基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置及檢測方法。本發(fā)明的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，包括與電源組件連接的電離組件、光譜信號采集模塊和/或電流-電壓信號采集模塊；電離組件包括第一電極和第二電極，第一電極與第二電極之間具有空間間隙；第一電極包括至少一組與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列，第二電極是金屬針、帶有導(dǎo)電外殼的光纖或者與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列。其有益效果是：利用納米線陣列的尖端放電，電離激發(fā)氣態(tài)物質(zhì)，并通過檢測放電輻射的光譜或放電的電流-電壓關(guān)系，從而獲知氣態(tài)物質(zhì)中的微量元素。具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、安全、體積小和易于集成的優(yōu)勢。
【專利說明】
基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)中微量元素的方法，具體涉及一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置及檢測方法?？蓱?yīng)用于生化分析和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，檢測微量元素的常用方法是原子吸收光譜儀和質(zhì)譜儀(EnvironmentalMonitoring and Assessment，107 (2005) 101-114)。原子吸收光譜儀有兩種檢測模式:(I)原子發(fā)射，是利用高溫火焰或等離子體，將待測原子從低能級激發(fā)到高能級，然后通過檢測高能級原子輻射的特征光譜，從而判別待測原子的種類和含量；(2)原子吸收，是利用含有特定物質(zhì)的空心陰極燈，產(chǎn)生與待測物質(zhì)的特征吸收譜線相匹配的光波，通過檢測待測物質(zhì)對該光波的吸收系數(shù)，從而判斷待測物質(zhì)的元素組分。目前的原子吸收光譜儀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴。質(zhì)譜儀則是根據(jù)帶電原子在磁場中的偏轉(zhuǎn)，測試原子的電荷/質(zhì)量比，從而判斷待測物質(zhì)的元素組分。因此，質(zhì)譜儀也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和價格昂貴的缺點。
[0003]與此同時，檢測氣體的便攜式儀器，通常采用半導(dǎo)體氣體傳感器和電化學(xué)傳感器。其中，半導(dǎo)體氣體傳感器，具有體積小、價格便宜的優(yōu)勢，但是穩(wěn)定性差、響應(yīng)時間長、選擇性差(即無法區(qū)分不同的氣體)。電化學(xué)傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性較低。并且，這兩種傳感器無法對原子含量進行檢測。
[0004]因此，如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便攜式的微量元素檢測儀，是本發(fā)明的創(chuàng)研動機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便攜式的微量元素檢測裝置及其檢測方法。所述檢測裝置是基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置。
[0006]本發(fā)明提供的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其技術(shù)方案是:
[0007]—種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，包括與電源組件連接的電離組件、光譜信號采集模塊和/或電流-電壓信號采集模塊；電離組件包括第一電極和第二電極，第一電極與第二電極之間具有空間間隙；第一電極包括至少一組與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列，第二電極是金屬針、帶有導(dǎo)電外殼的光纖或者與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列。
[0008]本發(fā)明提供的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，還可以包括以下附屬技術(shù)方案:
[0009]其中，檢測裝置還包括控制模塊，控制模塊可以調(diào)節(jié)第一電極與第二電極之間空間間隙的大小。
[0010]其中，電源組件是輸出電壓大小可以調(diào)節(jié)的電源組件。
[0011]其中，納米陣列是含有多根納米線或者納米管的陣列，納米線或者納米管的尖端的直徑在幾個納米至幾百個納米之間。
[0012]其中，納米線包括錐形納米線、圓柱形納米線或梯形納米線中的一種或任幾種。
[0013]其中，光譜信號采集模塊是含有分光器件和光電檢測器件的光譜測試儀；電流-電壓信號采集模塊是電流-電壓記錄儀。分光器件可以將不同波長的光束分開(如棱鏡和光柵)。
[0014]其中，檢測裝置還包括用于對檢測信號進行分析處理并顯示分析結(jié)果的計算機；電離組件還包括檢測室和采樣處理室，檢測室排氣口和采樣處理室的進氣口設(shè)置有微型栗O
[0015]其中，帶有導(dǎo)電外殼的光纖是在光纖的側(cè)壁鍍導(dǎo)電材料或套上導(dǎo)電外殼制成的；導(dǎo)電外殼的材料是金屬材料、碳纖維或石墨烯材料。光纖包含單模光纖、多模光纖、以及光子晶體光纖。
[0016]其中，納米陣列的材料是具有高恪點的GaN納米材料、媽金屬納米線材料或SiC納米材料。
[0017]本發(fā)明還提供了一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的氣體檢測方法，其技術(shù)方案是:
[0018]—種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測方法，包括以下步驟:將電離組件的第一電極與第二電極面對面放置，第一電極是與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列，第二電極是金屬針、帶有導(dǎo)電外殼的光纖或者與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列；然后將氣態(tài)待測物流經(jīng)納米陣列，調(diào)整第一電極和第二電極之間空間間隙的距離；并在第一電極和第二電極之間施加電壓，使得納米陣列頂部區(qū)域的氣體電離放電；通過檢測電離放電所輻射的特征光譜或者檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，可以獲知放電區(qū)域的元素組分。
[0019]本發(fā)明的檢測原理是利用納米線陣列的尖端放電效應(yīng)，由于納米線的尖端可以細到納米量級，在低電壓下納米線尖端可以產(chǎn)生電離放電，從而電離激發(fā)尖端附近的氣態(tài)物質(zhì)，并通過檢測電離放電的輻射光譜或放電的電流-電壓關(guān)系，可以獲知氣態(tài)物質(zhì)中的微量元素。
[0020]本發(fā)明的實施包括以下技術(shù)效果:
[0021 ] 綜上所述，本發(fā)明提供的基于納米線電離放電效應(yīng)的元素檢測方法，利用納米線陣列的尖端放電，電離激發(fā)氣態(tài)物質(zhì)，并通過檢測放電輻射的光譜或放電的電流-電壓關(guān)系，從而獲知氣態(tài)物質(zhì)中的微量元素。具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、安全、體積小和易于集成的優(yōu)勢。
[0022]與原子吸收光譜儀相比，本專利采用納米線電離放電方法，具有易于制備(簡單的化學(xué)氣相沉積就可以生長納米線)，安全(低電壓可以實現(xiàn)電離放電)，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于集成的優(yōu)勢。
[0023]與現(xiàn)有的氣體傳感器相比，本專利通過檢測氣體電離放電所輻射的特征譜線來鑒別元素組分，可以區(qū)分不同類型的氣體，精確度高，具有好的選擇性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置的另一種實施方式的原理示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置的金屬針與納米線之間放電檢測的原理示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置的帶有導(dǎo)電外殼的光纖與納米線之間放電檢測的原理示意圖。
[0028]圖5為本發(fā)明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置的光纖伸出(圖5a)和縮進(圖5b)導(dǎo)電外殼的不意圖。
[0029]101、電源組件；102、光譜信號采集模塊；103、電流-電壓信號采集模塊；104、透鏡；1、導(dǎo)電襯底；2、納米陣列；20、圓柱形納米線；21、錐形納米線；3、絕緣襯底；4、金屬針；
5、光纖；50、導(dǎo)電外殼；51、放電福射的光波。
【具體實施方式】
[0030]下面將結(jié)合實施例以及附圖對本發(fā)明加以詳細說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0031]參見圖1至圖5，本實施例提供的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，包括與電源組件101連接的電離組件、光譜信號采集模塊102和/或電流-電壓信號采集模塊103 ;電源組件101是輸出電壓大小可以調(diào)節(jié)的電源組件，光譜信號采集模塊102是光譜測試儀；電流-電壓信號采集模塊103是電流-電壓記錄儀。本實施例中，電離組件包括第一電極和第二電極，第一電極與第二電極之間具有空間間隙；第一電極包括至少一組與導(dǎo)電襯底I電連接的納米陣列2，第二電極是金屬針4、帶有導(dǎo)電外殼50的光纖5或者與導(dǎo)電襯底I電連接的納米陣列2。納米陣列2是多個納米線陣列或者多個納米管陣列，納米線或者納米管的尖端的直徑在幾個納米至幾百個納米之間。納米線陣列包括錐形納米線21、圓柱形納米線20或梯形納米線中的一種或任幾種，其中錐形納米線的頂部更尖銳(頂部直徑約5?500納米)，易于實現(xiàn)電離放電；并且納米線陣列的頂部間距L(圖1)可以縮短到微米甚至納米量級，因此在低電壓下即可實現(xiàn)電離放電。利用納米線陣列的尖端放電效應(yīng)，由于納米線的尖端可以細到納米量級，在低電壓下納米線尖端可以產(chǎn)生電離放電，從而電離激發(fā)尖端附近的氣態(tài)物質(zhì)，并通過檢測電離放電的輻射光譜或放電的電流-電壓關(guān)系，可以獲知氣態(tài)物質(zhì)中的微量元素。
[0032]作為本實施例的優(yōu)選，檢測裝置還可以包括控制模塊，控制模塊可以調(diào)節(jié)第一電極與第二電極之間空間間隙的大小。檢測裝置還包括用于對檢測信號進行分析處理并顯示分析結(jié)果的計算機；電離組件還包括檢測室和采樣處理室，檢測室排氣口和采樣處理室的進氣口設(shè)置有微型栗，便于氣體的流通檢測。帶有導(dǎo)電外殼50的光纖是在普通光纖5的側(cè)壁鍍導(dǎo)電材料或套上導(dǎo)電外殼50制成的；導(dǎo)電外殼50的材料是高熔點金屬材料。納米陣列2的材料是高恪點材料，優(yōu)選GaN納米線、金屬媽納米線或SiC納米線等高恪點材料。
[0033]參見圖1，本實施例的納米線陣列，可以是先在導(dǎo)電襯底I上生長或刻蝕出納米線陣列，該納米線可以導(dǎo)電、且呈錐形或圓柱形；然后將兩個導(dǎo)電襯底I面對面放置，使得納米線陣列的頂端相互靠近，其頂端間距為L(圖1);然后將氣態(tài)待測物流經(jīng)納米線陣列，并在兩個襯底上施加電壓，使得納米線陣列頂部區(qū)域的氣體電離放電(放電區(qū)域?qū)挾葹長);通過檢測電離放電所輻射的特征光譜，可以獲知放電區(qū)域的元素組分。放電輻射的光波經(jīng)過透鏡104聚焦后，輸入光譜信號采集模塊102。
[0034]參見圖2，本實施例的納米線陣列，也可以采用刻蝕凹槽的方法，在同一襯底上生長制備(如圖2所示)。該方法是將導(dǎo)電薄層(如半導(dǎo)體薄層)生長或附著在絕緣襯底3上，然后在導(dǎo)電薄層上刻蝕出凹坑結(jié)構(gòu)，最后在凹坑側(cè)壁生長納米線陣列。
[0035]參見圖3為金屬針4與納米線之間放電檢測的原理圖，采用金屬針4代替一側(cè)的納米線(如圖3);當(dāng)金屬針4靠近納米線時，金屬針尖與納米線頂端之間發(fā)生電離放電(金屬針尖與納米線頂端的距離為L)，通過檢測電離放電所輻射的特征光譜，從而獲知放電區(qū)域的元素組分。該金屬針可以是單根的，也可以是多根金屬針組成的陣列。
[0036]參見圖4帶有導(dǎo)電外殼50的光纖與納米線之間放電檢測的原理圖，采用帶有導(dǎo)電外殼的光纖取代一側(cè)的納米線(如圖4);當(dāng)光纖5靠近納米線時，光纖5—端與納米線頂端之間發(fā)生電離放電(光纖5端面與納米線頂端的距離為L)，通過檢測電離放電所輻射的特征光譜，從而獲知放電區(qū)域的元素組分。其中，帶有導(dǎo)電外殼的光纖，是在普通光纖5 (或錐形光纖5，或光子晶體光纖5)的側(cè)壁鍍上(或套上)導(dǎo)電外殼50 ;導(dǎo)電外殼50用于與納米線產(chǎn)生放電，光纖5用于收集和傳輸放電輻射的光波51。因此，放電輻射的光波51可以耦合到光纖5內(nèi)，并經(jīng)過光纖5傳輸?shù)焦庾V信號采集模塊102。這種光纖5耦合方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高的特點。并且，可以調(diào)節(jié)光纖5在導(dǎo)電外殼50內(nèi)的位置，使得光纖5伸出或縮進外殼(圖5)，從而調(diào)節(jié)光波的收集效率，同時避免放電產(chǎn)生的高溫?fù)p壞光纖5的光纖導(dǎo)電外殼50，其材質(zhì)優(yōu)選自高熔點金屬材料、碳纖維、或石墨烯等。
[0037]本實施例的電離放電是將納米線頂部放電區(qū)域內(nèi)的氣態(tài)物質(zhì)電離，將氣態(tài)物質(zhì)的原子激發(fā)到高能級狀態(tài)。由于原子會從高能級狀態(tài)返回低能級狀態(tài)，從而釋放出具有特征譜線的光波。通過檢測光波的特征譜線，即可獲知氣態(tài)物質(zhì)所含的原子種類和數(shù)量。
[0038]本實施例的檢測裝置，也可用來檢測液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)。將液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)揮發(fā)或蒸發(fā)出來的分子，通過載氣傳輸?shù)郊{米線頂部的放電區(qū)域，從而對蒸發(fā)物質(zhì)進行檢測。的檢測裝置，對于不同的氣態(tài)物質(zhì)，其電離電壓會有差異；因此，還可以通過檢測電離放電時所施加的電壓與電流，來獲知待測物質(zhì)。本實施例中，可以選用納米管代替納米線，例如碳納米管材料。
[0039]本實施例還提供了一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的氣體檢測方法，包括以下步驟:將電離組件的第一電極與第二電極面對面放置，第一電極是與導(dǎo)電襯底I電連接的納米陣列2，第二電極是金屬針、帶有導(dǎo)電外殼的光纖或者與導(dǎo)電襯底I電連接的納米陣列2 ;調(diào)整第一電極和第二電極之間空間間隙的大??；然后將氣態(tài)待測物流經(jīng)納米陣列2，并在第一電極和第二電極之間施加電壓，使得納米線陣列頂部區(qū)域的氣體電離放電；通過檢測電離放電所輻射的特征光譜或者檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，可以獲知放電區(qū)域的元素組分。
[0040]下述為本實施例的兩種【具體實施方式】:
[0041]實施例1
[0042]首先，利用化學(xué)氣相沉積的方法，在兩個η型硅襯底上生長碳納米管。
[0043]其次，將這兩個硅襯底面對面放置，使得納米管的頂部相互靠近(如圖1納米管頂部間距為L);然后在兩個襯底上施加電壓，由于襯底和納米管可以導(dǎo)電，所施加電壓主要集中在間距為L的空隙上、并導(dǎo)致該空隙中的氣體電離。
[0044]最后，將待測氣體流經(jīng)納米管頂部的空隙區(qū)域，產(chǎn)生電離放電；通過檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，從而獲知待測氣體的元素組分。
[0045]實施例2
[0046]首先，在絕緣的藍寶石襯底上生長η型GaN薄膜，然后將GaN薄膜刻蝕出凹槽(該凹坑穿透薄膜)，并在凹槽側(cè)壁生長η型GaN納米線(如圖2所示納米線頂部間距為L)。
[0047]其次，在凹槽兩邊的GaN薄膜上施加電壓，由于薄膜和納米線可以導(dǎo)電，所施加電壓主要集中在間距為L的空隙上、并導(dǎo)致該空隙中的氣體電離。
[0048]最后，將待測氣體流經(jīng)納米線頂部的空隙區(qū)域，該氣體電離放電、并輻射出含有特征譜線的光波，通過檢測光波的譜線可以獲知該氣體的元素組分。
[0049]最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:包括與電源組件連接的電離組件、光譜信號采集模塊和/或電流一電壓信號采集模塊；所述電離組件包括第一電極和第二電極，所述第一電極與所述第二電極之間具有空間間隙；所述第一電極包括至少一組與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列，所述第二電極是金屬針、帶有導(dǎo)電外殼的光纖或者與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述檢測裝置還包括控制模塊，所述控制模塊可以調(diào)節(jié)所述第一電極與所述第二電極之間空間間隙的大小。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述電源組件的輸出電壓可以調(diào)節(jié)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述納米陣列是含有多根納米線或者納米管的陣列，納米線或者納米管的尖端的直徑在幾個納米至幾百個納米之間。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述納米線陣列包括錐形納米線、圓柱形納米線或梯形納米線中的一種或任幾種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述光譜信號采集模塊是包含分光器件和光電探測器件的光譜儀；所述電流一電壓信號采集模塊是電流一電壓記錄儀。7.根據(jù)權(quán)利要求1?6任一所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述檢測裝置還包括用于對檢測信號進行分析處理并顯示分析結(jié)果的計算機。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述帶有導(dǎo)電外殼的光纖是在光纖的側(cè)壁鍍導(dǎo)電材料或套上導(dǎo)電外殼制成的；所述導(dǎo)電外殼的材料是金屬材料、碳纖維或石墨烯材料。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測裝置，其特征在于:所述納米陣列的材料是具有高恪點的GaN納米材料、媽金屬材料或SiC納米材料。10.一種基于納米陣列電離放電效應(yīng)的元素檢測方法，其特征在于包括以下步驟:將電離組件的第一電極與第二電極面對面放置，所述第一電極是與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列，所述第二電極是金屬針、帶有導(dǎo)電外殼的光纖或者與導(dǎo)電襯底電連接的納米陣列；然后將氣態(tài)待測物流經(jīng)納米陣列，調(diào)整所述第一電極和所述第二電極之間空間間隙的大??；并在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓，使得納米陣列頂部區(qū)域的氣體電離放電；放電輻射的光波經(jīng)過光學(xué)透鏡或光纖，進入光譜信號采集模塊；通過檢測電離放電所輻射的特征光譜或者檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，可以獲知放電區(qū)域的元素組分。
【文檔編號】G01N21/67GK106066321SQ201510445809
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年7月27日 公開號201510445809.X, CN 106066321 A, CN 106066321A, CN 201510445809, CN-A-106066321, CN106066321 A, CN106066321A, CN201510445809, CN201510445809.X
【發(fā)明人】黃輝, 渠波, 趙丹娜, 宗楊, 呂瑞
【申請人】黃輝, 渠波, 趙丹娜