[发明专利]一种有机气体传感方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，特别涉及一种适用于环境监测领域的气体传感器。

背景技术

随着社会的飞速发展和科技的突飞猛进，环境污染日趋严重，化工生产和装修装饰材料中经常使用和产生一些有毒有害气体，严重威胁人们的生活和健康。因此研究这些用于环境监测的气体传感器以及探索新的气体传感方法，成为人们日益关心的问题。

表面等离子体共振(SPR)是一种表面物理光学现象。当入射光波在金属膜界面处产生全反射，且入射光波的频率与金属膜表面自由电子共振频率相同时，便产生表面等离子体共振现象。共振角度或共振波长对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感，因而可以用于对生物或化学分子的探测。但是利用现有的基于表面等离子体共振(SPR)的传感有机气体的方法已经暴露出一系列的问题。首先，有机气体分子为化学小分子，现有的SPR传感有机气体方法灵敏度较低；其次，表面等离子体共振检测以角度调制为主，精确控制入射角度是操作上的一个难点；再次，表面等离子体共振具有复杂的起振系统，它包括光源系统、激发光路系统、耦合系统等；最后，表面等离子体共振方法检测气体装置复杂，不利于便携化。总之，正是由于实现的困难，表面等离子体共振检测气体的方法成本较高，不利于商用化。

随着等离子体光学研究的深入及纳米结构加工技术的进步，金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)近几年来得到了应用。它的原理是金属纳米颗粒或结构对光的局域表面等离子体共振吸收和散射现象，与金属薄膜的表面等离子体共振有所不同。LSPR谱对环境介质十分敏感，主要应用一般表现在对生物分子的探测和分析、表面等离子体共振成像等方面。在利用金属纳米颗粒局域表面等离子体共振(LSPR)对化学气体小分子传感方面，只是有人初步提出了利用化学合成法制作的金属纳米球进行传感，但灵敏度非常低，完全无法满足目前对气体传感的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种新的检测有机气体的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种有机气体传感方法，其特征在于包含步骤如下：

(1)根据透射波长的需要选择合适型号的传感芯片基底，对基底进行清洗、干燥；

(2)在基底上制作金属纳米结构阵列，即得到传感芯片；

(3)根据所要检测的气体种类，在上述传感芯片的金属纳米结构阵列上结合一层气体敏感膜；

(4)将步骤(3)所得的传感芯片置于含有待测有机气体的空气中，然后利用光源照射传感芯片，再用光谱测试仪探测透射光得到消光光谱；

(5)分析消光光谱，获得待测有机气体的浓度信息。

所述步骤(1)中选择的传感芯片的基底材料为可见光材料玻璃或石英，或者红外材料硅。

所述步骤(2)中的金属纳米结构阵列中金属为金、或银、或铝、或铜；纳米颗粒的形状为三角形、或菱形、或立方体形、或棒形、或球形、或线形，特征尺寸在20nm到500nm之间；制作方法包括金属纳米结构自组装、纳米球光刻、聚焦离子束光刻、电子束光刻、纳米压印。

所述步骤(3)中的气体包含烷类、醇类、苯类中的某一种有机气体。

所述步骤(4)中的光源为氘灯、卤钨灯、氙灯。

所述步骤(4)中的光谱测试仪为可见光谱仪或红外光谱仪。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

(1)本发明采用金属纳米结构的局域表面等离子体共振效应，在实现上无需控制光的入射角度，也无需光路耦合，只需要对气体吸附前后的消光谱进行测量和分析即能得出气体浓度信息；因此实现方便，成本低；

(2)本发明可以利用光谱测试仪实时记录透射光的消光信息，其响应速度仅仅依赖于光路系统，因此能够快速实时记录气体浓度信息；

(3)本发明是采用可以与小分子大小相媲美的金属纳米结构，因此在检测小分子方面，尤其是有机气体分子方面具有独特的优势。

附图说明

图1是气体吸附于传感芯片上的过程示意图；

图2是实例1中利用的三角形金属纳米结构的扫描电镜照片。

图3是光谱测量系统示意图；

图4是实例1中利用图2所示的光谱测量系统测量不同浓度丁醇气体所得到的消光效率与波长的关系图；

图5是实例1气体浓度与消光峰值波长关系图；

图6是实例2中利用图2所示的光谱测量系统测量不同浓度二甲苯气体所得到的消光效率与波长的关系图；

图7是实例2气体浓度与消光峰值波长关系图。