[发明专利]基于石墨烯和衰减全反射的气体分子检测系统及其应用该系统的检测方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及气体分子检测方法，尤其是基于石墨烯和衰减全反射来确定待测环境是否存在待测气体分子的方法。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。2004年，曼彻斯特大学Andre Geim 教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯具有极高的比表面积(2630m²/g)，因此对（气体分子 ）具有非常好的吸附作用。

衰减全反射（ATR：Attenuated Total Reflection）是一种物理光学现象。如图1所示，当入射光在棱镜与金属的界面上发生全反射时，会形成迅逝波进入金属内部。当金属和介质的界面满足表面等离子波存在的条件时，由全反射耦合进金属内部的迅逝波可以在金属和介质的界面上激励表面等离子波的传输，入射光大部分能量将耦合到表面等离子波中。这时，反射光强将急剧下降，形成一个吸收峰，非常灵敏而且易于观测。

目前，基于石墨烯的气体分子检测方法已经见诸报道。具有代表性的方法是利用石墨烯在吸附气体分子前后电导率/电阻的变化来判定是否有气体分子附着在石墨烯表面。该方法灵敏度不高，而且需要在石墨烯薄膜上制作导电电极，工艺复杂，难以实现规模化生产。

发明内容

为了克服现有方法灵敏度不高、工艺复杂的问题，本发明提出一种基于石墨烯和衰减全反射的气体分子检测方法，其工艺简单，检测的灵敏度明显提高。

为达到以上目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于石墨烯和衰减全反射的气体分子检测系统，采用棱镜、金属薄膜、石墨烯薄膜构建衰减全反射系统，在棱镜反射面上镀金属薄膜，然后在金属薄膜上覆盖石墨烯薄膜，该系统检测方法具有如下步骤：

（a）构建一个衰减全反射系统；

（b）获得该系统的工作曲线；

（c）设置该系统的工作点；

（d）将该系统置于待测环境；

（e）观测该系统的反射率是否发生改变，若改变则存在待测气体分子，反之亦然。

本发明所述衰减全反射系统，能够激励表面等离子波在石墨烯薄膜与金属薄膜的界面上传输；所述工作曲线是指反射光强与入射角度的关系曲线。

由于该衰减全发射系统的工作曲线下降沿具有线性好、斜率大的特点，因此，工作点选取于工作曲线下降沿最高点附近对应的位置时，当石墨烯薄膜吸附气体分子后，石墨烯薄膜的介电常数变化将引起工作曲线的偏移，而任何微小的偏移都会产生反射率的明显变化。利用这一方法，可实现气体分子的检测。

采用以上技术方案后，本发明的有益效果是：工艺简单，可提高检测气体分子的可靠性和灵敏度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明衰减全发射系统的结构示意图。

图2为图1放大图。

图3为本发明该系统的检测方法步骤图。

图4为本发明工作曲线示意图。

图3中1.石墨烯吸附气体分子前工作曲线、2.石墨烯吸附气体分子后工作曲线、3. 石墨烯吸附气体分子前工作点位置、4. 石墨烯吸附气体分子后工作点位置。

具体实施方式

根据图1、图2所示，本发明一种基于石墨烯和衰减全反射的气体分子检测系统，采用棱镜3、金属薄膜2、石墨烯薄膜1构建衰减全反射系统，在棱镜3反射面上镀金属薄膜2，然后在金属薄膜2上覆盖石墨烯薄膜1。

根据图3所示，该系统检测方法具有如下步骤：

（a）构建一个衰减全反射系统：采用棱镜3、金属薄膜2、石墨烯薄膜1构建衰减全反射系统，在棱镜3反射面上镀金属薄膜2，然后在金属薄膜2上覆盖石墨烯薄膜1。

（b）获取该衰减全反射系统石墨烯吸附气体分子前的工作曲线1：即反射光强与入射角度的关系曲线。

（c）设置该系统的工作点：选取该衰减全反射系统石墨烯吸附气体分子前的工作点位置2，该工作点位于工作曲线1下降沿的最高点。该工作点对应一个工作点入射角，入射角以θ_w表示。

（d）将该衰减全反射系统置于待测环境：待测环境中含有待测气体分子，待测分子附着在石墨烯薄膜1上，改变了石墨烯薄膜1的介电常数。