專利名稱：一種有機(jī)氣體傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的氣體傳感器。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和科技的突飛猛進(jìn)，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，化工生產(chǎn)和裝修裝飾材料 中經(jīng)常使用和產(chǎn)生一些有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅人們的生活和健康。因此研究這些用于環(huán)境 監(jiān)測(cè)的氣體傳感器以及探索新的氣體傳感方法，成為人們?nèi)找骊P(guān)心的問題。
表面等離子體共振(SPR)是一種表面物理光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)入射光波在金屬膜界面處產(chǎn)生全反 射，且入射光波的頻率與金屬膜表面自由電子共振頻率相同時(shí)，便產(chǎn)生表面等離子體共振現(xiàn) 象。共振角度或共振波長(zhǎng)對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感，因而可以用于對(duì)生 物或化學(xué)分子的探測(cè)。但是利用現(xiàn)有的基于表面等離子體共振(SPR)的傳感有機(jī)氣體的方法己 經(jīng)暴露出一系列的問題。首先，有機(jī)氣體分子為化學(xué)小分子，現(xiàn)有的SPR傳感有機(jī)氣體方法 靈敏度較低；其次，表面等離子體共振檢測(cè)以角度調(diào)制為主，精確控制入射角度是操作上的 一個(gè)難點(diǎn)；再次，表面等離子體共振具有復(fù)雜的起振系統(tǒng)，它包括光源系統(tǒng)、激發(fā)光路系統(tǒng)、 耦合系統(tǒng)等；最后，表面等離子體共振方法檢測(cè)氣體裝置復(fù)雜，不利于便攜化?？傊?由于實(shí)現(xiàn)的困難，表面等離子體共振檢測(cè)氣體的方法成本較高，不利于商用化。
隨著等離子體光學(xué)研究的深入及納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的進(jìn)步，金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等
離子體共振(LSPR)近幾年來得到了應(yīng)用。它的原理是金屬納米顆?；蚪Y(jié)構(gòu)對(duì)光的局域表面等 離子體共振吸收和散射現(xiàn)象，與金屬薄膜的表面等離子體共振有所不同。LSPR譜對(duì)環(huán)境介質(zhì) 十分敏感，主要應(yīng)用一般表現(xiàn)在對(duì)生物分子的探測(cè)和分析、表面等離子體共振成像等方面。 在利用金屬納米顆粒局域表面等離子體共振(LSPR)對(duì)化學(xué)氣體小分子傳感方面，只是有人 初步提出了利用化學(xué)合成法制作的金屬納米球進(jìn)行傳感，但靈敏度非常低，完全無法滿足目 前對(duì)氣體傳感的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新的檢測(cè)有機(jī)氣體的方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于包含步驟如下
(1) 根據(jù)透射波長(zhǎng)的需要選擇合適型號(hào)的傳感芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、干燥；
(2) 在基底上制作金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，即得到傳感芯片；
(3) 根據(jù)所要檢測(cè)的氣體種類，在上述傳感芯片的金屬納米結(jié)構(gòu)陣列上結(jié)合一層氣體敏
感膜；
(4) 將步驟(3)所得的傳感芯片置于含有待測(cè)有機(jī)氣體的空氣中，然后利用光源照射 傳感芯片，再用光譜測(cè)試儀探測(cè)透射光得到消光光譜；
(5) 分析消光光譜，獲得待測(cè)有機(jī)氣體的濃度信息。 所述步驟(l)中選擇的傳感芯片的基底材料為可見光材料玻璃或石英，或者紅外材料硅。 所述步驟(2)中的金屬納米結(jié)構(gòu)陣列中金屬為金、或銀、或鋁、或銅；納米顆粒的形狀為
三角形、或菱形、或立方體形、或棒形、或球形、或線形，特征尺寸在20nm到500nm之間； 制作方法包括金屬納米結(jié)構(gòu)自組裝、納米球光刻、聚焦離子束光刻、電子束光刻、納米壓印。
所述步驟(3)中的氣體包含垸類、醇類、苯類中的某一種有機(jī)氣體。
所述步驟(4)中的光源為氖燈、鹵鎢燈、氙燈。
所述步驟(4)中的光譜測(cè)試儀為可見光譜儀或紅外光譜儀。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 本發(fā)明采用金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振效應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)上無需控制光的入 射角度，也無需光路耦合，只需要對(duì)氣體吸附前后的消光譜進(jìn)行測(cè)量和分析即能得出氣體濃 度信息；因此實(shí)現(xiàn)方便，成本低；
(2) 本發(fā)明可以利用光譜測(cè)試儀實(shí)時(shí)記錄透射光的消光信息，其響應(yīng)速度僅僅依賴于光 路系統(tǒng)，因此能夠快速實(shí)時(shí)記錄氣體濃度信息；
(3) 本發(fā)明是采用可以與小分子大小相媲美的金屬納米結(jié)構(gòu)，因此在檢測(cè)小分子方面， 尤其是有機(jī)氣體分子方面其有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。


圖1是氣體吸附于傳感芯片上的過程示意圖2是實(shí)例1中利用的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
圖3是光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖4是實(shí)例1中利用圖2所示的光譜測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不同濃度丁醇?xì)怏w所得到的消光效率 與波長(zhǎng)的關(guān)系圖5是實(shí)例1氣體濃度與消光峰值波長(zhǎng)關(guān)系圖6是實(shí)例2中利用圖2所示的光譜測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不同濃度二甲苯氣體所得到的消光效率與波長(zhǎng)的關(guān)系圖7是實(shí)例2氣體濃度與消光峰值波長(zhǎng)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于以下實(shí) 例，應(yīng)包含權(quán)利要求書中的全部?jī)?nèi)容。
實(shí)施例1，利用本發(fā)明的傳感方法完成對(duì)丁醇?xì)怏w的檢測(cè)。
(1) 選擇尺寸為10mmx20mmx2mm的K9玻璃作為傳感芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、干
燥；
(2) 在上述選擇的玻璃基底上利用納米球光刻法制作一層三角形銀納米陣列，如圖1(A) 中的第一個(gè)結(jié)構(gòu),三角形邊長(zhǎng)為127nm，周期為400nm，圖2為對(duì)應(yīng)的掃描電鏡照片；
(3) 將由步驟(2)得到的含有三角形銀納米結(jié)構(gòu)的傳感芯片浸沒在濃度為2.5xlO""M的霉 酚酸(MPA)溶液(溶劑為乙醇)中三分鐘，形成一層對(duì)丁醇?xì)怏w較為敏感的分子膜，如圖1(B) 所示；
(4) 將步驟(3)所得結(jié)構(gòu)置于含有丁醇分子的空氣中，結(jié)構(gòu)表層的分子膜吸收空氣中的 丁醇分子，如圖l(C)所示；
(5) 如圖3所示，為丁醇?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)框圖。傳感器系統(tǒng)由可見光源鹵鎢燈l、傳光光纖 2、準(zhǔn)直透鏡3、氣室4、傳感芯片5、聚焦透鏡6、傳光光纖7、光譜儀8、數(shù)據(jù)線9、計(jì)算 機(jī)10組成。鹵鉤燈1發(fā)出的光由傳光光纖2傳輸，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡3照射到放置氣室4中的傳 感芯片5上；透射光由聚焦透鏡6耦合進(jìn)入光纖7，進(jìn)入光譜儀8進(jìn)行探測(cè)。光譜儀探測(cè)到 的光譜由數(shù)據(jù)線9與計(jì)算機(jī)10相連，其中計(jì)算機(jī)安裝有相關(guān)的信息處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
(6) 由步驟(5)數(shù)據(jù)處理后，可得到消光效率與波長(zhǎng)的關(guān)系，如圖4所示；當(dāng)空氣中的 丁醇?xì)怏w濃度分別為0、 1000ppm、 2000ppm和4000ppm時(shí)，測(cè)量傳感芯片的消光譜，峰值 分別處于619nm、 642nm、 667腦、718nmnm處；
(7) 由步驟(6)所得到數(shù)據(jù)，可以得知丁醇?xì)怏w濃度與峰值波長(zhǎng)位置的關(guān)系如圖5所示； 巳知傳感芯片消光譜波長(zhǎng)信息便可得知丁醇?xì)怏w濃度信息。
實(shí)施例2，利用本發(fā)明的傳感方法完成對(duì)二甲苯氣體的檢測(cè)。
(1) 選擇尺寸為10mmx20mmx2mm的K9玻璃作為傳感芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、干
燥；
(2) 利用電子束光刻法在上述選擇的基底上制作菱形金納米結(jié)構(gòu)，如圖l(A)中的第四個(gè) 結(jié)構(gòu)，底邊邊長(zhǎng)為120nm，兩邊夾角60。，縱向高50nm，周期400nm;
(3) 將由步驟(2)得到菱形金納米結(jié)構(gòu)浸沒在濃度為5xlO—4M的苯硫酚(BT)溶液(溶劑為乙醇)中三分鐘，形成一層對(duì)二甲苯氣體較為敏感的分子膜，如圖l(B)所示；
(4) 將步驟(3)所得結(jié)構(gòu)置于含有二甲苯的空氣中，結(jié)構(gòu)表層的分子膜吸收空氣中的二 甲苯分子，如圖l(C)示意；
(5) 如圖3所示，為二甲苯氣體檢測(cè)系統(tǒng)框圖。傳感器系統(tǒng)由可見光源鹵鎢燈l、傳光光 纖2、準(zhǔn)直透鏡3、氣室4、傳感芯片5、聚焦透鏡6、傳光光纖7、光譜儀8、數(shù)據(jù)線9、計(jì) 算機(jī)I0組成。鹵鋅燈1發(fā)出的光由光纖2傳輸，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡照射到放置氣室4中的傳感芯 片5上。透射光由聚焦透鏡6耦合進(jìn)入光纖7，進(jìn)入光譜儀8進(jìn)行探測(cè)；光譜儀探測(cè)到的光 譜由數(shù)據(jù)線9與計(jì)算機(jī)10相連，其中計(jì)算機(jī)安裝有相關(guān)的信息處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
(6) 由步驟(5)數(shù)據(jù)處理后，可得到消光效率與波長(zhǎng)的關(guān)系，如圖6所示；當(dāng)空氣中的 二甲苯氣體濃度分別為O、 1000ppm、 2000ppm和4000ppm時(shí)，測(cè)量傳感芯片的消光譜，峰 值分別處于569nm、 601nm、 619nm、 678nm處；
(7) 由步驟(6)所得到數(shù)據(jù)，可以得知二甲苯氣體濃度與峰值波長(zhǎng)位置的關(guān)系如圖7所 示，已知傳感芯片消光譜波長(zhǎng)信息便可得知二甲苯氣體濃度信息。
權(quán)利要求
1、一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于包含步驟如下(1)根據(jù)透射波長(zhǎng)的需要選擇合適型號(hào)的傳感芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、干燥；(2)在基底上制作金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，即得到傳感芯片；(3)根據(jù)所要檢測(cè)的氣體種類，在上述傳感芯片的金屬納米結(jié)構(gòu)陣列上結(jié)合一層氣體敏感膜；(4)將步驟(3)所得的傳感芯片置于含有待測(cè)有機(jī)氣體的空氣中，然后利用光源照射傳感芯片，再用光譜測(cè)試儀探測(cè)透射光得到消光光譜；(5)分析消光光譜，獲得待測(cè)有機(jī)氣體的濃度信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于所述步驟(l)中選擇的 傳感芯片的基底材料為可見光材料玻璃或石英，或者紅外材料硅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于所述步驟(2)中的金屬 納米結(jié)構(gòu)陣列中金屬為金、或銀、或鋁、或銅；納米結(jié)構(gòu)的形狀為三角形、或菱形、或立方體形、或棒形、或球形、或線形，特征尺寸在20nm到500nm之間；制作方法包括金屬納米 結(jié)構(gòu)，組裝、納米球光刻、聚焦離子束光刻、電子束光刻、納米壓印。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于所述步驟(3)中的氣體 包含烷類、醇類、苯類中的某一種有機(jī)氣體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于所述步驟(4)中的光源 為氖燈、鹵鎢燈、氙燈。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于所述步驟(4)中的光譜測(cè)試儀為可見光譜儀或紅外光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)氣體傳感方法，其特征在于包含步驟如下根據(jù)透射波長(zhǎng)的需要選擇合適型號(hào)的傳感芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、干燥；在基底上制作金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，即得到傳感芯片；根據(jù)所要檢測(cè)的氣體種類，在上述金屬納米結(jié)構(gòu)陣列上結(jié)合一層氣體敏感膜；吸附某種有機(jī)氣體以后，利用光源照射傳感芯片，再用光譜測(cè)試儀探測(cè)透射光得到消光光譜；分析消光光譜，獲得氣體的濃度信息。本發(fā)明的有機(jī)氣體的傳感方法具有方便易行、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)?？梢杂糜诃h(huán)境檢測(cè)、爆炸物檢測(cè)、食品安全等方面。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101504360SQ20091007880
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者劉娟意, 軍 姚, 飛 李, 歡 楊, 馬文英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所