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系統識別號 U0002-3001201909421900
中文論文名稱 利用diazotization反應開發亞硝酸鹽之液晶感測系統
英文論文名稱 Developing Liquid Crystal Sensor System for Nitrite Detection by Using Diazotization Reaction
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 107
學期 1
出版年 108
研究生中文姓名 藍翊軒
研究生英文姓名 Yi-Hsuan Lan
學號 606160074
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2019-01-04
論文頁數 66頁
口試委員 指導教授-陳志欣
委員-徐秀福
委員-何美霖
中文關鍵字 液晶  感測器  diazotization反應  亞硝酸鹽檢測 
英文關鍵字 liquid crystal  sensor  diazotization reaction  nitrite detection 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 本研究中,我們在液晶感測器中利用diazotization 反應檢測水溶液中的亞硝酸鹽離子。我們在5CB中參雜具有長碳鏈的苯胺分子,利用diazotization 反應的反應原理,在酸性環境下加入亞硝酸鹽,使其生成具有長碳鏈的重氮鹽分子,考慮到長碳鏈重氮鹽分子與陽離子介面活性劑有著相似的結構,有著可控制液晶的可能性。在實驗的過程中證明了長碳鏈重氮鹽分子具有可控制液晶排列的能力,我們也探討了改變不同的官能基,對反應性與偵測極限的影響。最低偵測極限可達 25 μM,且具有良好的選擇性,在不同離子存在時,依然可以進行檢測,也可以在自來水、池塘與海水中做檢測。實現了利用液晶感測器感測亞硝酸鹽。
英文摘要 In this study, we developed a real-time liquid crystal (LC) sensor system for detecting nitrite in aqueous solutions by using the reaction mechanism of diazotization reaction. Firstly, alkylanilines were doped into a nematic LC 4-cyano-4’-pentylbiphenyl (5CB) followed by casting a thin layer of the LC mixture on a glass substrate. The sensor system was constructed by immersing the glass substrate with the LC film into aqueous solutions to form an LC/aqueous interface. In the absent of nitrite, the orientation of LC was planar and the LC image was bright under polarized light. In the presence of nitrite, it would react with alkylanilines to give diazonium ions with positive charge, which would align at the LC/aqueous interface and resulted in homeotropic orientation of the LC molecules in the LC film. As a result, a bright-to-dark transition of the LC image can be observed.

By using this LC-based sensor system, the limit of detection (LOD) for nitrite is 25 µM with high selectivity, and it can be applied in environmental water samples such as tap water, pound and sea. Moreover, the structural effect of alkylanilines on the performance of the nitrite detection by using the LC-based sensor system was also investigated in the work.
論文目次 總目錄
第一章 緒論 1
1-1 亞硝酸鹽 1
1-1-1 亞硝酸鹽對於人體與環境的危害 3
1-1-2 亞硝酸鹽檢測方法 4
1-2 液晶感測器 7
1-2-1 液晶介紹 7
1-2-2 液晶種類 9
1-2-3 液晶感測器介紹 12
1-2-4 液晶感測器種類 14
1-2-4-1 液晶-固體介面 (LC-solid interface) 14
1-2-4-2 液晶-液體介面 (LC-liquid interfaces) 16
1-2-4-3 液晶液滴(LC droplet) 19
1-3 研究動機 21
1-4 研究方法 21
第二章 實驗方法與材料 23
2-1 實驗藥品與器材 23
2-2 實驗儀器 25
2-3 實驗方法 26
2-3-1 製備 PDMS 培養皿 26
2-3-2製備DMOAP修飾玻璃 26
2-3-3 清洗TEM 金屬銅網格 27
2-3-4 亞硝酸鹽水溶液配製 27
2-3-5 真實樣品水溶液配製 27
2-3-6 製備長碳鏈探針 27
2-3-6-1 製備探針 4-(decyloxy) aniline (10CO) 28
2-3-6-1-1 合成decyoxyl-4-nitrobenzen 28
2-3-6-1-2 合成 4-(decyloxy) aniline 28
2-3-6-2 製備aminobenzoate 系列探針 29
2-3-6-2-1 合成decyl 4-aminobenzoate (10CBA) 29
2-3-6-2-2 合成dodecyl 4-aminobenzoate (12CBA) 29
2-3-6-2-3 合成tetradecyl 4-aminobenzoate (14CBA) 30
2-3-7 製備參雜不同探針之5CB 31
2-3-7-1 製備參雜10C之5CB 31
2-3-7-2 製備參雜10CO之5CB 31
2-3-7-3 製備參雜10CBA之5CB 31
2-3-7-4 製備參雜12CBA之5CB 31
2-3-7-5 製備參雜14CBA之5CB 31
2-3-8 製備液晶-液體介面元件 31
2-3-9 液晶-液體介面光學訊號鑑定 32
2-3-10 探針分子測試 32
2-3-10-1 反應性測試 32
2-3-10-2 分子動力學測試 32
第三章 結果與討論 33
3-1 液晶感測系統對亞硝酸鹽反應探討 33
3-1-1 液晶參雜pentylaniline作為感測NO2-之探針進行Griess反應 33
3-1-2 以diazotization反應為基礎的液晶感測機制 36
3-1-3 液晶感測機制驗證 38
3-2 不同探針對亞硝酸鹽反應之影響 42
3-2-1 官能基對探針之影響 43
3-2-2 測量不同探針之探針反應動力學 46
3-2-3 碳鏈長度與偵測極限之關係 48
3-2-4 離子選擇性 50
3-2-5 離子干擾性 51
3-2-6 真實樣品測試 52
3-2-7 液晶感測器定量實驗 54
3-2-8 以智慧型手機擷取液晶感測器數據 56
3-2-9 液晶感測器與其他檢測亞硝酸鹽之方法比較 58
第五章 參考文獻 61
附圖 63

圖目錄
圖1、重氮化反應式。 2
圖2、亞硝醯陽離子與二級胺反應形成亞硝基化合物。 4
圖3、Diazotization反應式。 5
圖4、重氮鹽與其他分子耦合形成偶氮染料。 5
圖5、桿狀液晶示意圖。 8
圖6、4-cyano- 4’-pentylbiphenyl (5CB) 分子結構。 9
圖7、熱致型液晶示意圖。 11
圖8、液晶感測器感測機制示意圖。 13
圖9、液晶-固體介面裝置示意圖。 15
圖10、DMOAP 分子結構。 15
圖11、OTS 分子結構。 15
圖12、液晶-液體介面裝置組成示意圖。 16
圖13、汞離子檢測裝置示意圖。 18
圖14、液晶液滴示意圖。 20
圖15、PDMS 培養皿。 26
圖16、液晶參雜pentylaniline之感測亞硝酸鹽機制示意圖。 34
圖17、液晶參雜pentylaniline之感測亞硝酸鹽機制驗證。 35
圖18、液晶參雜長碳鏈苯胺探針進行diazotization反應之液晶感測器感測NO2-機制示意圖。 37
圖19、液晶參雜不同比例之10C在酸性環境下觀察訊號變化。 38
圖20、利用改變不同反應條件驗證參雜物10C進行diazotization反應之液晶感測機制。 39
圖21、10C與亞硝酸鹽在均相溶液中反應,重氮鹽會與10C耦合形成三氮染料。 40
圖22、10C(黑線)和10C三氮染料(紅線)UV吸收光譜圖。 41
圖23、10C三氮染料(分子量477.78)質譜圖。 41
圖24、液晶參雜1.6% (w/w) 10C之液晶感測器對NO2-偵測極限。 42
圖25、參雜分子結構。 43
圖26、液晶參雜10C 與10CBA之液晶感測器對NO2-偵測極限。 44
圖27、液晶參雜10CO 之液晶感測器對NO2-偵測極限。 45
圖28、在360 nm下,產物吸收度對時間作圖。 47
圖29、探針分子結構。 48
圖30、液晶參雜不同探針之液晶感測器對NO2-偵測極限。 49
圖31、液晶參雜0.7% (w/w) 14CBA之離子選擇性測試。 50
圖32、液晶參雜0.7% (w/w) 14CBA干擾性測試。 51
圖33、真實樣品中對於NO2-的偵測極限。 53
圖34、液晶參雜10CBA、12CBA、14CBA之液晶感測器在不同亞硝酸鹽濃度下的光學訊號圖。 55
圖 35、液晶感測器裝置組成設計圖與實際裝置成品。 56
圖 36、市售手機鏡頭專用放大鏡。 57
圖 37、以手機擷取液晶感測器數據圖與其平均灰階值。 57

表目錄
表 1、10C、10CO與10CBA反應後生成產物產率比較表。 46
表2、各種對於亞硝酸鹽檢測方法之比較表。 59

附圖目錄
附圖1、10CO 之 1H NMR (300 MHZ)。 63
附圖2、10CBA 之 1H NMR (300 MHZ)。 63
附圖3、12CBA 之 1H NMR (300 MHZ)。 64
附圖4、12CBA 之 13C NMR (600 MHZ)。 64
附圖5、14CBA 之 1H NMR (300 MHZ)。 65
附圖 6、14CBA 之 13C NMR (600 MHZ)。 65
附圖 7、10C三氮染料 之 1H NMR (300 MHZ)。 66

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