘树在感染黄龙病后在无症状阶段，叶片挥发的气体中有三种挥发性有机化合物(voc)会发生较为明显的浓度变化：乙基己醇的浓度显著性下降，芳樟醇和苯乙醛的浓度会显著性上升；在hlb感染严重的柑橘叶片中，水杨酸甲酯的浓度也会显著性上升。
4.根据上述特点，不同的便携式气体监测设备(例如e-nose)已被证明可用于农业和园艺环境中的实时病虫害监测。已经开发的检测气体的方法包括气相色谱、电化学发光、拉曼光谱、液相色谱和荧光传感器，在这些检测方法中，与分析仪器相关的方法具有能够准确检测复杂样品中特定气体的能力，然而它们也存在样品制备量大、仪器昂贵笨重、仪器操作复杂等缺点，不适合实际场景中气体的实时检测。因此，发展一种简单方便且具有实时性的气体传感器用于柑橘黄龙病的早期检测是非常必要的。
5.气体传感器最重要的元件就是气敏材料，目前商用主流的气体传感器的气敏材料大多数是金属氧化物，但金属氧化物所需要的工作温度往往会达到几百摄氏度甚至更高，使用时有一定的机率会损伤植物，而且金属氧化物能耗高，容易中毒，对湿度敏感，对voc这种大分子挥发物精度较低，所以很少在植物的气体测试中使用。为解决上述问题，常在气体传感器中加入多壁碳纳米管，多壁碳纳米管具有更大的表面积，更多的吸附位点，其纳米尺寸使得几乎所有的表面都可以暴露到环境中，提高对voc的敏感性，但多壁碳纳米管对挥发性有机化合物的吸附和反应较弱。因此，可以检测柑橘早期黄龙病的选择很少，如中国专利申请公开了一种气体传感器，其仅公开了可以检测到甲苯、二甲苯、二氯甲烷，应用收到了极大的限制。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是克服检测柑橘树早期黄龙病的方法选择很少的不足，提供一种能够有效检测柑橘树早期黄龙病的pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器。
7.本发明的目的是提供一种pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器在检测柑橘黄龙病或长春花黄龙病中的应用。
8.本发明的另一目的是提供一种气敏测试系统。
9.本发明的另一目的是提供一种检测柑橘黄龙病或长春花黄龙病的方法。
10.本发明的上述目通过以下技术方案实现：
11.一种pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器，包括pei修饰的多壁碳纳米管和电阻检测仪器，其中，pei修饰的多壁碳纳米管用来吸附挥发性有机化合物，电阻检测仪器用来检测pei修饰的多壁碳纳米管的电阻值。
12.本发明采用聚乙烯亚胺(pei)对多壁碳纳米管传感器进行修饰，pei是由多个胺基重复单元和两个碳脂族ch
2-ch2间隔基组成的聚合物，不仅具有一定的气体吸附能力还可以将电子通过多壁碳纳米管过渡到电子受体(受测气体)中，从而使电阻值发生改变。
13.原始的多壁碳纳米管具有较少的缺陷位点，在暴露于受测气体的过程中只有少量的气体分子能吸附在表面，对于对分子量较大的voc而言，原始多壁碳纳米管对其吸附量更少。而pei中的聚合胺可以通过可逆亲核加成反应维持部分voc在多壁碳纳米管上的附着，同时在pei修饰的过程中，多壁碳纳米管会产生额外的缺陷位点，这使得多壁碳纳米管的吸附位点增多，进一步增加多壁碳纳米管对voc的吸附。
14.优选地，所述挥发性有机化合物为芳樟醇、苯乙醛、乙基己醇或水杨酸甲酯。
15.优选地，所述多壁碳纳米管为羧基化或氨基化的多壁碳纳米管。
16.优选地，所述pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
17.s1.将多壁碳纳米管分散于有机溶剂中超声得多壁碳纳米管分散液，采用介电泳排布法将多壁碳纳米管分散液均匀分散在传感器基底上的两金属电极之间，得多壁碳纳米管传感器；
18.s2.将多壁碳纳米管传感器完全浸没在pei溶液中，密闭条件下静置1～2h，洗涤干燥即得pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器。
19.优选地，所述多壁碳纳米管分散液滴加到传感器基底上的两金属电极之间。
20.本发明利用介电泳排布法的高频交变电场使多壁碳纳米管发生极化，极化后的多壁碳纳米管在电场力的作用下产生平动和转动力矩，最终多壁碳纳米管长轴沿着电场线方向排列。介电泳排布还可以使多壁碳纳米管进行有规律地排布，获得更具重复性的结果，这种排布也避免了多壁碳纳米管的团聚，增加了多壁碳纳米管对气体的暴露面积。
21.优选地，在步骤s1中，所述介电泳排布法的步骤为：将多壁碳纳米管分散液超声20～30min，备用，介电泳排布开始时，将10μg/ml超声后的多壁碳纳米管分散液滴加在两金属电极中央，连接仪器，调节参数，通电150～200s，洗涤干燥即得。
22.更优选地，所述参数调节为正弦交流信号的频率：5mhz，峰峰值：20vpp。
23.优选地，在步骤s1中，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为8～15μg/ml。
24.优选地，在步骤s1中，所述超声的时间为2h以上。
25.优选地，在步骤s1中，所述pei的重量为pei溶液的4～6％。
26.优选地，在步骤s1中，所述有机溶剂为甲醇、dmf、dmso或乙醇中的一种或多种。
27.本发明进一步保护一种pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器在检测柑橘黄龙病或长春花黄龙病中的应用。
28.优选地，所述pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器还能检测柑橘早期黄龙病。
29.优选地，所述pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器通过检测柑橘树在患柑橘黄龙病或早期黄龙病时释放的挥发性有机化合物来检测柑橘黄龙病。
cooh传感器中多壁碳纳米管的拉曼光谱图。
46.图7为测试传感器的化学蒸汽发生和测试系统。
47.图8为实施例1所得pei/cnt-cooh传感器对不同气相浓度的四种voc的实时响应，芳樟醇(图8a)，苯乙醛(图8b)，乙基己醇(图8c)，水杨酸甲酯(图8d)。灰色区域表示pei/cnt-cooh传感器暴露于挥发物的时间，灰色条下方数字代表此时挥发物的气相浓度，白色区域表示pei/cnt-cooh传感器在空气中恢复的时间。
48.图9为实施例1所得pei/cnt-cooh传感器在相同测试环境下对四种voc的检测上下限浓度，芳樟醇(图9a)，苯乙醛(图9b)，乙基己醇(图9c)，水杨酸甲酯(图9d)。
49.图10为实施例1所得pei/cnt-cooh传感器、cnt-cooh传感器、实施例2所得cnt-nh2传感器在暴露于voc气体30分钟后的响应。
50.图11为实施例1所得pei/cnt-cooh传感器、cnt-cooh传感器、实施例2所得cnt-nh2传感器在暴露于柑橘叶片30分钟后对柑橘健康叶片、患黄龙病叶片的响应。
51.图12为实施例1所得pei/cnt-cooh传感器对患hlb柑橘叶片与健康柑橘叶片的实时响应结果。
52.图13和图14为实施例1所得pei/cnt-cooh传感器对另外28片叶片的响应结果。
53.图15为实施例1所得cnt-cooh传感器对柑橘叶片的实时响应结果。
54.图16为实施例2所得cnt-nh2传感器对柑橘叶片的实时响应结果。
具体实施方式
55.以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
56.除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
57.pei修饰的多壁碳纳米管气体传感器的制备流程示意图如图1所示：
58.实施例1 pei修饰的羧基化多壁碳纳米管气体传感器的制备
59.s1.采用附有300nm二氧化硅层的高掺磷硅为基底，基底上有已实现图案化的30nm厚的铬层和100nm厚的金层作为传感器的两个金属电极，即图2中的
①
、
②
区域)，两电极之间间隔为10μm，整个传感器基底总体尺寸为4mm
×
7mm
×
0.52mm，实物图与示意图如图2所示。
60.s2.将羧基化的多壁碳纳米管分散于dmf中，配置浓度为10μg/ml，在室温下水浴超声2小时，将羧基化多壁碳纳米管分散液超声20分钟，介电泳排布开始时，使用移液枪移取10μl多壁碳纳米管分散液(10μg/ml)滴加在传感器基底上的两金属au电极中央，然后把函数信号发生器输出端的正极和负极分别连接在传感器两电极上，调节函数信号发生器的参数，使输出的正弦交流信号的频率为5mhz，峰峰值为20v，通电180秒，使多壁碳纳米管能有序排布在传感器基底上的两电极间隙中并桥接两电极，关闭函数信号发生器并撤掉介电泳装置后，将传感器上残留的液滴用无水乙醇轻轻清洗除去，清洗片刻后放到70℃的干燥箱中干燥2小时，得羧基化多壁碳纳米管传感器(cnt-cooh传感器)，cnt-cooh传感器横截面图如图3所示。
61.s3.将pei溶解在甲醇中得pei溶液，再将cnt-cooh传感器完全浸没在pei溶液中，
密闭条件下静置1h，取出后用甲醇清洗，放在烘箱中70℃干燥2h即得pei修饰的羧基化多壁碳纳米管传感器(pei/cnt-cooh传感器)。
62.实施例2 pei修饰的氨基化多壁碳纳米管气体传感器的制备
63.s1.采用附有300nm二氧化硅层的高掺磷硅为基底，基底上有已实现图案化的30nm厚的铬层和100nm厚的金层作为传感器的两个金属电极，即图2中的
①
、
②
区域)，两电极之间间隔为10μm，整个传感器基底总体尺寸为4mm
×
7mm
×
0.52mm，实物图与示意图如图2所示。
64.s2.将氨基化的多壁碳纳米管分散于dmf中，配置浓度为10μg/ml，在室温下水浴超声2小时，将氨基化多壁碳纳米管分散液超声20分钟，介电泳排布开始时，使用移液枪移取10μl多壁碳纳米管分散液(10μg/ml)滴加在传感器基底上的两金属au电极中央，然后把函数信号发生器输出端的正极和负极分别连接在传感器两电极上，调节函数信号发生器的参数，使输出的正弦交流信号的频率为5mhz，峰峰值为20v，通电180秒，使多壁碳纳米管能有序排布在传感器基底上的两电极间隙种并桥接两电极，关闭函数信号发生器并撤掉介电泳装置后，将传感器上残留的液滴用无水乙醇轻轻清洗除去，清洗片刻后放到70℃的干燥箱中干燥2小时，得氨基化多壁碳纳米管传感器(cnt-nh2传感器)，cnt-nh2传感器横截面图如图3所示。
65.对比例1多壁碳纳米管气体传感器cnt的制备
66.s1.采用附有300nm二氧化硅层的高掺磷硅为基底，基底上有已实现图案化的30nm厚的铬层和100nm厚的金层作为传感器的两个金属电极，即图2中的
①
、
②
区域)，两电极之间间隔为10μm，整个传感器基底总体尺寸为4mm
×
7mm
×
0.52mm，实物图与示意图如图2所示。
67.s2.将羧基化的多壁碳纳米管分散于dmf中，配置浓度为10μg/ml，在室温下水浴超声2小时，将羧基化多壁碳纳米管分散液超声20分钟，用移液枪吸取10μl的多壁碳纳米管分散液滴加在传感器基底上两电极中央，在空气中干燥片刻，放入干燥箱中70℃干燥2小时，即得。
68.对比例2 pei修饰的羧基化多壁碳纳米管气体传感器的制备
69.s1.采用附有300nm二氧化硅层的高掺磷硅为基底，基底上有已实现图案化的30nm厚的铬层和100nm厚的金层作为传感器的两个金属电极，即图2中的
①
、
②
区域)，两电极之间间隔为10μm，整个传感器基底总体尺寸为4mm
×
7mm
×
0.52mm，实物图与示意图如图2所示。
70.s2.将羧基化的多壁碳纳米管分散于dmf中，配置浓度为10μg/ml，在室温下水浴超声2小时，将羧基化多壁碳纳米管分散液超声20分钟，介电泳排布开始时，使用移液枪移取10μl多壁碳纳米管分散液(10μg/ml)滴加在传感器基底上两金属au电极中央，然后把函数信号发生器输出端的正极和负极分别连接在传感器两电极上，调节函数信号发生器的参数，使输出的正弦交流信号的频率为5mhz，峰峰值为20v，通电60秒，使多壁碳纳米管能有序排布在传感器基底上电极间隙并桥接传感器两电极，关闭函数信号发生器并撤掉介电泳装置后，将传感器上残留的液滴用无水乙醇轻轻清洗除去，清洗片刻后放到70℃的干燥箱中干燥2小时，得羧基化多壁碳纳米管传感器(cnt-cooh传感器)。
71.s3.将pei溶解在甲醇中得pei溶液，再将cnt-cooh传感器完全浸没在pei溶液中，
密闭条件下静置1h，取出后用甲醇清洗，放在烘箱中70℃干燥2h即得pei修饰的羧基化多壁碳纳米管传感器(pei/cnt-cooh传感器)。
72.传感器表征：
73.sem结构表征：如图4所示：对比例1使用滴加法制备得到的cnt传感器中有很多多壁碳纳米管呈斑块状，互相堆叠在一起，在cnt传感器基底上随机分布(图4a、图4b)，在电极和电极间隙之间也有许多区域没有多壁碳纳米管沉积，对多壁碳纳米管的利用率很低。实施例1制备得到的cnt-cooh传感器主要沉积在电极间隙之间，更多的多壁碳纳米管被吸引到电极边缘和电极间隙中，电极间隙的多壁碳纳米管数量更多，它们就能相互接触，彼此延伸，成功桥接到两电极，达到了比对比例1更好的排布效果(图4c)。对比例2制备得到的cnt-cooh传感器只有少量的多壁碳纳米管会被吸引到电极边缘并沉积下来，能沉积在电极间隙并桥接两电极的多壁碳纳米管数量就更少(图4d)。
74.实施例1制备得到的pei/cnt-cooh传感器电镜结果如图5所示，显然pei覆盖了整个电极间隙中的多壁碳纳米管，所以显示在电极间隙中只能观察到膜状结构，多壁碳纳米管都埋在了pei下方，这个结果也说明pei确实修饰到多壁碳纳米管了。
75.拉曼光谱表征：实施例1制备的cnt-cooh传感器和pei/cnt-cooh传感器在10mw的激光功率和532nm的激光激发下进行拉曼光谱表征，图6显示：位于1345.12cm-1
处的特征吸收峰是cnt-cooh传感器中多壁碳纳米管弯曲片层的晶格缺陷引起的，受多壁碳纳米管结构中sp3杂化结构影响，这个特征吸收峰一般称为d带(扰乱带)对应于多壁碳纳米管管壁上的无序结构；1581.47cm-1
处是g带，受多壁碳纳米管结构中sp2杂化结构影响，是c＝c、c-c等化学键引起的管状石墨结构振动吸收峰，对应于多壁碳纳米管上的石墨结构。两个峰积分面积的比值(id/ig)可以反应多壁碳纳米管的有序程度(扰乱度)，多壁碳纳米管中id/ig的值为1.09(图6a)。从图6b可以看出，经过pei修饰的多壁碳纳米管传感器的d带和g带位置向右轻微移动，分别为1349.88cm-1
，1584.55cm-1
，吸收峰的强度增加了一点，计算得出id/ig的值为1.01。
76.cnt-cooh传感器和pei/cnt-cooh传感器的id/ig值相似，分别为1.09和1.01，这个结果表明pei修饰没有破坏多壁碳纳米管的结构，也表明pei确实对多壁碳纳米管进行了表面覆盖，导致id/ig值产生了变化。
77.对于cnt-cooh传感器，在1581.47cm-1
处观察到g带，但对于pei/cnt-cooh传感器，g带右移至1584.55cm-1
。这种现象的原因可能是pei中n原子的孤对电子可能与多壁碳纳米管的p电子相互作用，由于p-p共轭，多壁碳纳米管的电子密度增强，表面极化程度提高，增强了传感器的导电能力。
78.实施例3传感器的重复性和稳定性测试
79.使用自制的化学蒸汽发生和测试系统(图7)对制作的pei/cnt-cooh传感器、cnt-cooh传感器、cnt-nh2传感器进行气敏测试。传感器通过引线键合到塑料板载体并连接到stm32单片机上(传感器在1v的恒定直流偏压下工作)，单片机中存有编写好的用于监测计算并保存传感器电流、电阻的程序。
80.将pei/cnt-cooh传感器、cnt-cooh传感器、cnt-nh2传感器放置在25℃，空气湿度为50％的自然实验室环境中半小时左右，等到各传感器电阻稳定后记录此时的电阻阻值作为基线电阻。利用等式(1)计算所需的患病柑橘与健康柑橘挥发气体(芳樟醇、苯乙醛、乙基
己醇、和水杨酸甲酯)的浓度(以ppm为单位)。
[0081][0082]
其中v
spl
代表通过注射器注入气室的待测挥发性有机化合物的体积，以微升为单位(μl)，d
spl
代表待测voc气体的密度，r为理想气体常数(0.0820574587l
·
atm
·
mol-1
·
k-1
)，t代表实验室温度(298k)，v
ac
代表气室的总体积，以毫升为单位(ml)，m代表待测挥发性有机化合物的相对分子量，p代表实验室的大气压(0.992atm)。
[0083]
实验开始时先将各传感器暴露于浓度为100ppm的voc中，如果传感器响应绝对值|ar|(检测结果减基线电阻的绝对值)小于8％，则增加voc浓度，否则就减少voc浓度，当|ar|处于8％～10％区间时，我们认为此时的voc浓度为传感器对该voc的检测下限浓度，之后提高一定的受测气体浓度，观察响应数值，以确定的确是传感器对受测气体做出了响应。使用microsoft excel、graphpad prism等软件进行数据分析和基线校正。
[0084]
在相同的voc浓度下，随着时间的增加传感器响应绝对值|ar|在逐渐上升，观察发现|ar|在30分钟内可以达到饱和值(图8)，所以采用30分钟为传感器暴露在受测气体环境下的响应时间和在空气中的恢复时间。
[0085]
利用等式(1)计算出相应挥发性有机化合物气体浓度所对应的挥发性有机化合物体积(具体数值如表1、表2、表3、表4)，使用移液枪吸取出计算得出的待测挥发性有机化合物体积，再使用注射器全部吸取并注射到气室，打开风扇，等待挥发性有机化合物完全挥发并与气室内空气充分混合后再迅速将传感器放置在气室中，开始气敏实验。传感器分别暴露于不同浓度的挥发性有机化合物气体中30分钟，单片机测量电阻系统每6分钟记录一次当前传感器的电阻阻值，之后将传感器转移到气室外的自然空气环境中进行30分钟的恢复，恢复过程中单片机测量电阻系统同样每6分钟记录一次当前传感器的电阻阻值，pc端计算并显示数据，在3小时内同一传感器会暴露于不同浓度(由低到高)的同种voc3次，使用同种传感器进行3次重复实验以测试其重复性和稳定性。
[0086]
表1芳樟醇气体浓度所对应液态的体积
[0087]vac
(ml)v
spl
(μl)d
spl
(g/ml)m(g/mol)浓度(ppm)4203.050.862154.25142015.250.862154.25542021.350.862154.25742030.50.862154.2510420610.862154.252042091.50.862154.25304201220.862154.2540420152.50.862154.25504203050.862154.251004206100.862154.2520042015250.862154.2550042024400.862154.2580042030500.862154.251000
[0088]
表2苯乙醛气体浓度所对应的液态体积
[0089][0090][0091]
表3乙基己醇气体浓度所对应的液态体积
[0092]vac
(mi)v
spl
(μl)d
spl
(g/ml)m(g/mol)浓度n(ppm)4202.670.832130.23142013.350.832130.23542026.70.832130.231042040.050.832130.231542053.40.832130.232042066.750.832130.2325420106.80.832130.2340420133.50.832130.23504202670.832130.231004205340.832130.2320042013350.832130.2350042021360.832130.2380042026700.832130.231000
[0093]
表4水杨酸甲酯气体浓度所对应的液态体积
[0094]
[0095][0096]
与传感器连接的stm32单片机会将传感器的电阻阻值实时传输到pc端，使用等式(2)计算传感器对各挥发性有机化合物的响应：
[0097][0098]
其中传感器响应为ar，r0表示传感器的基线电阻阻值，ri表示传感器暴露在voc中一段时间后的电阻阻值，r0与ri均以千欧为单位(kω)。
[0099]
结果显示pei/cnt-cooh传感器接触到芳樟醇、苯乙醛和水杨酸甲酯时产生正值响应(图8a～c)(电阻增大)，而接触到乙基己醇时产生负值响应(图8d)(电阻减小)。图8中的灰色区域代表此时pei/cnt-cooh传感器处于该挥发性有机化合物的气体环境下，灰色区域下方的数字表示此时受测挥发物的气相浓度，分析可以看出在一段连续时间内，无论是哪种受测voc气体，浓度增加后pei/cnt-cooh传感器的响应绝对值也会相应的增加，证明pei/cnt-cooh传感器的响应绝对值与受测voc浓度具有正相关的关系。空白区域表示此时pei/cnt-cooh传感器正在空气的环境下恢复，可以看出pei/cnt-cooh传感器的响应绝对值会慢慢下降，这代表pei/cnt-cooh传感器具有很强的可恢复性和可重复性。
[0100]
当将受测气体的气相浓度设置为500ppm、1000ppm和2000ppm时，在相同的气相浓度下可以发现pei/cnt-cooh传感器对乙基己醇的响应绝对值|ar|最小(图8d)，在2000ppm的浓度下也只能达到27％；对水杨酸甲酯的|ar|最大，在500ppm的浓度下就能达到36％，在2000ppm浓度下能达到103％的|ar|；在相同的气体浓度下pei/cnt-cooh传感器对芳樟醇的响应要高于苯乙醛。
[0101]
实施例4 pei/cnt-cooh传感器对voc的灵敏度测试
[0102]
测量实施例1制备得到pei/cnt-cooh传感器、cnt-cooh传感器和实施例2制备得到的cnt-nh2传感器对芳樟醇、苯乙醛、水杨酸甲酯和乙基己醇的气体浓度检测下限，受测气体浓度范围设置为0ppm-1000ppm，除待测气体外的气体也有可能对pei/cnt-cooh传感器造
成影响，但是根据我们的实验经验，空气造成的传感器响应一般不会超过8％，所以在进行各voc的下限检测时，当传感器响应绝对值|ar|波动小于8％，我们认为是空气对pei/cnt-cooh传感器造成的数值波动，当传感器在受测气体环境中响应绝对值|ar|达到8％～10％区间时，我们认为此时的受测气体浓度为pei/cnt-cooh传感器对该受测气体的检测下限浓度。
[0103]
如图9所示：pei/cnt-cooh传感器对芳樟醇的检测下限为7ppm，在1000ppm的芳樟醇环境下pei/cnt-cooh传感器达到约55％|ar|(图9a)；对苯乙醛的检测下限为9ppm，在1000ppm苯乙醛环境下pei/cnt-cooh传感器的|ar|约为43％(图9b)；对水杨酸甲酯的检测下限为2ppm，在气体浓度为1000ppm时，|ar|达到约76％(图9c)；对乙基己醇检测下限为气体浓度为25ppm，在乙基己醇气体浓度为1000ppm时，pei/cnt-cooh传感器|ar|达到约23％(图9d)。
[0104]
根据图8的响应曲线可以分析出在相同的气相浓度下pei/cnt-cooh传感器对这4种voc的响应绝对值按以下顺序排列：水杨酸甲酯》芳樟醇》苯乙醛》乙基己醇。pei/cnt-cooh传感器对这4种voc检测浓度的下限数值分别为水杨酸甲酯2ppm，芳樟醇7ppm，苯乙醛9ppm，乙基己醇25ppm，其中响应绝对值范围较高的水杨酸甲酯、芳樟醇和苯乙醛检测下限也比响应绝对值范围较低的乙基己醇要低，所以可以得出pei/cnt-cooh传感器对这4种voc的灵敏度排序为：水杨酸甲酯》芳樟醇》苯乙醛》乙基己醇的结论。本发明制备的pei/cnt-cooh传感器不仅能快速对这4种hlb生物标志物进行响应，而且最低的检测下限到达了0～10ppm级别，灵敏度极高。
[0105]
图10结果显示无论在何种受测气体环境下，pei/cnt-cooh传感器在这3种传感器中都达到了最高的响应值(49％、35％、15％、68％)。在水杨酸甲酯的检测中，pei/cnt-cooh传感器达到的响应最大值甚至达到了其他两种传感器响应最大值的4倍。总体而言pei/cnt-cooh传感器对本文中4种受测挥发物的灵敏度远远高于cnt-cooh传感器和cnt-nh2传感器，这表明对比其他两种传感器，pei/cnt-cooh传感器能更有效的检测出柑橘黄龙病的voc生物标志物，能更加有效地检测出患病柑橘植株，这是由于pei修饰后的多壁碳纳米管具有更多的气体吸附位点也具有更强的气体吸附能力，pei具有多个胺基的聚合胺结构也能对多种voc如醛类、醇类进行有效的吸附。
[0106]
图11表明，无论是对患病柑橘叶片挥发物还是健康柑橘叶片挥发物，pei/cnt-cooh传感器的响应绝对值都比其他两种传感器大，而且也只有pei/cnt-cooh传感器对健康叶片和患病叶片的响应有变化趋势的差别即对健康柑橘叶片挥发物呈负值响应，对患病柑橘叶片挥发物呈正值响应，其余两种传感器无法从响应的变化趋势辨别出患病柑橘和健康柑橘。这一结果更有效地证明了pei/cnt-cooh传感器更适合作为辨别柑橘是否感染hlb的传感器。
[0107]
实施例5 pei/cnt-cooh传感器对柑橘hlb的检测
[0108]
本文使用的柑橘品种为沙糖桔，取材于一个轻度hlb感染的果园，该果园位于中国广东省广州市增城区(113.6122
°
e,23.135245
°
n)，我们在该果园选取一批种植了4年的柑橘树作为实验材料，这一批柑橘树中包括健康柑橘和患hlb的柑橘。
[0109]
目前，实验室广泛接受的用于鉴定柑橘hlb的方法是基于用特定引物扩增hlb菌中特异的16s rdna序列，用qpcr测定的ct值可以确定柑橘树是否感染hlb及感染程度。
[0110]
为了确定pei/cnt-cooh传感器是否有检测柑橘hlb的能力，我们以柑橘叶片为材料，将气敏实验后的叶片剪取0.05-0.1g叶脉，提取其dna后，调整dna浓度为100ng/μl，然后进行qpcr的ct值测定，ct值越大表明叶片的黄龙病菌浓度越少，对比同一叶片的pei/cnt-cooh传感器响应和ct值检测结果。
[0111]
qpcr法结果显示对照样品(提取dna所用的超纯水)的ct值约为34～38，如果样品的ct值低于空白样品的ct值则可认为样品呈hlb阳性，如果样品的ct值结果高于空白样品的ct值则认为样品呈hlb阴性。
[0112]
采摘3棵健康柑橘的叶片和3棵患hlb柑橘的叶片，每棵柑橘树随机采摘5片叶片作为实验材料，采摘时只将叶片剪下，对其叶肉部分并未造成机械损伤。将单片叶片放于封闭气室之中，使pei/cnt-cooh传感器暴露于叶片的挥发气体中30分钟，每6分钟记录一次电阻值，再将pei/cnt-cooh传感器放于空气中恢复30分钟，每6分钟记录一次电阻值，3小时内重复3次，与图8类似，灰色区域为pei/cnt-cooh传感器暴露在叶片挥发物时的实时响应，白色区域为pei/cnt-cooh传感器在空气中恢复的实时响应。
[0113]
如图12所示：当pei/cnt-cooh传感器暴露在患hlb柑橘叶片时，pei/cnt-cooh传感器会产生正值响应，在空气中恢复时响应值会慢慢恢复到基线，在患病柑橘叶片挥发气体的环境下，pei/cnt-cooh传感器的响应变化在0％～30％以内；而当pei/cnt-cooh传感器暴露在健康柑橘叶片时，它会产生负值响应，在25摄氏度、50％湿度的实验室空气中恢复时响应会慢慢上升至基线，响应的变化在-20％～0％。
[0114]
由于我们采用了一段连续时间的实时响应检测相当于进行了3次技术重复，并且所有叶片材料检测后得到的结果趋势依然如此(pei/cnt-cooh传感器对其余叶片的实时响应结果如图13、图14)，所以我们认为当pei/cnt-cooh传感器检测柑橘叶片时，如果pei/cnt-cooh传感器产生了正值响应并且响应在一段时间内(约30分钟)能维持在正值则说明该柑橘叶片呈黄龙病阳性，如果产生了负值响应并且响应在一段时间内(约30分钟)能维持在负值则说明该柑橘叶片呈黄龙病阴性。
[0115]
其他两种传感器(cnt-cooh传感器，cnt-nh2传感器)对健康柑橘叶片和患hlb柑橘叶片挥发物的响应(图15、图16)，没有像pei/cnt-cooh传感器这样非常明显的规律性变化。
[0116]
为了更进一步证明pei/cnt-cooh传感器能辨别健康柑橘树和患hlb柑橘树，我们设计了验证实验如下：分别在患hlb柑橘树和健康柑橘树采摘一批叶片，总共10棵柑橘树，使用pei/cnt-cooh传感器进行与上文相同的气体检测试验后再使用qpcr检测叶片的黄龙病菌浓度(检测叶片的ct值)。受测的柑橘树已经通过qpcr鉴定，分别有6棵患hlb植株(植株1、植株3、植株4、植株5、植株9、植株10)，4棵健康植株(植株2、植株6、植株7、植株8)。
[0117]
表5为pei/cnt-cooh传感器分析结果与qpcr检测叶片ct结果的对比表格，表5中传感器检测结果为pei/cnt-cooh传感器在检测该叶片30分钟内达到的最大|ar|时的ar值。从表5中可以看出检测的所有健康植株(植株2、植株6、植株7、植株8)的所有叶片，qpcr结果都是阴性(即ct值高于阴性对照)，voc的分析结果也同样是阴性(即pei/cnt-cooh传感器产生负值响应)。
[0118]
植株1中受测叶片有8片，pei/cnt-cooh传感器检测结果显示除了叶片3，其他叶片样本均为阳性，而qpcr结果却有3个叶片样本(叶片2、叶片3、叶片4)呈现出阴性，我们的pei/cnt-cooh传感器检测其叶片样本时只有1个叶片样本呈现出阴性结果，而qpcr结果却
有3个叶片样本(叶片2、叶片3、叶片4)呈现出阴性；类似的情况还出现在植株3、植株4、植株5、植株9中，从表中可以发现植株3中有一个叶片样本出现pei/cnt-cooh传感器结果为阳性而qpcr结果为阴性的情况，植株4中有3个叶片样本出现pei/cnt-cooh传感器结果为阳性而qpcr结果为阴性的情况，植株5中有3个叶片样本出现pei/cnt-cooh传感器结果为阳性而qpcr结果为阴性，植株9中有2各叶片样本出现pei/cnt-cooh传感器结果为阳性而qpcr结果为阴性的情况。通过qpcr结果确定了植株3、植株4、植株5、植株9和植株10均为患hlb植株，患病植株中只有植株10的叶片样本两种检测方法均为hlb阳性。这些结果说明所有的健康植株的叶片样本经过pei/cnt-cooh传感器检测和qpcr检测后都表现出阴性，而患病植株的叶片样本中会出现pei/cnt-cooh传感器结果为阳性而qpcr结果为阴性的情况，所以在检测叶片样本的情况下，pei/cnt-cooh传感器的检测结果与实际情况更接近。
[0119]
表5pei/cnt-cooh传感器检测结果与qpcr结果的比较
[0120]
[0121]
[0122]
[0123][0124]
pei/cnt-cooh传感器在这项对比实验中的成功检测凸显了我们制作的pei/cnt-cooh传感器检测方法的可靠性。qpcr方法可检测病原体本身，而使用pei/cnt-cooh传感器检测宿主植株voc分析检测的是宿主感染病原体后的反应，因为病原体负载在植物组织中分布不均匀，hlb菌可能以低浓度存在，并且会随时间波动，而柑橘在感染hlb的早期阶段，未感染黄龙病的叶片在数量上也可能会超过感染hlb病原体的叶片，所以在初始测试中测量其植株叶片的ct值时是会出现部分叶片结果为阴性的结果即采样样品出现假阴性的情况，导致许多被确定为未感染的柑橘树在初始测试后数月至数年继续成为感染源，我们的对比试验表明感染hlb的柑橘树的新陈代谢已经发生变化，voc也就发生变化了，我们制作的pei/cnt-cooh传感器可以检测到，在相同采样量的情况下，我们制作的pei/cnt-cooh传感器检测法的准确性高于常规的qpcr检测法。这说明我们制作的pei/cnt-cooh传感器可以用于早期hlb柑橘树的检测。
[0125]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。